SPS理想模型和離心模型差異影響分析

房心怡(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

SPS軟件主要用于氣體管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)水力分析，是一套世界公認(rèn)的用于氣體管道設(shè)計(jì)、儲(chǔ)氣能力分析、日常操作決策和計(jì)算分析的高精度軟件。通過(guò)該軟件可進(jìn)行天然氣管道穩(wěn)態(tài)計(jì)算、調(diào)峰分析和失效分析等系統(tǒng)的計(jì)算工作[1-2]。軟件用于壓縮機(jī)模擬的主要有理想模型和離心模型。通常在設(shè)計(jì)前期階段，只能用理想模型進(jìn)行壓縮機(jī)模擬，后續(xù)階段獲得廠家提供的機(jī)芯數(shù)據(jù)后，可使用離心模型進(jìn)行更為準(zhǔn)確的模擬分析。通過(guò)對(duì)某管道核算發(fā)現(xiàn)，用理想模型模擬的結(jié)果與離心模型存在一定的偏差。因此，對(duì)兩個(gè)模型失效模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析誤差原因，并提出改進(jìn)措施。

1 理想模型與離心模型的對(duì)比分析

理想模型和帶芯模型主要區(qū)別在于機(jī)芯數(shù)據(jù)。機(jī)芯數(shù)據(jù)由壓縮機(jī)廠家根據(jù)各壓氣站工況數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型后確定，是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與壓頭、效率、功率等參數(shù)相關(guān)聯(lián)的一系列數(shù)據(jù)，它界定了實(shí)際壓縮機(jī)的工作范圍[3]，根據(jù)機(jī)芯數(shù)據(jù)繪制的典型壓縮機(jī)性能曲線如圖1所示。圖中顯示離心模型的機(jī)芯數(shù)據(jù)將壓縮機(jī)的工作點(diǎn)限制在壓縮機(jī)最大、最小轉(zhuǎn)速工況曲線與喘振線、阻塞線、最大可用功率線構(gòu)成的扇形范圍內(nèi)。而理想模型沒(méi)有固定的外部限制條件，為使其工作狀態(tài)接近實(shí)際工況，通常對(duì)模型參數(shù)如最大功率、最大壓比等進(jìn)行限制。限定值的選取往往結(jié)合可選機(jī)組的功率等級(jí)、壓比范圍以及工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定。

圖1 壓縮機(jī)機(jī)芯數(shù)據(jù)曲線

2 結(jié)合工程實(shí)例分析

XQ管道主干線長(zhǎng)4 159 km，管徑1 219/1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力12/10 MPa。管道設(shè)計(jì)輸量300億立方米/年，管道沿線擬設(shè)置20座壓氣站。分別利用理想模型和離心模型從穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)工況、壓氣站投運(yùn)方案、壓氣站失效分析等方面進(jìn)行模擬分析。

2.1 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)工況對(duì)比

在XQ管道總體設(shè)計(jì)階段分別利用理想模型和離心模型進(jìn)行模擬，與壓縮機(jī)廠家計(jì)算數(shù)據(jù)一起進(jìn)行對(duì)比分析可知：

(1)壓縮機(jī)出口溫度GE計(jì)算數(shù)據(jù)＞理想模型＞離心模型，偏差基本在2%以內(nèi)，在誤差范圍之內(nèi)。(2)計(jì)算功率離心模型＞GE計(jì)算數(shù)據(jù)＞理想模型，偏差基本在2%以內(nèi)，在誤差范圍之內(nèi)。(3)離心模型中多變效率是軟件根據(jù)廠家提供的壓縮機(jī)機(jī)芯數(shù)據(jù)得出，與GE提供的壓縮機(jī)多變效率比較接近，偏差基本在±0.5%以內(nèi)，且平均值皆為86.3%；理想模型的多變效率為人為設(shè)定值85%，低于離心模型和GE提供的壓縮機(jī)多變效率，偏差范圍為0.5%～1.8%，均值為1.3%。在項(xiàng)目初期階段，無(wú)法獲得壓縮機(jī)機(jī)芯數(shù)據(jù)的情況下，只能用理想模型進(jìn)行壓縮機(jī)模擬，可將壓縮機(jī)多變效率適當(dāng)取的保守一點(diǎn)，建議不超過(guò)85%[4]。(4)壓縮機(jī)出口溫度各模型模擬結(jié)果較為相近，理想模型中壓縮機(jī)溫升系數(shù)默認(rèn)值為1.30，用戶也可根據(jù)需要自己取值；在這里理想模型溫升系數(shù)取值為1.37，建議取值范圍1.37～1.38。

對(duì)外界因素導(dǎo)致整個(gè)壓氣站失效后對(duì)管道產(chǎn)生的后果進(jìn)行分析，由表1可知理想模型和離心模型模擬的上游反應(yīng)時(shí)間相差不大，但是管道的輸氣能力和對(duì)下游影響時(shí)間有一定的偏差。

表1 理想模型與離心模型失效計(jì)算結(jié)果對(duì)比

以C01站為例，對(duì)理想模型失效模擬誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，可知：(1)兩種模型在失效時(shí)壓氣站通過(guò)流量都會(huì)減小，但理想模型失效后的通過(guò)流量大于離心模型。通過(guò)流量減小會(huì)導(dǎo)致下游用戶正常用氣的同時(shí)上游供氣不足，管容減小，這是影響失效分析結(jié)果的主要因素[5]。(2)離心模型失效分析時(shí)，失效機(jī)組下游壓縮機(jī)的受限條件為機(jī)芯限定的最大轉(zhuǎn)速；理想模型失效分析時(shí)，失效機(jī)組下游壓縮機(jī)的受限條件為設(shè)定功率。離心模型多數(shù)下游壓縮機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，其功率未達(dá)到理想模型設(shè)定的最大壓比和最大功率，顯然離心模型機(jī)芯數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)行工況的限制較理想模型更為苛刻。

因此可考慮限制理想模型中壓縮機(jī)壓比，以使其模擬結(jié)果趨于真實(shí)情況，具體分析如表2所示。通過(guò)控制理想模型中壓氣站的壓比，可以為準(zhǔn)確地模擬單座壓氣站失效的結(jié)果，模擬結(jié)果與離心模型接近。

表2 優(yōu)化后理想模型與離心模型失效計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)SPS理想模型模擬天然氣長(zhǎng)輸管道的建議如下：

(1)穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，設(shè)計(jì)工況下理想模型和離心模型與廠家返回?cái)?shù)據(jù)差距不大。但是在壓縮機(jī)效率相同的條件下，理想模型計(jì)算功率較低，因此在設(shè)計(jì)前期，需留下一定的設(shè)計(jì)余量，根據(jù)XQ管道模擬經(jīng)驗(yàn)，建議取值不超過(guò)85%；理想模型中壓縮機(jī)溫升系數(shù)默認(rèn)值為1.30，用戶也可根據(jù)需要自己取值，建議取值范圍 1.37～1.38。

(2)離心壓縮機(jī)不光受到壓縮機(jī)最大可用功率的限制，還受到喘振流量、阻塞流量、最高轉(zhuǎn)速、最低轉(zhuǎn)速的限制，因此壓縮機(jī)的適應(yīng)性不如理想模型。在逐年投運(yùn)工況中要綜合考慮這些因素來(lái)確定壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)方案。

(3)在模擬壓縮機(jī)單站失效工況時(shí)，建議在可研階段提前與壓縮機(jī)廠家溝通，獲取初步機(jī)芯數(shù)據(jù)，利用離心模型進(jìn)行機(jī)組失效分析。若沒(méi)有機(jī)芯數(shù)據(jù)，可增加壓縮機(jī)壓比等限制條件，獲得與離心模型較為接近的模擬結(jié)果，建議壓比范圍1.15～1.70。