動態(tài)模擬在輸氣管道工藝設計中的應用

1、動態(tài)模擬在輸氣管道工藝設計中的應用李彤民吳長春梁江摘要概述了動態(tài)模擬在輸氣管道工藝設計中的作用和意義，闡述了傳統(tǒng)的工藝穩(wěn)態(tài)設計方法的局限性，提出了動態(tài)設計方法的基本原則與步驟。通過實例對穩(wěn)態(tài)和動態(tài)設計的結(jié)果進行了對比分析，指出動態(tài)模擬是提高輸氣管道工藝設計水平的關鍵。主題詞輸氣管道動態(tài)模擬工藝設計應用一、引言工藝設計是輸氣管道設計中的最基本內(nèi)容。工藝設計方案優(yōu)劣的選擇在很大程度上影響輸氣管道運行的可靠性和投資效益。在干線輸氣管道設計中，對工藝設計方案的基本技術要求是：能比較可靠地滿足目標用戶需求，具有較大的運行靈活性。此外，在滿足技術要求的前提下，工藝設計方案還應有較好的經(jīng)濟性。在70年代以前

2、，由于設計手段的限制，輸氣管道工藝設計方案的確定基本上是以穩(wěn)態(tài)工藝計算為基礎的。自70年代以來，計算機技術的發(fā)展為輸氣管道設計提供了強有力的手段。特別是進入80年代后，國外輸氣管道工藝模擬軟件的發(fā)展相當迅速，目前已有多種商業(yè)軟件在世界各地使用，其中比較著名的有Stoner、SIMONE、TGNET、Gregg、LIC等。這些商業(yè)軟件均同時具有穩(wěn)態(tài)工況模擬和動態(tài)工況模擬的功能，設計人員可以利用這些軟件對輸氣管道的工藝設計方案進行任何工況下的動態(tài)模擬，從而對方案的可行性、可靠性、靈活性和合理性做出更客觀的評價，并根據(jù)對多種方案的比選和評價結(jié)果選出較好的方案。多年來，這些軟件已在全世界許多輸氣管道的

3、設計中得到了應用，既提高了輸氣管道工藝設計方案的質(zhì)量，又在很大程度上改變了工藝設計人員傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計觀念。二、穩(wěn)態(tài)設計方法的局限性12穩(wěn)態(tài)設計是輸氣管道工藝設計的基本方法，其出發(fā)點是假設管道在設計流量下按穩(wěn)態(tài)工況運行。然而，輸氣管道的實際流量往往是變化的。這種變化不僅來源于運行壽命期內(nèi)管道年輸氣量的變化，而且在年輸氣量一定的前提下，管道在一年中的實際流量往往隨季節(jié)、月份、周、日而變化，即使在一日之中也會隨小時而變化。例如，北京市在某一年的用氣高峰周的最大用氣量為26.54104Nm3h，最小用氣量為2.24104 Nm3h。因此，在對輸氣管道進行穩(wěn)態(tài)設計時，一個最基本的問題是確定管道的設計流量

4、。如果管道的年輸氣量在設計壽命內(nèi)有較大幅度的變化，通常需要根據(jù)年輸氣量的具體變化情況選擇多個設計流量，并針對這些流量分別進行管道的穩(wěn)態(tài)設計或穩(wěn)態(tài)校核。由于同一條管道要適應多種設計流量，因此在進行穩(wěn)態(tài)設計時要對各種設計流量進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，以使得同一種設計方案能滿足多種設計流量下的穩(wěn)態(tài)運行要求。此外，在考慮多個設計流量的情況下，為了使所設計的管道在其設計壽命內(nèi)達到較好的經(jīng)濟效益，通常需要考慮分期建設模式。對于給定的管道年輸氣量設計流量的確定取決于一年中管道流量的變化情況及擬采取的供氣調(diào)峰措施。如果管道的流量變化較少或采取配套的調(diào)峰措施(如建地下儲氣庫或LNG設施)，其設計流量可取全年的平均流量。如果

5、管道的流量變化較大，且未采取配套調(diào)峰措施，則設計流量應取高于平均流量的某個值，例如可取全年用氣高峰周的平均流量。顯然，無論如何選擇設計流量，按設計流量確定的管道穩(wěn)態(tài)工況都不可能代表管道全年的實際工況。因此，在按穩(wěn)態(tài)設計方法確定了管道的工藝設計方案后，有必要進一步驗證該方案能否滿足供氣調(diào)峰的要求。如果不能滿足，還應對原有的設計方案進行調(diào)整或采取其它配套調(diào)峰措施，然后對調(diào)整后的方案重新進行驗證。一般來說，在管道的氣源能夠提供足夠氣量的前提下，只要管道的設計流量取得足夠大（例如取可能出現(xiàn)的最大流量)，按此流量進行設計所確定的工藝設計方案就能滿足供氣調(diào)峰的要求。但這種做法將導致管道工程的投資增大，而且

6、往往是不經(jīng)濟的。根據(jù)國外的經(jīng)驗，輸氣管道自身的調(diào)峰能力用以滿足短期(周、日)調(diào)峰為宜，而中、長期(季、月)調(diào)峰的任務應由與管道配套的調(diào)峰設施來承擔。在70年代以前，由于設計手段的限制，只能按穩(wěn)態(tài)方法大致估計輸氣管道的調(diào)峰能力。實際上，由于輸氣管道在供氣調(diào)峰過程中的工況是不斷變化的，因此這種穩(wěn)態(tài)估計方法難以可靠地評價輸氣管道的實際調(diào)峰能力。自70年代以來相繼出現(xiàn)的各種模擬軟件，為客觀地評價輸氣管道的調(diào)峰能力提供了強有力的工具。利用這些模擬軟件，可以對輸氣管道系統(tǒng)(包括輸氣干線及相應的配套調(diào)峰設施)在不同周期、不同情況下的調(diào)峰過程進行全面的動態(tài)模擬，且可以根據(jù)模擬結(jié)果對輸氣干線及配套調(diào)峰設施的設計

7、方案進行調(diào)整和優(yōu)化。綜上所述，單純的穩(wěn)態(tài)設計方法已不能滿足現(xiàn)代輸氣管道的設計要求，只有將穩(wěn)態(tài)設計方法與動態(tài)模擬方法結(jié)合起來才能設計出既能滿足供氣要求，又具有良好經(jīng)濟效益的輸氣管道系統(tǒng)。三、動態(tài)模擬3輸氣管道動態(tài)模擬是指用適當?shù)姆椒M輸氣管道系統(tǒng)中的非穩(wěn)態(tài)工況，即模擬該系統(tǒng)中各處的流動狀態(tài)參數(shù)隨時間變化的過程，目前最常用的模擬方法是計算機數(shù)值模擬。輸氣管道系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)工況是由系統(tǒng)內(nèi)部或邊界處的物理擾動引起的，如管道終點或中途分氣點的供氣流量變化、管道起點進氣壓力或溫度的變化、管道支線(進氣或分氣)的聯(lián)通或關閉、管道至周圍介質(zhì)的傳熱條件變化等。在所有這些原因中，管道終點或中途分氣點的供氣流量變化

8、則最為常見。由于這些點的供氣量直接取決于其所連接的用氣系統(tǒng)的用氣量，而對于最常見的用氣系統(tǒng)(城市配氣管網(wǎng))，其用氣量幾乎時刻都在變化。因此，為城市配氣系統(tǒng)供氣的干線輸氣管道的工況基本上都是非穩(wěn)態(tài)的。此外，由于氣體的壓縮性大，故由擾動引起的非穩(wěn)態(tài)工況在輸氣管道中延續(xù)相當長的時間，這一因素也在很大程度上決定了輸氣管道難以達到真正的穩(wěn)態(tài)工況。正因為如此，在輸氣管道的工藝設計及運行管理中引入動態(tài)模擬是完全必要的，而且在當今計算機模擬技術高度發(fā)展的時代也是完全可行的。輸氣管道非穩(wěn)態(tài)工況的模擬基于下述基本方程組：連續(xù)性方程（1）能量方程（2）動量方程（3）氣體狀態(tài)方程（p，T）（4）為了對一個具體的輸氣管

9、道系統(tǒng)在某段時間內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)過程進行動態(tài)模擬，需要根據(jù)該系統(tǒng)在這段時間內(nèi)的初始條件和邊界條件求解上述方程組，及求解一個偏微分方程組的定解問題。對于這類定解問題，目前主要采取各種數(shù)值方法求解，這些方法基本上可分為隱式中心差分法和特征線差分法兩類。由于數(shù)值方法的實現(xiàn)在很大程度上要依賴數(shù)字計算機，故國外已有多家公司推出了商品化的輸氣管道工藝模擬軟件。這些軟件的功能大致相同，一般都有穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬功能，其差別主要在于某些輔助功能和人機交互界面。工藝模擬軟件的應用為輸氣管道設計人員和運行管理人員提供了很大的方便，也使得輸氣管道的設計和運行管理水平有了很大提高。單從工藝設計的角度考慮，動態(tài)模擬主要具有以

10、下幾方面的作用和意義：(1)通過對各種典型供氣周期的動態(tài)模擬，檢驗由穩(wěn)態(tài)設計方法給出的工藝設計方案能否滿足管道運行期間的供氣調(diào)峰要求。(2)選取多種設計流量對管道進行穩(wěn)態(tài)工藝設計，也可以考慮輸氣管道與配套調(diào)峰設施的多種可能組合，然后通過動態(tài)模擬對輸氣系統(tǒng)的各種設計方案的可行性進行評價，并在此基礎上結(jié)合經(jīng)濟等方面的因素選出相對最優(yōu)的設計方案。(3)通過動態(tài)模擬可以更全面地了解全線各站所配置的壓縮機組與管道的匹配狀況，從而為全線壓縮機的優(yōu)化配置和選型提供可靠的依據(jù)。(4)通過動態(tài)模擬可以確切地反映出全線各管段的儲氣(Packing)和抽氣(Withdrawing)過程。改變了只有管道末段才能儲氣的

11、傳統(tǒng)觀念。(5)對輸氣管道可能發(fā)生的各種事故工況(如某處管道斷裂)進行動態(tài)模擬(通常稱為自救模擬SurvivingSimulation)，從而為管道的可靠性評價和設計提供依據(jù)。(6)改變某些設計人員用穩(wěn)態(tài)觀點去分析非穩(wěn)態(tài)過程的錯誤觀念，使其對輸氣管道系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)過程有比較深入的理解，從而在工藝設計過程中自覺貫徹動態(tài)設計的觀念。四、動態(tài)設計方法的基本原則與步驟3，4，5，6動態(tài)設計是相對于穩(wěn)態(tài)設計而言的，其基本特征是充分考慮非穩(wěn)態(tài)工況對設計方案的影響，但并不排除以穩(wěn)態(tài)設計方案作為整個設計過程的基礎。動態(tài)設計方法的基本原則是：在各種可能的運行條件下對多種擬定的方案進行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬，從中選出能滿足

12、工藝運行要求和供氣調(diào)峰要求的可行設計方案。動態(tài)設計的基本內(nèi)容和步驟可歸納如下：1、擬定若干個工藝設計方案根據(jù)擬建管道的設計條件和要求，在選定的設計流量下進行穩(wěn)態(tài)工況設計，由此確定若干個初選的工藝設計方案。這些工藝設計方案主要包括：沿線管段的管徑、壁厚、管材、設計壓力、全線的壓氣站數(shù)目與位置、站壓比、壓縮機組配置、在設計流量下的進出站壓力和溫度等。在擬定工藝設計方案的過程中，各管段的管徑、壁厚、管材及壓氣站的壓比往往是根據(jù)經(jīng)驗或根據(jù)優(yōu)化結(jié)果確定的，而且往往要給出多種這些因素的組合，以便擬定出多個不同的工藝設計方案。對應于每一種給定的這些因素的組合，按設計流量下穩(wěn)態(tài)工藝計算的結(jié)果可確定設計方案的其

13、它因素。此外，在某些情況下還要對所得的工藝設計方案作一些調(diào)整，例如要挪動壓氣站的位置。一般說來，對某個設計因素的調(diào)整往往會對設計方案中的某些其它因素產(chǎn)生連鎖反應。2、對每個擬定方案進行多工況穩(wěn)態(tài)模擬穩(wěn)態(tài)工況模擬有兩個目的：一是計算輸氣管道在各種條件下的穩(wěn)態(tài)運行工況；二是為動態(tài)模擬提供初始條件。穩(wěn)態(tài)工況模擬的基本內(nèi)容是：在管道沿線各管段的計算流量、管道起點及沿線各進氣點的進氣壓力和溫度、管道沿線各管段埋深處的自然地溫及總傳熱系數(shù)(K值)、全線各壓氣站的運行壓縮機組合、每臺運行壓縮機組的轉(zhuǎn)速等條件為給定的前提下，計算全線各壓氣站進出口處、進分氣點、管道終點的氣體壓力和溫度及各管段的壓力和溫度分布。

14、此外還要計算每臺運行壓縮機組的運行參數(shù)(壓縮機的流量、進出口壓力、進出口溫度、功率、效率及原動機的功率等)。在穩(wěn)態(tài)工況模擬的過程中，還要根據(jù)模擬計算的結(jié)果判斷所模擬的穩(wěn)態(tài)運行方案是否滿足輸氣管道的工藝約束及供氣要求。如果不滿足要求，則需要對所模擬的運行方案作適當?shù)恼{(diào)整，然后重新進行模擬。在輸氣管道系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行方案中，除了各壓氣站的運行壓縮機組合及每臺運行壓縮機組的轉(zhuǎn)速外，其它因素(如沿線各管段的流量計算)基本不以設計人員的意志為轉(zhuǎn)移。在其它因素為給定的條件下，各壓氣站的運行壓縮機組合及每臺運行壓縮機的轉(zhuǎn)速可由工藝人員根據(jù)經(jīng)驗指定，也可經(jīng)過優(yōu)化后確定。3、對每個擬定方案進行多工況動態(tài)模擬鑒于目

15、前已有較多的輸氣管道模擬軟件可供選用，故工藝設計人員可以根據(jù)需要和可能選用某一種軟件作為動態(tài)模擬的工具。在利用現(xiàn)有的商業(yè)性軟件進行輸氣管道的動態(tài)模擬時，工藝設計人員通常需要作三方面的工作：建立模擬對象的模型，輸入基礎數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以描述所要模擬的管道系統(tǒng)的結(jié)構、設備配置、設備特性、運行的設備組合、所輸氣體的組分等方面的情況，由此可以描述出該系統(tǒng)的概貌。確立模擬對象的初始條件和邊界條件。對模擬結(jié)果進行分析，并判斷其是否滿足系統(tǒng)運行的約束條件及供氣調(diào)峰的要求。初始條件是指在動態(tài)模擬的初始時刻模擬對象所處的狀態(tài)。在管道設計階段，通常取非穩(wěn)態(tài)過程的起始時刻作為動態(tài)模擬的初始時刻，因而在該時刻以前的穩(wěn)

16、態(tài)工況就是動態(tài)模擬的初始條件。當然，原則上也可以取非穩(wěn)態(tài)過程中的某一時刻作為初始時刻，但前提條件是該初始時刻必須是以前某次動態(tài)模擬的終了時刻，因為只有這樣才能確切地知道模擬對象的初始狀態(tài)。邊界條件是指模擬對象邊界處的氣體流動狀態(tài)或流動狀態(tài)參數(shù)之間的關系式。所謂邊界是指系統(tǒng)與外部環(huán)境的交接處以及系統(tǒng)中各管段之間的聯(lián)結(jié)處，前者稱為系統(tǒng)的外邊界，后者稱為系統(tǒng)的內(nèi)邊界。實際上，天然氣干線輸氣管道和氣井、氣田集輸管網(wǎng)、氣體處理站、城市配氣管網(wǎng)及儲氣庫構成一個全封閉系統(tǒng)。如果只對其中的干線輸氣系統(tǒng)單獨進行模擬，供氣系統(tǒng)的內(nèi)邊界就變成了干線系統(tǒng)的外邊界，因而只能根據(jù)干線輸氣系統(tǒng)與供氣系統(tǒng)中其它部分的聯(lián)系建立

17、所謂的虛擬邊界條件。例如在進行干線輸氣系統(tǒng)的動態(tài)模擬時，往往以配氣站的出口流量要求作為一個邊界條件，以其進口壓力不得低于某一限值作為約束條件，如果低于此值，則表明系統(tǒng)不能滿足所要求的供氣流量。在干線輸氣系統(tǒng)的動態(tài)模擬中，一些常見的邊界條件如下：(1)進氣點的壓力、溫度取給定值或給定的時間函數(shù)。(2)分氣點或干線終點的供氣流量取給定值或給定的時間函數(shù)。(3)分氣點或終點的供氣壓力取給定值或給定的時間函數(shù)。(4)壓氣站的運行特性及其控制方式。在輸氣管道的動態(tài)模擬中，確定邊界條件是最關鍵的一項工作。只有對所模擬的對象的物理過程有透徹的了解，才能保證正確的確定邊界條件。在確定邊界條件時要注意各項邊界條

18、件的合理性及它們之間的協(xié)調(diào)性，否則有可能導致模擬無解。4、評價擬定方案的技術可行性一個設計方案的技術可行性取決于其在各種可能工況下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬結(jié)果是否滿足模擬對象的運行約束和供氣要求。顯然，要使一個設計方案滿足多種工況下的運行約束和供氣要求，這個方案本身必須具有足夠的靈活性或調(diào)節(jié)余地。5、選出最優(yōu)方案對滿足技術可行性的若干個擬定方案進行經(jīng)濟評價，然后根據(jù)經(jīng)濟評價結(jié)果并綜合其它方面的評價準則，從這些技術可行的方案中選出相對最優(yōu)的方案。一般來說，上述動態(tài)設計的過程并非一次就能實現(xiàn)，在實施過程中難免要返回第一步對設計方案進行調(diào)整，然后再重復上述步驟。五、對比分析7以下引用文獻上介紹的一個實例對穩(wěn)

19、態(tài)設計和動態(tài)設計的結(jié)果進行對比分析。為簡單起見，本例假設所研究的管道只有日調(diào)峰問題，其每天的供氣量變化規(guī)律都是相同的。所研究的輸氣管道系統(tǒng)的結(jié)構如圖1所示，管道末端用戶日用氣量變化曲線如圖2所示。圖1輸氣管道系統(tǒng)結(jié)構示意圖圖2輸氣管道末端用氣量變化曲線圖在進行穩(wěn)態(tài)設計時，為了滿足用氣高峰期的供氣要求，取設計流量為高峰期的用氣流量(7.428106Nm3d)，它相當于日平均流量的1.57倍。顯然，按此流量確定的設計方案能滿足日調(diào)峰的要求。穩(wěn)態(tài)工況下的最優(yōu)工藝方案見表1。表1穩(wěn)態(tài)設計最優(yōu)方案管號內(nèi)徑（mm）始端壓力（kPa）末端壓力（kPa）壓縮機機號功率（kW）125568946839C1839253768396363C22438356668945522C32287456368945597C44010556268945701649981345515注管道系統(tǒng)總投資2934104美元。 另一方面，是以日平均用氣流量4.74106Nm3d作為管道的設計流量，按動態(tài)設計方法得出的設計方案見表2。表2動態(tài)設計可行方案管號內(nèi)徑（mm）壓縮機機號功率（kW）1203C114912431C210443457C323864457C4372954576508注管道系統(tǒng)總投資2544104美元。 由表1和表2可以看出：除6號管段的管徑略有增大外（6號管段末端的壓力波動曲線如圖3所示），動態(tài)設