TGNET軟件在城市高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了英國(guó)ESI能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)的TGNET軟件的特點(diǎn)、用途和使用步驟；結(jié)合杭州市高壓燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)情況，介紹了該軟件在城市高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：TGNET軟件；高壓燃
摘要：介紹了英國(guó)ESI能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)的TGNET軟件的特點(diǎn)、用途和使用步驟；結(jié)合杭州市高壓燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)情況，介紹了該軟件在城市高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：TGNET軟件；高壓燃?xì)夤艿溃惠敋饽芰?；調(diào)峰儲(chǔ)氣；動(dòng)態(tài)模擬
1 前言
    在城市高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中，供氣管網(wǎng)的水力工況計(jì)算是最重要的環(huán)節(jié)，特別是在一些采用高壓管道作為城市調(diào)峰儲(chǔ)氣設(shè)施的城市，此時(shí)的高壓管道兼具有輸氣和調(diào)峰儲(chǔ)氣的雙重功能，如何保證城市高壓燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰儲(chǔ)氣的可靠性是設(shè)計(jì)中必須認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題之一。TGNET軟件具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算功能，能夠模擬城市用氣的不均勻性，是用于城市高壓燃?xì)夤艿酪?guī)劃設(shè)計(jì)中管徑選擇及優(yōu)化的較好軟件之一。
    本文結(jié)合杭州市高壓燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)的實(shí)際情況，介紹了TGNET軟件在城市高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中的應(yīng)用.
2 TGNET軟件簡(jiǎn)介
    本文所采用的TGNET軟件是英國(guó)ESI能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)出品的業(yè)界領(lǐng)先的Pipeline Studio軟件，是經(jīng)過(guò)使用證明的、歷史悠久的氣體管道離線模擬軟件，能夠?qū)敋夤艿乐械膯蜗嗔鬟M(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬；可以模擬簡(jiǎn)單的單管輸送模型，也可以模擬包括多個(gè)氣源和用戶，多個(gè)復(fù)雜的環(huán)狀管網(wǎng)、多臺(tái)壓縮機(jī)和冷卻器以及其他影響管網(wǎng)操作和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)備閥門等在內(nèi)的大型區(qū)域性集輸系統(tǒng)，已經(jīng)在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1 TGNET軟件模擬的基本方程
    TGNET進(jìn)行管網(wǎng)模擬使用的基本方程是一組偏微分方程：質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。
質(zhì)量守恒方程：
 
能量守恒方程：
 
    動(dòng)量守恒方程：
 
    雖然進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)，在有些情況下為了快速求得近似解可以選用代數(shù)方程。但省缺的做法總是使用隱式有限差分技術(shù)求解上述偏微分方程，而且在進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)一律是求解偏微分方程。
    與基本方程配套的其他方程有：
    狀態(tài)方程：Sarem方程、范德瓦爾斯(Peng-Robinson)方程、SRK方程、Peng方程、BWRS方程。
    摩阻公式：威莫斯公式、潘漢德公式、潘漢德修正公式、科爾布魯克公式。
此外還有很多與離心式壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)、壓力調(diào)節(jié)器、流量調(diào)節(jié)器、截?cái)嚅y、阻尼元件等相關(guān)的配套方程。
2.1 使用TGNET的主要步驟
    (1) 建立管網(wǎng)模型
    所謂建立管網(wǎng)模型實(shí)際上是建立一個(gè)基本數(shù)據(jù)輸入條件，TGNET把這一文件稱為KEYWORD文件。包括繪制管網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)圖、輸入管網(wǎng)元件的參數(shù)、輸入氣體參數(shù)、指定約束條件和設(shè)定值等。
    (2) 管網(wǎng)模型的有效性檢查
    新建立的管網(wǎng)模型或?qū)υＰ妥隽舜罅啃薷臅r(shí)，需要進(jìn)行一次管網(wǎng)有效性檢查。此項(xiàng)檢查的內(nèi)容包括：管網(wǎng)元件連接關(guān)系檢查、是否缺少必須輸入的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)是否有效等。檢查出的錯(cuò)誤分為兩類，警告和錯(cuò)誤。警告是需要改正的非關(guān)鍵性錯(cuò)誤；錯(cuò)誤是必須改正的關(guān)鍵性錯(cuò)誤，如果不改正就不能進(jìn)行模擬。TGNET把讀到的輸入文件和發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤用一種清晰的格式顯示出來(lái)，使用戶很容易找到自己的管網(wǎng)模型存在的問(wèn)題。
    (3) 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬
    TGNET根據(jù)前面的設(shè)置條件把各管段劃分成很小的計(jì)算段進(jìn)行計(jì)算。只要模型元件的參數(shù)和連接關(guān)系正確，沒(méi)有相互矛盾的約束條件，控制方式合理，在大多數(shù)情況下都能得到收斂解。
    (4) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬
    當(dāng)管網(wǎng)負(fù)荷變化很大，或需要了解管網(wǎng)在各種調(diào)度工況和事故工況下的性能時(shí)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。TGNET可以用批處理方式或交互(互動(dòng))方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。
    以批處理方式運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬速度較快，但程序運(yùn)行時(shí)看不到模擬過(guò)程的中間結(jié)果，而且不能中途改變約束條件和控制方式。但由于動(dòng)態(tài)模擬花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)確信在規(guī)定的模擬時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生無(wú)法求解的情況時(shí)，宜于用批處理方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。
    以交互方式運(yùn)行的動(dòng)態(tài)模擬，除具有以批處理方式運(yùn)行時(shí)的全部功能外還增加了若干功能。在程序運(yùn)行時(shí)可以看到指定模型元件狀態(tài)的變化，可以隨時(shí)暫停模擬過(guò)程，查看所關(guān)心的參數(shù)，檢索和保存不斷變化著的模型狀態(tài)，干預(yù)數(shù)據(jù)的顯示方式，改變約束條件和控制方式，然后繼續(xù)進(jìn)行模擬，但是，這種方式的運(yùn)行速度太慢，要求記憶的命令較多。當(dāng)不定因素太多，時(shí)間要求不高時(shí)，宜使用以交互方式運(yùn)行的動(dòng)態(tài)模擬。
    以批處理方式運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬的必要條件是管網(wǎng)模型要有一個(gè)初始狀態(tài)。最常用的初始狀態(tài)是穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果，以前動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)果也可以作為下一次動(dòng)態(tài)模擬的初始狀態(tài)。任何模型初次運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬之前都需要先作穩(wěn)態(tài)模擬。
    (5) 查看模擬計(jì)算結(jié)果
    TGNET軟件可以用圖表方式查看管道沿線壓力、流量、溫度、高程等數(shù)據(jù)的變化情況。
3 應(yīng)用實(shí)例分析
    根據(jù)《杭州市區(qū)燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃》(2006～2020)，杭州市區(qū)采用杭州繞城高壓燃?xì)夤艿雷鳛槌鞘姓{(diào)峰儲(chǔ)氣設(shè)施，并對(duì)其可行性進(jìn)行了充分的論證分析。2011年6月，杭州華電下沙天然氣熱電廠項(xiàng)目作為浙江省2011年新增電廠之一得到了省發(fā)改委的批復(fù)，杭州天然氣有限公司擬自下沙門站建設(shè)約4.5km的高壓燃?xì)夤艿缹＞€對(duì)杭州華電下沙天然氣熱電廠進(jìn)行供氣，根據(jù)溝通，該電廠的月、日用氣不均勻性將由上游省天然氣公司解決，但小時(shí)用氣不均勻性必須由杭州天然氣有限公司解決。由于擬建4.5km的電廠供氣專線調(diào)峰能力非常有限，因此，考慮將電廠的調(diào)峰與杭州市的城市用氣調(diào)峰作為整體一起考慮，但由于《杭州市區(qū)燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃》(2006～2020)中并沒(méi)有考慮到電廠的調(diào)峰，因此，需要對(duì)其可行性進(jìn)行分析論證。在研究過(guò)程中采用TGNET軟件對(duì)2012年、2013年、2015年、2020年管網(wǎng)的水力工況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，本文僅對(duì)2012年的模擬過(guò)程進(jìn)行分析說(shuō)明。
3.1 管網(wǎng)模型的建立
    根據(jù)杭州市天然氣高壓管網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度，2012年高壓管道全長(zhǎng)約89km，管徑均為D610×11.9。有兩個(gè)氣源點(diǎn)供氣，下設(shè)10個(gè)高中壓調(diào)壓站供城市中壓管網(wǎng)用氣，考慮在氣源點(diǎn)02建設(shè)約4.5km的高壓燃?xì)夤艿缹＞€對(duì)電廠進(jìn)行供氣，為保證電廠的用氣壓力，在進(jìn)城市高壓管網(wǎng)的管道上設(shè)置了流量調(diào)節(jié)閥確保閥前壓力滿足電廠用氣壓力要求。管網(wǎng)模型如圖1。

3.2 相關(guān)基礎(chǔ)資料及約束性條件
    (1) 管網(wǎng)資料
管網(wǎng)各管道參數(shù)如表1所示。
表1 采用TGNET軟件建立的管網(wǎng)模型圖
管段編號(hào)
管徑(mm)
管長(zhǎng)(km)
管段編號(hào)
管徑(mm)
管長(zhǎng)(km)
管道01
610×11.9
7.4
管道08
610×11.9
5.2
管道02
610×11.9
9.1
管道09
610×11.9
7.4
管道03
610×11.9
6.98
管道10
610×11.9
5.4
管道04
610×11.9
9.7
管道11
610×11.9
8.3
管道05
610×11.9
0.5
管道12
610×11.9
9.4
管道06
610×11.9
10.O
管道13
610×11.9
0.3
管道07
610×11.9
10.0
管道14
610×11.9
4.5
    (2) 各用戶24h用氣量
用戶01～用戶10為供城市用戶的高中壓調(diào)壓站，24h用氣量按照杭州市歷史統(tǒng)計(jì)資料和2012年規(guī)劃總用氣量進(jìn)行計(jì)算求得，2020年計(jì)算范圍內(nèi)城市用戶高峰日總用氣量為262.9×104Nm3/d；用戶11為供電廠用戶，由于暫時(shí)沒(méi)有準(zhǔn)確的電廠用氣曲線，根據(jù)與電廠設(shè)計(jì)單位的溝通及參照相似電廠的運(yùn)行規(guī)律，按照管網(wǎng)最不利的情況考慮，14：00～21：00電廠按滿負(fù)荷運(yùn)行(小時(shí)用氣量為6×104Nm3/h)，其余時(shí)間按照70%的負(fù)荷運(yùn)行(小時(shí)用氣量為4.2×104Nm3/h)。
    (3) 相關(guān)約束性條件
    兩個(gè)氣源點(diǎn)的供氣壓力均為3.6MPa，氣源01最大小時(shí)供氣能力為14×104Nm3/h；氣源02最大小時(shí)供氣能力為8×104Nm3/h，且按照總?cè)展饬?4h平均均勻供氣。至用戶11的最低壓力不低于3.5MPa，至其余用戶的最低壓力不低于0.6MPa。
3.3 模擬計(jì)算結(jié)果
    為保證至用戶11的最低壓力不低于3.5MPa，模擬過(guò)程中對(duì)流量調(diào)節(jié)閥的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，確保其閥前壓力不低于3.5MPa。各氣源點(diǎn)及最不利用戶(用戶06)的48h流量-壓力曲線如圖2、圖3、圖4所示。從模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，在增加電廠用氣的情況下，2012年采用高壓管道儲(chǔ)氣調(diào)峰能夠滿足要求，管網(wǎng)最不利點(diǎn)用戶的最小運(yùn)行壓力為1.86MPa。
 

4 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)上述實(shí)例分析可以看出，TGNET軟件功能強(qiáng)大，使用方便，幾乎可以處理天然氣管道項(xiàng)目中所有的管道計(jì)算問(wèn)題，對(duì)于高壓管道的設(shè)計(jì)具有較大的幫助作用。利用動(dòng)態(tài)模型可以直觀的計(jì)算出各氣源點(diǎn)和用戶的流量、壓力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，解決了一些常規(guī)計(jì)算方法無(wú)法計(jì)算的問(wèn)題。另外，該軟件還可以直接考察管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)各用戶的供需平衡情況。這對(duì)傳統(tǒng)的采用管網(wǎng)靜態(tài)壓差和管網(wǎng)水容積等參數(shù)來(lái)估算管道調(diào)峰儲(chǔ)氣的辦法提出了挑戰(zhàn)。
    隨著“西氣東輸”、“川氣東送”、“陜京線”工程的投產(chǎn)以及“西氣東輸二線”、“進(jìn)口LNG”等工程建設(shè)步伐的加快，根據(jù)國(guó)家天然氣利用政策，我國(guó)大部分省市已積極的開(kāi)展了城市天然氣利用工程的建設(shè)，不少城市都選擇了高壓管道儲(chǔ)氣作為城市調(diào)峰儲(chǔ)氣設(shè)施。在規(guī)劃、設(shè)計(jì)過(guò)程中我們應(yīng)該充分利用TGNET軟件等一些國(guó)際上公認(rèn)的、功能強(qiáng)大的計(jì)算軟件來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算，確保管道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
1 城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范GB 50028-2006
2 輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50251-2003
3 王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001
4 段常貴，王民生.燃?xì)廨斉?第三版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001
 
(本文作者：孫佩奇 劉文俊 潘文佳 孫榮澤 杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院有限公司 310004)