上海天然氣管網有限公司 沈世杰

天然氣主干網上的節(jié)點壓力隨時跟著管網用氣量、管道中的流量在變化，夜高峰時段的這種變化程度尤為明顯，調度人員就此用當時SCADA系統提供的數據與昨日對應的比對(SCADA系統提供的壓力數據，都只是一個壓力測量值，相互之間無關系)，或者是用總的小時供氣量、用氣量、輸氣管道儲氣變化量和管容等參數，作一些簡單的計算，以此來判斷下跌中的節(jié)點壓力值正常與否。

水力計算是研究一定的輸氣管道的流量與壓力之間的關系，按照這種關系，用計算得到的正確壓力值與SCADA的壓力測量值之間差值的大小對壓力正常與否作判斷，具有簡單、直觀、準確度較高優(yōu)點。

1 輸氣管道壓力計算公式

輸氣管道的水力計算基本公式是以質量守恒、動量守恒、能量守恒的氣體在管道中流動的基本方程為基礎，忽略一些對計算結果影響不大的因素變形、整理后得到的。

方程式成立的條件：

(1)一維流動，即管道截面上的壓力、流速等參數分布均勻；

(2)穩(wěn)定流動，即流動參數不隨時間變化；

(3)等溫，即埋地管道沿線溫度變化小。

氣體在管道中流動的基本方程式為：

式中：p—管道中氣體壓力，Pa；

x—沿管長變量，m；

ρ—氣體的密度，kg/m3；

ν—氣體的流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2；

θ—管道與水平面間的傾角，rad；

λ—水力摩阻系數；

D—管道內徑，m；

Z—氣體壓縮系數；無因次；

T—管道中氣體平均溫度，K；

R—天然氣的氣體常數，m2/(s2·K)。

輸氣管道水力計算基本公式為：

把標準大氣壓p0= 101.325× 103Pa代入(4)式，把(4)式中的壓力單位 Pa、流量單位 m3/s、管道內徑單位m分別換算成Pa、m3/h、mm，去掉(4)式中的Z/Z0項(對計算結果影響不大)，變形、整理后得到如下高中壓輸氣管道壓力計算公式(換算過程略)。

式中：p求—管段終點(下游)或起點(上游)絕對壓力，kPa；p求屬終點(下游)時，取負運算符號，p求屬起點(上游)時，取正運算符號；

p—管段起(上游)或終(下游)點絕對壓力，kPa；

Q—天然氣標準狀況下體積流量，m3/h；

D—管道內徑，mm；

ρ0—標準狀態(tài)下天然氣的密度，取0.78 kg/m3；

T—天然氣的絕對溫度，K；

T0—標準狀態(tài)下天然氣的絕對溫度，取273 K；

L—管段長度，m；

λ—水力摩阻系數。

1.1 水力摩阻系數

輸氣管道壓力計算結果正確與否，其中之一與選用的水力摩阻系數計算公式有密切關系(此類公式數量多，均屬經驗和半經驗公式)。

水力摩阻系數與氣體在管道中的流態(tài)、管內壁粗糙度、管的連接方法、安裝質量以及氣體的性質有關。它或者是雷諾數的函數 λ=f(Re)，或者是管內壁粗糙度得函數 λ=f(k/D)，或者同時是兩者的函數λ=f(Re，k/D)。

1.1.1 雷諾數

流態(tài)用雷諾數Re表示，計算公式為：

式中：Q—輸氣管道流量，m3/s；

D—管道內徑，m；

ν—氣體的運動粘度，m3/s。把(6)式中的流量單位 m3/s、管道內徑單位 m分別換算成m3/h、mm，整理后得

1.1.2 流態(tài)劃分

Re＜2 000，流態(tài)為層流，主要表現為流體質點是摩擦和變形，且平行于管軸作有規(guī)則的運動。

Re＞3 000，流態(tài)為紊流，主要表現為流體質點是互相撞擊和摻混，且向周圍作紊亂地擴散運動。紊流又分為三個區(qū)：

(1)3 000＜Re＜Re1為光滑區(qū)。Re1為光滑區(qū)至混合摩擦區(qū)的邊界雷諾數。

式中：k—管壁絕對當量粗糙度，mm。

(2)Re1＜Re＜Re2為混合摩擦區(qū)。Re2為混合摩擦區(qū)至阻力平方區(qū)的邊界雷諾數。

(3)Re＞Re2為阻力平方區(qū)。

2 000＜Re＜3 000，流態(tài)為臨界區(qū)。流體從層流轉變?yōu)槲闪鞯倪^渡狀態(tài)，運動狀態(tài)極不穩(wěn)定。

干線輸氣管道的雷諾數高達 106~107，高中壓輸氣管道的流態(tài)主要處于混合摩擦區(qū)和阻力平方區(qū)。

1.1.3 水力摩阻系數λ的計算公式

主干網節(jié)點壓力計算應用到的水力摩阻系數計算公式分別為：

主干網管段臨港門站到奉賢清管站用λ2；平板站到 MVC32用 λ4；浦星門站到MVC32用λ3；HVC21到上焦站，管段小時流量大于8萬m3用λ4，小于等于8萬m3用λ1；其余的均用λ1。

1.2 管段流量

1.2.1 管段流量計算基本公式

相連的兩個節(jié)點之間的管段流量，滿足質量守恒定律，即流入管段的流量Q入等于用戶流量q(或稱途泄流量)、流出管段的流量Q出(或稱轉輸流量)、管段儲氣變化量△Vs之和，即：

當小時時段主干網壓力穩(wěn)定不變時，即對應的供氣量等于用氣量時，可將上述的△Vs去掉，直接套用電學中的節(jié)點電流定律，就可得到比較簡單的管段流量計算式。一天24 h中，大多數小時時段，主干網壓力都處于上下波動之中，夜高峰和凌晨時段，6.0 MPa管網壓力常常 1 h內可下跌和上升0.1~0.2 MPa，相當于△Vs量±(11~22)萬m3。計算表明，有△Vs和無△Vs的節(jié)點壓力計算結果差異較大，尤其是進行壓力接力計算時(取一個已知氣源點壓力，算沿程p1，p2，…，pn節(jié)點壓力)，到最后一個節(jié)點，積累誤差值很大。△Vs單管段計算方法比總管段計算后平分的方法正確性要高，因為對于長輸管道，管段之間，起點與終點的壓力變化量不是等量關系。

△Vs計算公式為：

式中：Vr—管道幾何容積，m3；

pcp當—當前小時管道平均壓力(絕)，MPa；pcp上—上1小時管道平均壓力(絕)，MPa；p0—標準大氣壓，取p0=0.1 MPa；

Z當—相應于pcp當的當前小時壓縮系數；Z上—相應于pcp上的上1小時壓縮系數；T—天然氣的絕對溫度，K。

管道平均壓力 pcp、壓縮系數 Z計算公式分別為：

式中：pQ—管道起點壓力(絕)，MPa；

pZ—管道終點壓力(絕)，MPa；T—天然氣的絕對溫度，K；

△—天然氣的相對密度，取△=0.6。式(15)適用于管段流量在50萬m3/h以下的管

段儲氣變化量計算。

1.2.2 管段流量計算式

天然氣主干網是由多個氣源點的枝狀管道和環(huán)狀管道構成。管網形狀不同，管段流量算法也不同。下面由簡單到復雜，分別列出與天然氣主干網相關的各種管網形狀的管段流量計算式。

1.2.2.1 枝狀單氣源

圖1 枝狀單氣源輸氣管道示意

1.2.2.2 枝狀雙氣源

圖2 枝狀雙氣源輸氣管道示意

由兩個方向供氣的節(jié)點用戶，其可能性(1)單獨由q1或q6供氣；(2)同時由q1和q6供氣。

供氣方式不同，與該節(jié)點相連的管段流量算法也不同，主要涉及到ΔVs的選法。應用Excel邏輯函數IF(IF：執(zhí)行真假值判斷，根據邏輯計算的真假值，返回不同結果)，列一個管段流量計算式，即能滿足上述三種可能性的計算。

1.2.2.3 枝狀三氣源

圖3 枝狀三氣源輸氣管道示意

Q1~2、Q5~10計算方法與對應位置的圖1~2相同。

1.2.2.4 環(huán)狀多氣源(環(huán)狀輸氣管道的直徑相同)

圖4 環(huán)狀多氣源輸氣管道示意

式中：Q—左半環(huán)流量

以上算法，適用于各用戶流量中，q4流量為最大的管段流量計算（在環(huán)狀輸氣管道中，根據流動連續(xù)性，最大用氣點最有可能與最低壓力點相合）。若是 q5最大，把上面a、b、c式中的項號都改為正號，Q分別改1~7

為：

若是q3最大，算法基本與上述的相同。

在一個環(huán)狀輸氣管道中，最大用氣點的位置隨時間發(fā)生變化時，需將對應的管段流量計算結果按編號對應合并，方法如下：

(1)q4最大：

則：

(2)q5最大：

設C =IF(max(q4, q5) =q5,3,0)

則：

把q4最大和q5最大中的Q1~7計算結果按編號對應相加后輸出即可。

max—Excel最大值函數。

2 輸氣管道壓力計算方框圖

輸氣管道壓力計算方框圖見圖5。

圖5 輸氣管道壓力計算方框圖

對方框圖作如下簡述：

(1)取SCADA匯總1、匯總2查詢數據，即復制、粘貼。

(2)取來數據按壓力級制高到低和站點所處管道位置前與后重新排序，其一：容易找到要取的數據，其二：一個查詢數據，取處較多，當 SCADA數據位置改變時，只需對應跟改一處即可。

(3)到數據排序中取壓力p、流量q數據，計算管段儲氣變化量ΔVs和管段流量 Q(Q有正負值區(qū)分，負值表示枝狀管道中，流入管段的流量大于用戶流量，或者是環(huán)狀管道中的管段流量設定方向與實際的相反)。

(4)用邏輯函數IF，以Q正負值為設定條件，選擇對應的輸氣管道壓力計算公式。

(5)選中的輸氣管道壓力計算公式取壓力、管段流量、管長、管徑、溫度、水力摩阻系數數據后計算輸出。(輸氣管道壓力計算公式中的流量 Q不能為負數，用Excel絕對值函數ABS取正)。

(6)算法分兩種：①取已知 p1，算 p2，取已知p2，算p3，…，取已知pn-1，算pn；②取已知p1，算p2、p3、…、pn。

3 壓力計算值與SCADA壓力測量值比對

應用上述的輸氣管道壓力計算方法和Excel數據處理軟件，對以前和現在的天然氣主干網進行沿程節(jié)點壓力計算，其用氣量大的冬季和夏季時段的計算值與SCADA對應的測量值之間的差值，不超過±0.05 MPa的，約占90%以上。對于過去出現過的主干網上主閥門誤動作關閉時段相關的節(jié)點壓力計算比對，兩者之差，超過±0.05 MPa(差值超過±0.05 MPa的，未必就是主閥誤關，壓力變送器值漂移不準，流量數據上傳丟失不準，管道破裂泄漏和私開頭子偷氣等都有可能使差值超過±0.05 MPa，目前尚無故障診斷配套軟件)。

4 結論

天然氣主干網沿程節(jié)點壓力計算軟件，可供調度人員在工作中使用，提供有參考價值的壓力比對結果，利用它再結合調度人員的分析，可比較準確地判斷主干網運行工況正常與否。在計算中，選用最多的是計算公式(5)配上公式(10)，此式適用于管道中的氣體處于雷諾數不太大的混合摩擦區(qū)和阻力平分區(qū)的節(jié)點壓力計算；公式(5)配上公式(11)，適用于管道中的氣體處于雷諾數較大的阻力平分區(qū)的節(jié)點壓力計算；臨港首站小時流量在 70~100萬m3/h時(2010年8月10日、12日、16日，洋山LNG進行大流量供氣試驗)，其壓力計算值與壓力測量值之間的差值較大，有待進一步深入研究和摸索。