張悅 張?jiān)评?劉學(xué)智

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天然氣作為一種清潔能源已逐步成為城市燃?xì)獾闹鳉庠矗诔鞘腥細(xì)獍l(fā)展中占有非常重要的地位。然而由于各類天然氣用戶用氣量變化的不規(guī)律性，導(dǎo)致天然氣的耗氣量隨月、日、時(shí)而變化，而氣源供應(yīng)又是相對穩(wěn)定的，難以完全按照城市用氣工況來供氣，為了解決供需之間的矛盾，使用戶穩(wěn)定用氣，需設(shè)置有效的調(diào)峰手段，使燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)供需平衡。解決城市各類用戶時(shí)不均勻性，目前使用較多的為長輸管道儲氣和LNG儲配站儲氣。本文就燃?xì)獍l(fā)展規(guī)劃中儲氣設(shè)施儲氣量問題進(jìn)行分析，滿足城市發(fā)展過程中居民、商業(yè)及部分工業(yè)用戶不間斷供氣。

1 儲氣量的確定

燃?xì)獍l(fā)展規(guī)劃中多使用高壓管道儲氣和儲氣罐儲氣的方式，在用氣高峰時(shí)，首先采用管道儲氣的方式，當(dāng)管道儲氣無法保證各類用戶不間斷用氣時(shí)，將儲氣罐中的液化天然氣氣化、調(diào)壓、計(jì)量后與中壓管網(wǎng)對接，實(shí)現(xiàn)向各類用戶供氣。在分析儲氣需求時(shí)，首先對長輸管道儲氣量進(jìn)行計(jì)算分析，再根據(jù)用氣量需求，求出儲氣罐所需要的氣量。

1.1 長輸管道儲氣量

長輸管線末端是指上游管線分輸站至城市門站之間的管段，該管段不僅具有輸氣能力，還有一定的儲氣能力，因此充分利用輸氣管段末端的儲氣能力，可以減少儲罐的數(shù)量和脫水工作量。

長輸管線輸氣過程中受到各種擾動，如各類用戶用氣的不均勻性、間斷性及相關(guān)設(shè)備的啟停、外界環(huán)境變化對燃?xì)廨啓C(jī)的影響等。這些擾動直接導(dǎo)致天然流量和壓力沿輸氣管線隨時(shí)間不斷發(fā)生變化。由于擾動產(chǎn)生的作用在高壓輸氣過程中表現(xiàn)得比較明顯，這就決定了對天然氣長輸管線的輸氣過程應(yīng)按照不穩(wěn)定流來考慮[1]。

1.1.1數(shù)學(xué)模型的建立

長輸管道中流體遵循一維不穩(wěn)定流動，管道中主要以流速、壓力、密度、溫度等物理量反映氣體流動狀態(tài)，基于流體動力學(xué)理論，并考慮天然氣在管段中流動時(shí)與土壤之間存在換熱現(xiàn)象和焦耳-湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的溫度變化，建立了如下長輸管道動態(tài)數(shù)學(xué)模型[2]：

式中：p為管道中天然氣的壓力，Pa；x為沿管線的距離，m；ρ為天然氣密度，kg/m3；v為管段中氣體流動速度，m/s；t為時(shí)間，s；g0為重力加速度，m/s2；h 為管道的高程，m；λ為水力摩阻系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m；c為氣體中的聲速，m/s；Z為氣體的壓縮因子；R0為氣體常數(shù)，J/(kg/K)；T為氣體溫度，K；K為天然氣到土壤的傳熱系數(shù)，W/(m2/K)；T0為環(huán)境溫度，K；cp為天然氣的比定壓熱容，J/(kg/K)；Dh為天然氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)。

邊界條件：x=0，Q(0,t)=Q0；x=l，Q(l,t)=Q(t)；x=0，P(0,t)≤Pmax；x=l，P(l,t)≥Pmin。

1.1.2計(jì)算求解

文獻(xiàn)[3]提供了基于守恒原理的Wendroff差分格式，由該差分格式建立的方程組是一個(gè)大型的非線性方程組。為了減小求解難度，在求解之前根據(jù)管道實(shí)際運(yùn)行工況，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行以下適當(dāng)?shù)暮喕痆4]。

1）在實(shí)際的輸氣管道中，天然氣流速不會很大（接近聲速），因此可以忽略對流項(xiàng)。

2）流量隨時(shí)間的變化不會太大，可以忽略慣性項(xiàng)。

3）起點(diǎn)與終點(diǎn)的高差不超過200m時(shí)，可以忽略高差帶來的影響。

于是式（1）可以簡化為：

聯(lián)立式（2）和式（5），可以得到式（6）：

采用分離變量法對式（6）進(jìn)行求解，假定

將式（7）代入式（6）得到

等號左邊僅為t的函數(shù)，右邊僅為x的函數(shù)，設(shè)等號左右兩邊同等于μ，即

結(jié)合邊界條件求解得出

式（13）、（14）反映了長輸管線中天然氣流量、壓力隨時(shí)間、空間的變化情況。

1.1.3長輸管道儲氣量的計(jì)算

由前面的分析、計(jì)算，可以計(jì)算出輸氣管線中流量、壓力與末端流量變化之間的關(guān)系。因此，根據(jù)儲氣調(diào)峰原理，長輸管線的儲氣量可以由下式計(jì)算得到：

管段末端儲氣量（單位m3）

式中：△Qm為管道的儲氣量，kg；ρ0為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/m3。

1.2 儲氣罐儲氣量的計(jì)算

儲氣罐儲氣能在停電、上游管道出現(xiàn)問題、制氣或輸配設(shè)備發(fā)生暫時(shí)故障時(shí)保證一定程度的供氣。因此，確定儲氣罐的實(shí)際容積，應(yīng)考慮到供氣的波動、用氣負(fù)荷的誤差、氣溫等外界條件的突然變化以及儲氣設(shè)備的安全操作要求，儲氣罐的實(shí)際容積應(yīng)有一定的富裕。具體計(jì)算根據(jù)以下兩式進(jìn)行計(jì)算。

式中：V'為所需的儲氣容積，m3；V為儲氣罐的容積；m3；Qt為 t小時(shí)中的用氣量，m3；Qd為最大日用氣量，m3；Q為制氣能力，m3；t為一日中小時(shí)用氣量大于制氣能力的小時(shí)數(shù)，h。

2 實(shí)例計(jì)算

表1為某長輸管道儲氣不穩(wěn)定流實(shí)測數(shù)據(jù)[5]。按負(fù)荷曲線，儲氣從晚21時(shí)開始，晨7時(shí)結(jié)束。管道需保證入口流量為 56000m3/h（P0=0.101325MPa，T0=293K），儲氣前，管道始端壓力為4.66MPa，未端壓力為1.42 MPa，管內(nèi)溫度10℃，管內(nèi)徑30cm，管長132km。儲氣量 ΣQi=222.2×103m3。

表1晚間儲氣工況的實(shí)例數(shù)據(jù)

圖1 管道儲氣計(jì)算值與實(shí)例數(shù)據(jù)對比

根據(jù)以上計(jì)算式，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，求得管道、儲氣罐儲氣計(jì)算值，并將管道儲氣計(jì)算值與實(shí)例數(shù)據(jù)對比見圖1。從圖1可見，管道計(jì)算值與實(shí)例數(shù)據(jù)誤差在10%左右，計(jì)算公式可以利用；儲氣罐儲氣量與長輸管道儲氣量的比值最大為8.77%，最小為-60.4%。

3 結(jié)論

1）燃?xì)獍l(fā)展規(guī)劃中采用的儲氣方式大多為兩種，一種是長輸管道天然氣儲氣，一種是液化天然氣儲配站儲氣。儲氣罐儲氣量與長輸管道儲氣量的比值最大為8.77%，最小為-60.4%。

2）利用一維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式，推導(dǎo)了長輸天然氣管道儲氣量的計(jì)算公式，并通過實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)例數(shù)據(jù)的誤差在10%左右。

[1] 隋元春,薛世達(dá).沿途有分輸?shù)拈L輸燃?xì)夤艿啦环€(wěn)定計(jì)算[J].煤氣與熱力,1988,(4):25-27

[2] 唐建峰,段常貴.燃?xì)忾L輸管道動態(tài)模擬及末端儲氣研究[J].油氣儲運(yùn),2000,(7):24-27

[3] 李長俊,曾自強(qiáng).天然氣在管道系統(tǒng)中不穩(wěn)定流動的分析[J].天然氣工業(yè),1992,(4):69-71

[4] 段常貴,楊立民.燃?xì)忾L輸管線分析與末段儲氣計(jì)算[J].煤氣與熱力,1997,(3):16-20

[5] 李猷嘉.長輸管道末段儲氣量的計(jì)算與分析[J].煤氣與熱力,2002,22(1):8-11