输气管道调峰与仿真

4、输气管道动态模拟的数学模型
• 输气管段流动过程的基本方程 • 连续性方程
(wA ) 0 x
• 运动方程
• 能量方程 • 状态方程 • 内能方程 • 焓方程
A
( w) p ( w2 ) ds w2 g xT) x dx d 2 = (p,
瞬变类型
快瞬变 • 压缩机（压气站）的开启或关闭
• 干线阀门的启、闭或调节
• 管道支线接通/关闭 • 管道发生断裂或大量漏气
慢瞬变
• 用气量变化 • 管外壁至土壤的传热状况变化 注意：快瞬变和慢瞬变并没有明确界线，例如当用气量 只在短时间内（例如10分钟）发生变化时，所引发的瞬 变过程既可看作慢瞬变又可以看作快瞬变。
抓吉 喀纳斯达坂
西四线 喀纳斯达坂-哈密-靖边
霍尔果斯
大庆
西三线 霍尔果斯-福州
哈尔滨 长春
沈阳-哈尔滨
轮南
吐鲁番 红柳 敦煌
陕京四线
秦皇岛-沈阳
陕京三线 陕京一二线
沈阳
大连-沈阳
西二线西段
银川 中卫 格尔木
涩宁兰管道
永清 榆林 靖边
大连LNG 唐山LNG
唐山LNG外输管道
西一线
兰州 泰安 平顶山 南部
按调峰周期内供需平衡程度划分：
• 总量平衡型： 总供气能力=总需求气量 • 总量欠平衡型：总供气能力总需求气量 • 总量超平衡型：总供气能力总需求气量 注意：由于很难准确预测用气量，因而总量 平衡型调峰问题往往只具有理论意义。
1.3 调峰措施 供气方（supplier）：调整气源供应量、调整输气管道 运行方案、管道末段储气、储气罐或高压储气管束、 地下储气库、调峰型LNG厂、LNG/CNG/LPG辅助气源… 用气方（user）：选择一些可切换燃料的大型企业
• 干线阀门开启/关闭或调节阀动作。 • 压缩机转速变化。 • 故障或其它原因引起的压缩机特性变化。 • 管道线路发生断裂或漏气事故。 • 埋地管道周围土壤热物理状态（如地温、土壤导热 系数、土壤含水量及地下水运移等因素）变化。
管道终点或中途分气点供气流量变化是最常见原因。
3、输气管道非稳态工况物理过程分析
末段储气能力：
VS Vmax Vmin
d 2 p pj max p pj min T0
4 p0 TZ
lz
规律:末段储气能力与其管子横截面积成正比，或者说 与管子内径的平方成正比，故增大管内径是提高末段 储气能力的有效方法。 最优末段长度：在一定范围内，储气能力随末段长度 增加而增大，但当超过某个长度界限时，储气能力将 随末段长度增加而减小，该界限称为最优末段长度。
压气站
p1max
C, d, lz
p2max
p1min
稳态最高平均压力 稳态最低平均压力
Q
p2min
M+R站
Q 2 ( )
2 p2 2 max p pj max ( p1max ) 3 p1max p2 max 2 2 p2 min p pj min ( p1min ) 3 p1min p2 min
注意：不同调峰周期可重叠。某个时间段可能既属于 一个中长期调峰周期，又属于一个短期调峰周期。
调峰分类的参考依据
Flanigan Orin: Underground Gas Storage Facilities Design and Implementation
Peaking: Facilities that require less than 30 days to empty at the rated deliverability.
末段储气能力的计算
基本假设：末段处于稳态工况 。 已知条件： Q， p1max， p2min，，*，T，d，lz 稳态最高压力状态： p1max 稳态最低压力状态： p1min
Q
p2max p2min
p2 max
p12max Cl z Q 2
2 2 p2 min Cl z Q
p1min
输气管道供气调峰与动态模拟
吴长春 中国石油大学（北京）
1、供气调峰问题概述 2、输气管道非稳态工况产生的原因 3、输气管道非稳态工况物理过程分析 4、输气管道动态模拟的数学模型 5、慢瞬变流问题的隐式中心差分法 6、快瞬变流问题的显式特征差分法 7、输气管道仿真软件简介
中石油的天然气管网布局
西五线 伊宁-鄯善段
2003年北京市高峰周用气流量与管道输气能力的差额
2000
储气库采气量（万方/日)
1500 1000 500 0
0 24 48 72 96 120 144 168
时间（小时）
储气库的采气量 用气缺口
1.2 调峰的类型 按周期划分： • 中长期调峰（季节性调峰）:调峰周期1个月 • 短期调峰：调峰周期＜1个月 • 月调峰、日调峰、周调峰、小时调峰…（2种理解） • 调峰周期越长，调峰的难度和代价越大。
例如：中间压气站的进/出口、管道沿线的进气/分气点、 管道变径点等。
输气管道运行时的常见边界条件
（1）各进气点压力和温度取给定值或给定的时间函数。
（2）各分气点或终点供气流量取给定值或给定的时间函数。 （3）各分气点或终点供气压力取给定值或给定的时间函数。 （4）压气站的运行特性及其控制方式。 压气站的运行特性取决于其中开启压缩机的运行特性及 压缩机组合方式。压气站的控制方式包括：转速控制，功率 控制，出站压力控制，进站压力控制，压比控制。 （5）节点联系方程。例如节点流量平衡，节点处上、下游截面 之间的压力、温度关系。
正向冲洗法
反向冲洗法
盐 穴 形 状 预 测 与 控 制
2、输气管道非稳态工况产生的原因
常见原因： • 管道终点或中途分气点供气流量变化。 • 管道起点（首站进口处）进气压力变化。 • 管道起点或中途进气点进气流量变化。
• 管道进/分气支线（包括与储气库连接的支线） 接通/关闭。
• 压缩机组或压气站开启/关闭。
陕京一线：北京市用气量变化传播到干线的物理过程？
• 当北京市配气管网用气流量增大时，配气干线中气体充装量 减少，衙门口站出站压力有下降趋势。 • 为维持衙门口站出站压力在16bar设定值，将增大该站调压阀 开度。 • 若不对陕京一线进行提升流量的调节，则其终点压力将逐渐 下降，甚至可能低于规定下限（19bar)，从而导致配气系统 不能正常向用户供气。 • 当北京市配气管网用气流量减小时，若不减小陕京一线流量， 则其终点压力将逐渐升高，管道中气体充装量增加，这种趋 势将逐渐向管道上游传播，有可能导致陕京线管道超压或压 缩机进入喘振工况。 • 非稳态条件下输气管路的流量-压力关系不同于稳态。
• 若用气流量较长时间偏离衙门口门站的设计供气流量， 则陕京线工况的自发变化将导致其不能正常运行。此时 为保证正常供气，必须适当调整陕京线运行方案。
用气流量持续减小时
• 降低压缩机转速 • 关闭部分压缩机甚至压气站 • 多余气体注入储气库 用气流量持续增大时 • 提高压缩机转速 • 增加运行的压缩机或压气站数目 • 从储气库中采气
VS
VS Vmax Vmin
d 2 p pj max p pj min T0
4 p0 TZ
lz
Vsmax
0
lz*
lmax
x
1.5 储气罐和储气库
低压储气柜 gas holder：干式，湿式
垂直导向式湿式气柜
螺旋导向式湿式气柜
干式气柜
阿曼阿恩型干式气柜
可隆型干式气柜
威金斯干式气柜
连云港
山东管网 江苏LNG外输管道
Βιβλιοθήκη Baidu中卫-贵阳
江苏LNG
上海 金华
忠武线
拉萨 南昌 樟树 吉安 龙岩 厦门 瑞丽
已建管线 “十二五”新建管线 在建LNG接收站 “十二五” 新建LNG接收站 深圳LNG外输管道
套州 温州
西二线东段
中缅管道
湘潭 贵阳
福州 台北
南宁
韶关 东莞 揭阳
图 例
深圳LNG
1、供气调峰问题概述
1.1 基本概念 调峰（peak-shaving）天然气用户的用气流量一般随 时间变化，而管道输气流量通常比较稳定。为此需要 采取措施解决均衡供气与不均衡用气的矛盾，这些措 施称为调峰措施，而实施调峰措施的过程称为调峰。 调峰是输气管道设计与运行管理过程中需要重点考虑 的问题。
调峰周期: 指调峰问题针对的时间段，可以是一年、 一个季度、一个月、一周或一天，也可以是某特定 时间段（如采暖期/季）。
（如电厂）作为缓冲/可中断用户interruptible user)、
要求居民用户配置备用加热装置（如电加热装置） …
短期调峰措施 输气管道末段储气：最有效、最方便、最经济。 储气罐：经济性差，新建天然气供气系统基本上不采用。 地下高压管束。 地下储气库 各类LNG/CNG/LPG设施
在某些情况下，要恰当地确定动态模拟的边界条件
相当困难。边界条件设定得不合适，瞬态分析问题可能 无解或其解非唯一，或者说问题不适定。为了正确设定 动态模拟的边界条件，必须对所研究系统及与之相连系 统的物理过程以及它们的相互联系有透彻理解。 虚拟边界条件：输气管道运行时期望能实现、但由于某 些客观原因未能实现的边界条件，如某供气点的用气量。
末段最大储气能力（给定管径）：
dVS 0 dlz
Vs max A*d A*
7
2 2 p p * lz 1max 22 min 2CQ
p
3 1max
p
3 2 min
2 2 2 1.5 ( p1max p2 ) min 2 Q2
C02
T0 6 p0T 2 Z 2 *
—— l z* 为对应于给定管径的最优末段长度。 为什么末段储气能力不随末段长度单调增加？ 当末段长度为多少时，末段储气能力等于 0？
中长期调峰措施 地下储气库 各类LNG设施 LPG设施 (掺混空气)
1.4 管道末段储气
末段：从管道最末一个压气站到管道终点的管段。如果 一条输气管道只在其起点设有一个压气站，或者全线没 有压气站，则应该将整条管线看成末段。 最佳短期调峰手段：这种措施一般只能适应用气流量在 短时间内（如一昼夜）周期性波动。如果在设计输气管 道时对末段储气能力有所要求，则在布压气站之前必须 先进行末段设计，包括确定末段的长度、管径与壁厚。 基本原理：利用末段中气体压力的变化及气体的压缩性 改变其中的气体充装量。
Mid-range: Facilities that require 31 to 80 days to empty the working gas at the rated deliverability. Base load: Facilities that require more than 80 days to empty the working gas at the rated deliverability.
• SCADA系统采集的初始时刻运行参数 注意：尽管初始条件是输气管道动态模拟的定解条件， 但它对模拟结果的影响将随时间延续而衰减。
边界条件
• 边界条件：在整个瞬变过程中系统边界处的流动状态或 相邻边界处流动状态之间的关系，其通常为时间的函数， 反映扰动对瞬变过程的影响。 边界可以分为内边界和外边界两种。 • 外边界：系统与环境的交接处。 例如管道的起点、终点。 • 内边界：系统内部各部分之间的交界处。
w2 w2 [(A)(u gs)] [(wA)(h gs)] x 2 x 2 h=h（p, T）
u=u Q （ p, T）
• 6个方程刚好包括p、T、ρ、w、u、h这6个未知函数，从微 分方程通解的角度看，方程组封闭。
初始条件
• 稳态初始条件
• 上一次瞬态模拟终了时刻的状态
气体充装量（Line pack）：某时刻一个输气管段实际 容纳的气体数量，也叫管存（量）。
最大气体充装量：对应管段的最高压力状态。 末段最小气体充装量：管道终点达到最低允许压力 （合同压力）时末段的气体充装量。 末段储气量（Inventory）： 输气管道末段在某时刻 的气体充装量与最小气体充装量之差 。 末段储气能力（Inventory capacity）：输气管道末 段最大气体充装量与最小气体充装量之差 。
高压储气罐：8-20bar，经济性优于低压气柜。
地下高压管束储气：经济性优于低压气柜和高压储气罐。 长输管道末段储气：经济性优于低压气柜、高压储气罐、 地下高压管束。 枯竭气田型 孔隙型 枯竭凝析气田型 枯竭油田型 地下储气库 含水层型 盐穴型 岩洞型 废弃矿井型
洞穴型
冲洗（leaching）造腔