PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件及其應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件的特點(diǎn)及管網(wǎng)模擬的主要步驟。結(jié)合工程實(shí)例，探討了該軟件在天然氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：天然氣管網(wǎng)；PLStudio for Gas水力計(jì)算
摘要：介紹了PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件的特點(diǎn)及管網(wǎng)模擬的主要步驟。結(jié)合工程實(shí)例，探討了該軟件在天然氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：天然氣管網(wǎng)；PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件；動(dòng)態(tài)模擬；水力計(jì)算
Hydraulic Calculation Software PLStudio for Gas and Its Application
FENG Tao，WU Xinsheng
Abstract：The characteristics of hydraulic calculation software PLStudio for Gas and the main steps of pipe network simulation are presented.The application of the software in dynamic simulation of natural gas pipe network is discussed with an engineering example.
Key words：natural gas pipe network；hydraulic calculation software PLStudio for Gas；dynamic simulation；hydraulic calculation
1 軟件簡介
   PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件是英國ESI公司推出的天然氣輸配管網(wǎng)模擬計(jì)算軟件，該軟件為離線型天然氣管道系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)工藝計(jì)算和運(yùn)行計(jì)劃模擬軟件，可用于管道水力計(jì)算、運(yùn)行計(jì)劃安排、動(dòng)態(tài)過程模擬分析等。該軟件的主要功能包括：穩(wěn)態(tài)水力分析、壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)模型詳細(xì)模擬、動(dòng)態(tài)水力分析、給定約束條件下的過程控制、壓縮機(jī)站模擬、設(shè)備選型模擬、熱力學(xué)模型詳細(xì)模擬、復(fù)雜管網(wǎng)模擬、天然氣組成和溫度跟蹤。
2 軟件的特點(diǎn)
2.1 基本方程
   PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件進(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、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。
   與基本方程配套的其他方程有：①狀態(tài)方程：BWRS或SAREM方程[1]；②摩阻公式：威莫斯公式、潘漢德爾修正公式、AGA公式、科爾布魯克公式。
    此外還有與離心式壓縮機(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。
2.2 模型元件
    PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件用模型元件來表示實(shí)際的管網(wǎng)元件。模型元件的參數(shù)和連接關(guān)系要與實(shí)際的管網(wǎng)元件相符，根據(jù)實(shí)際管網(wǎng)元件連接情況，把模型元件連接在一起構(gòu)成管網(wǎng)模型，此時(shí)對(duì)管網(wǎng)模型的計(jì)算即是對(duì)實(shí)際管網(wǎng)的模擬。
    主要的模型元件有：管段、壓力調(diào)節(jié)器、流量調(diào)解器、阻尼元件、截?cái)嚅y、外部調(diào)節(jié)器等。
2.3 模型元件的約束條件和控制方式
    實(shí)際管網(wǎng)元件中有一些是起調(diào)節(jié)或控制作用的，在PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件中，表示這類實(shí)際元件的模型元件都具備一個(gè)或一組約束條件，倒如：閥門的開度；調(diào)壓器的最大出口壓力、最大流量；供氣氣源的最大出口壓力、最大流量、出口溫度等。這類模型元件的約束條件中總有一個(gè)，并且只有一個(gè)是該元件運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)定值。例如：為了表示某一調(diào)壓站(對(duì)應(yīng)模型元件為壓力調(diào)節(jié)器)，指定了最小出站壓力和最大流量兩個(gè)約束條件，如果指定該調(diào)壓站的供氣量等于最大流量設(shè)定值，則出站壓力不低于約束條件所規(guī)定的值，這種情況下我們可以說該調(diào)壓站運(yùn)行于最大流量控制方式。
   在管網(wǎng)模擬過程中，PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件盡量使模型在滿足所有約束條件的同時(shí)按指定的控制方式運(yùn)行。如果按某一控制方式運(yùn)行，發(fā)生了違背其他約束條件的情況，那么軟件將自動(dòng)切換控制方式，以便獲得滿足所有約束條件的結(jié)果，因此，不要指定相互矛盾的約束條件是獲得收斂結(jié)果的關(guān)鍵。
2.4 管網(wǎng)模擬的主要步驟
    ① 根據(jù)實(shí)際管網(wǎng)建立管網(wǎng)模型
    根據(jù)實(shí)際管網(wǎng)確定各管網(wǎng)元件的連接關(guān)系及參數(shù)，標(biāo)明各模型元件的名稱和主要約束條件。
   ② 數(shù)據(jù)輸入
數(shù)據(jù)輸入文件是一種自由格式的文本文件，使用時(shí)按規(guī)定分別在各管段輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。例如：在“CONST”段輸入各類缺省值；在“FLUED”段輸入各氣源的氣體組分和參數(shù)；在“CONFIG”段輸入模型元件的連接關(guān)系、參數(shù)、約束條件和控制方式；在“TREND”段輸入瞬態(tài)模擬時(shí)需要改變的控制方式或約束條件；在“PRINT”段輸入輸出文件的內(nèi)容和詳細(xì)程度等。PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件界面見圖1。
 

   ③ 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬
   PLStudio for Gas水力計(jì)算軟件自動(dòng)把各管段劃分成很小的計(jì)算段進(jìn)行計(jì)算。只要模型元件參數(shù)和連接關(guān)系正確，沒有相互矛盾的約束條件，控制方式合理，一般都能夠得到收斂結(jié)果。
   ④ 進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[2～5]
   當(dāng)管網(wǎng)負(fù)荷變化較大，或者需要了解管網(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，通常采用批處理方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。模擬前應(yīng)設(shè)置一個(gè)模擬的初態(tài)，并規(guī)定好在模擬過程中需要改變約束條件和控制方式的時(shí)間表、所要模擬的時(shí)間范圍等。
   ⑤ 對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理
   進(jìn)行后處理可以生成表示模擬結(jié)果的表格、曲線或用戶自定義的報(bào)告文件，按用戶自定義的格式文件控制動(dòng)態(tài)模擬的屏幕顯示，把動(dòng)態(tài)模擬求得的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)按電子表格的要求輸出等，以便用戶對(duì)模擬計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作分析研究。
3 軟件在管網(wǎng)動(dòng)態(tài)分析中的應(yīng)用實(shí)例
   ① 建立管網(wǎng)模型
   由于天然氣發(fā)電廠用氣負(fù)荷比較大，電廠機(jī)組啟停時(shí)天然氣負(fù)荷變化也比較大，所以在分析電廠運(yùn)行對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行的影響時(shí)，需要對(duì)整個(gè)管網(wǎng)作動(dòng)態(tài)模擬。利用動(dòng)態(tài)模擬可以直觀計(jì)算出燃?xì)庥脩舻挠脷饬亢蛪毫Φ膭?dòng)態(tài)變化規(guī)律，解決了一些常規(guī)計(jì)算方法無法解決的問題。
    以北京市太陽宮天然氣發(fā)電廠為例，在建立北京市天然氣高壓管網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)太陽宮電廠的兩臺(tái)9F機(jī)組在冬季用氣高峰進(jìn)行啟停時(shí)的供氣管道水力工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算。建立的太陽宮電廠供氣管網(wǎng)模型見圖2，高壓A管道總長130km，高壓B管道總長180km。

   ② 數(shù)據(jù)輸入
   根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際情況，在管網(wǎng)模型中輸入各管道的長度、管徑、壁厚、粗糙度等參數(shù)。因?yàn)橐M(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，所以把每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)每小時(shí)用氣量輸入到動(dòng)態(tài)水力計(jì)算表中，電廠機(jī)組的用氣規(guī)律也要相應(yīng)地輸入到動(dòng)態(tài)水力計(jì)算表中。
   ③ 動(dòng)態(tài)計(jì)算及結(jié)果分析[6]
計(jì)算時(shí)，作為太陽宮電廠供氣氣源的上游高壓A調(diào)壓站的約束條件為最大出口壓力2.5MPa，其他邊界條件為：整個(gè)管網(wǎng)的負(fù)荷為2010年的負(fù)荷，全網(wǎng)高峰小時(shí)流量為250×104m3/h，電廠高峰小時(shí)流量為16×104m3/h。設(shè)置衙門口門站輸氣能力為50×104m3/h，次渠門站輸氣能力為40×104m3/h，采育門站輸氣能力為80×104m3/h，通州門站輸氣能力為80×104m3/h。
將太陽宮電廠機(jī)組24小時(shí)的天然氣耗量數(shù)據(jù)輸入管網(wǎng)模型，對(duì)整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)電廠采用設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa、DN 500mm供氣供氣管道末端的壓力波動(dòng)范圍為2.3～2.5MPa。壓力波動(dòng)范圍滿足整個(gè)輸配管網(wǎng)正常運(yùn)行的要求，也能滿足電廠最低進(jìn)口壓力的需求。電廠供氣管道末端壓力變化情況見圖3，其中橫坐標(biāo)1代表0：00—1：00，2代表1：00—2：00，依次類推。
 
 

圖3的壓力變化曲線可以清楚地表明電廠運(yùn)行的各時(shí)間段進(jìn)氣管道末端壓力的變化，該壓力變化曲線圖為工程前期制定電廠供氣管道方案提供了重要的參考依據(jù)。
4 結(jié)語
目前我國城市燃?xì)獍l(fā)展已進(jìn)入天然氣時(shí)代，在城市天然氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，要樹立穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)工況的設(shè)計(jì)理念，借助成熟可靠的水力計(jì)算模擬軟件進(jìn)行分析和計(jì)算，并進(jìn)行多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以便提出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、符合實(shí)際的燃?xì)庀到y(tǒng)技術(shù)方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
[1] 田貫三，張?jiān)鰟?，江億.城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)水力分析數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法[J].天然氣工業(yè)，2002，22(3)：96-98.
[2] 楊昭，張甫仁，朱強(qiáng).燃?xì)夤芫W(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真的研究及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2006，26(4)：105-108.
[3] 李軍，玉建軍.不同模型燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)模擬的對(duì)比分析[J].煤氣與熱力，2010，30(1)：A24-A27.
[4] 高蘭周，田貫三，趙自軍，等.高壓燃?xì)夤艿婪欠€(wěn)態(tài)流動(dòng)的特征線法模擬研究[J].煤氣與熱力，2008，28(11)：B13-B15.
[5] 福鵬，陳敏，張秀梅，等.天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氣調(diào)峰的動(dòng)態(tài)仿真模擬[J].煤氣與熱力，2008，28(12)：B01-B04.
[6] 冷緒林，肖尉，孫立剛，等.動(dòng)態(tài)模擬在燃?xì)猸h(huán)網(wǎng)儲(chǔ)氣調(diào)峰設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20(6)：16-19
 
(本文作者：馮濤1 武新生2 1.北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100032；2.北京燃?xì)鈶讶嵊邢薰?北京 101400)