PLStudio for Gas水力計算軟件及其應用

摘 要

摘要:介紹了PLStudio for Gas水力計算軟件的特點(diǎn)及管網(wǎng)模擬的主要步驟。結合工程實(shí)例,探討了該軟件在天然氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬中的應用。關(guān)鍵詞:天然氣管網(wǎng);PLStudio for Gas水力計算

摘要:介紹了PLStudio for Gas水力計算軟件的特點(diǎn)及管網(wǎng)模擬的主要步驟。結合工程實(shí)例,探討了該軟件在天然氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬中的應用。
關(guān)鍵詞:天然氣管網(wǎng);PLStudio for Gas水力計算軟件;動(dòng)態(tài)模擬;水力計算
Hydraulic Calculation Software PLStudio for Gas and Its Application
FENG Tao,WU Xinsheng
AbstractThe 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 wordsnatural gas pipe network;hydraulic calculation software PLStudio for Gas;dynamic simulation;hydraulic calculation
1 軟件簡(jiǎn)介
   PLStudio for Gas水力計算軟件是英國ESI公司推出的天然氣輸配管網(wǎng)模擬計算軟件,該軟件為離線(xiàn)型天然氣管道系統穩態(tài)/動(dòng)態(tài)工藝計算和運行計劃模擬軟件,可用于管道水力計算、運行計劃安排、動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬分析等。該軟件的主要功能包括:穩態(tài)水力分析、壓縮機和驅動(dòng)機模型詳細模擬、動(dòng)態(tài)水力分析、給定約束條件下的過(guò)程控制、壓縮機站模擬、設備選型模擬、熱力學(xué)模型詳細模擬、復雜管網(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?tīng)栃拚?、AGA公式、科爾布魯克公式。
    此外還有與離心式壓縮機、往復式壓縮機、壓力調節器、流量調節器、截斷閥、阻尼元件等相關(guān)的配套方程。
2.2 模型元件
    PLStudio for Gas水力計算軟件用模型元件來(lái)表示實(shí)際的管網(wǎng)元件。模型元件的參數和連接關(guān)系要與實(shí)際的管網(wǎng)元件相符,根據實(shí)際管網(wǎng)元件連接情況,把模型元件連接在一起構成管網(wǎng)模型,此時(shí)對管網(wǎng)模型的計算即是對實(shí)際管網(wǎng)的模擬。
    主要的模型元件有:管段、壓力調節器、流量調解器、阻尼元件、截斷閥、外部調節器等。
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節或控制作用的,在PLStudio for Gas水力計算軟件中,表示這類(lèi)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(mén)的開(kāi)度;調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(lèi)模型元件的約束條件中總有一個(gè),并且只有一個(gè)是該元件運行狀態(tài)的設定值。例如:為了表示某一調壓站(對應模型元件為壓力調節器),指定了最小出站壓力和最大流量?jì)蓚€(gè)約束條件,如果指定該調壓站的供氣量等于最大流量設定值,則出站壓力不低于約束條件所規定的值,這種情況下我們可以說(shuō)該調壓站運行于最大流量控制方式。
   在管網(wǎng)模擬過(guò)程中,PLStudio for Gas水力計算軟件盡量使模型在滿(mǎn)足所有約束條件的同時(shí)按指定的控制方式運行。如果按某一控制方式運行,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(mǎn)足所有約束條件的結果,因此,不要指定相互矛盾的約束條件是獲得收斂結果的關(guān)鍵。
2.4 管網(wǎng)模擬的主要步驟
    ① 根據實(shí)際管網(wǎng)建立管網(wǎng)模型
    根據實(shí)際管網(wǎng)確定各管網(wǎng)元件的連接關(guān)系及參數,標明各模型元件的名稱(chēng)和主要約束條件。
   ② 數據輸入
數據輸入文件是一種自由格式的文本文件,使用時(shí)按規定分別在各管段輸入相應的數據內容。例如:在“CONST”段輸入各類(lèi)缺省值;在“FLUED”段輸入各氣源的氣體組分和參數;在“CONFIG”段輸入模型元件的連接關(guān)系、參數、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容和詳細程度等。PLStudio for Gas水力計算軟件界面見(jiàn)圖1。
 

   ③ 進(jìn)行穩態(tài)模擬
   PLStudio for Gas水力計算軟件自動(dòng)把各管段劃分成很小的計算段進(jìn)行計算。只要模型元件參數和連接關(guān)系正確,沒(méi)有相互矛盾的約束條件,控制方式合理,一般都能夠得到收斂結果。
   ④ 進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[2~5]
   當管網(wǎng)負荷變化較大,或者需要了解管網(wǎng)在各種調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。模擬前應設置一個(gè)模擬的初態(tài),并規定好在模擬過(guò)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 對模擬結果進(jìn)行后處理
   進(jìn)行后處理可以生成表示模擬結果的表格、曲線(xiàn)或用戶(hù)自定義的報告文件,按用戶(hù)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)趨勢按電子表格的要求輸出等,以便用戶(hù)對模擬計算產(chǎn)生的數據作分析研究。
3 軟件在管網(wǎng)動(dòng)態(tài)分析中的應用實(shí)例
   ① 建立管網(wǎng)模型
   由于天然氣發(fā)電廠(chǎng)用氣負荷比較大,電廠(chǎng)機組啟停時(shí)天然氣負荷變化也比較大,所以在分析電廠(chǎng)運行對燃氣管網(wǎng)運行的影響時(shí),需要對整個(gè)管網(wǎng)作動(dòng)態(tài)模擬。利用動(dòng)態(tài)模擬可以直觀(guān)計算出燃氣用戶(hù)的用氣量和壓力的動(dòng)態(tài)變化規律,解決了一些常規計算方法無(wú)法解決的問(wèn)題。
    以北京市太陽(yáng)宮天然氣發(fā)電廠(chǎng)為例,在建立北京市天然氣高壓管網(wǎng)模型的基礎上,對太陽(yáng)宮電廠(chǎng)的兩臺9F機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)模擬計算。建立的太陽(yáng)宮電廠(chǎng)供氣管網(wǎng)模型見(jiàn)圖2,高壓A管道總長(cháng)130km,高壓B管道總長(cháng)180km。

   ② 數據輸入
   根據管網(wǎng)實(shí)際情況,在管網(wǎng)模型中輸入各管道的長(cháng)度、管徑、壁厚、粗糙度等參數。因為要進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,所以把每個(gè)負荷點(diǎn)每小時(shí)用氣量輸入到動(dòng)態(tài)水力計算表中,電廠(chǎng)機組的用氣規律也要相應地輸入到動(dòng)態(tài)水力計算表中。
   ③ 動(dòng)態(tài)計算及結果分析[6]
計算時(shí),作為太陽(yáng)宮電廠(chǎng)供氣氣源的上游高壓A調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)的負荷為2010年的負荷,全網(wǎng)高峰小時(shí)流量為250×104m3/h,電廠(chǎng)高峰小時(shí)流量為16×104m3/h。設置衙門(mén)口門(mén)站輸氣能力為50×104m3/h,次渠門(mén)站輸氣能力為40×104m3/h,采育門(mén)站輸氣能力為80×104m3/h,通州門(mén)站輸氣能力為80×104m3/h。
將太陽(yáng)宮電廠(chǎng)機組24小時(shí)的天然氣耗量數據輸入管網(wǎng)模型,對整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。經(jīng)計算,當電廠(chǎng)采用設計壓力為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(mǎn)足整個(gè)輸配管網(wǎng)正常運行的要求,也能滿(mǎn)足電廠(chǎng)最低進(jìn)口壓力的需求。電廠(chǎng)供氣管道末端壓力變化情況見(jiàn)圖3,其中橫坐標1代表0:00—1:00,2代表1:00—2:00,依次類(lèi)推。
 
 

圖3的壓力變化曲線(xiàn)可以清楚地表明電廠(chǎng)運行的各時(shí)間段進(jìn)氣管道末端壓力的變化,該壓力變化曲線(xiàn)圖為工程前期制定電廠(chǎng)供氣管道方案提供了重要的參考依據。
4 結語(yǔ)
目前我國城市燃氣發(fā)展已進(jìn)入天然氣時(shí)代,在城市天然氣管網(wǎng)的設計中,要樹(shù)立穩態(tài)及動(dòng)態(tài)工況的設計理念,借助成熟可靠的水力計算模擬軟件進(jìn)行分析和計算,并進(jìn)行多方案的技術(shù)經(jīng)濟比較,以便提出安全可靠、經(jīng)濟合理、符合實(shí)際的燃氣系統技術(shù)方案,提高設計質(zhì)量。
參考文獻:
[1] 田貫三,張增剛,江億.城鎮天然氣管網(wǎng)水力分析數學(xué)模型與計算方法[J].天然氣工業(yè),2002,22(3):96-98.
[2] 楊昭,張甫仁,朱強.燃氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真的研究及應用[J].天然氣工業(yè),2006,26(4):105-108.
[3] 李軍,玉建軍.不同模型燃氣管道動(dòng)態(tài)模擬的對比分析[J].煤氣與熱力,2010,30(1):A24-A27.
[4] 高蘭周,田貫三,趙自軍,等.高壓燃氣管道非穩態(tài)流動(dòng)的特征線(xiàn)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)儲氣調峰的動(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)模擬在燃氣環(huán)網(wǎng)儲氣調峰設計中的應用[J].油氣儲運,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計院有限公司 北京 100032;2.北京燃氣懷柔有限公司 北京 101400)