燃气电站与天然气管网耦合特性研究

燃气电站与天然气管网供耦合特性研究杨文正1黄葆华2丁常富1刘蔚蔚2薛亚丽3（1国电蚌埠发电有限公司安徽蚌埠233000，2华北电力科学研究院有限责任公司汽轮机所，北京100045，3清华大学热能工程系，北京100084）摘要：近几年我国天然气发电迅猛发展，燃气电站运行与城市天然气管网相互影响相互制约的问题在北京、上海、四川等天然工业发展较早的地区有所显现。文章针对上述问题，对城市外环的高压天然气管网建立了等温不稳定流动模型，并且将燃气电站变工况运行时的燃料消耗特性模型作为动态边界条件引入，然后采用特征线法对其联立求解，从而分析燃气电站运行与天然气管网供气方式之间的关系。最后得出采用定流不定压供气方式，依靠城市外环高压天然气管网的储气特性提前供气，可以有效的降低燃气电站运行对上下游节点造成的压力冲击。关键词：燃气电站天然气管网运行供气方式特征线法StudyoftheCouplingCharacteristiconGasPoweredPlantandNaturalGasNetworkWenzheng-YANG1Baohua-HUANG2Changfu-DING1Weiwei-LIU2Yali-XUE3(1.NorthChinaElectricPowerUniversity,EnergyandPowerEngineeringInstitute,HeiBei,BaoDing0710032.NorthChinaElectricPowerResearchInstitute,SteamTurbineInstitute,Beijing100045,3.TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract:Inrecentyears,naturalgaspowergenerationhasgrowthrapidlyinourcountry.GaspoweredplantandnaturalgasnetworkaremutualinfluencedandrestrictedinBeijing，ShanghaiandSichuanprovincewherenaturalgasindustrydevelopedearlierthanotherregion.Aimingattheseproblems,thispapersetupisothermaltransientflowmodeforthehighpressuregaspipeline,andleadinfuelconsumptioncharacteristicmodeasthedynamicboundarywhichmodeoff-designedconditionofgas-poweredplant,then,thispapersolvethemodewithcharacteristiclinemethodandanalysistherelationbetweengas-poweredplantandnaturalgasnetworksupplyingmode.Finally,thispapergetaconclusionthatsupplytimeearlierthantheneedtimeandreservenaturalgasinpipelinenetworkforgas-poweredplantcanreducetheimpactcausedbygas-poweredplantrun.Keywords:gas-poweredplant;naturalgasnetwork;operation;supplyingmode;characteristiclinemethod1引言随着全世界范围内天然气探明储量的增加、燃气轮机技术的发展以及环境保护压力的增强，天然气发电迅猛发展。在我国，天然气发电作为一种清洁能源，对于优化能源结构、减轻环境压力、增强电网调峰能力具有明显优势。另外天然气发电作为我国天然气市场发展的依托，在我国天然气工业发展中扮演着重要角色。除此之外，天然气发电技术还直接或间接的带动燃气轮机技术、LNG船舶制造技术、清洁煤技术、城市集中制冷技术等的发展。燃气电站具有运行灵活和启停迅速的技术特点。但是，燃气电站按调峰方式运行时，燃气管网必须具备较大的供气灵活性。而天然气电站“照付不议”合同中一般将年合同气量按365天平均分割到每日供气量[1]，对超过日合同的气量不作保证。由于供气方式无法按发电需求供气，及电网调峰具有较强的时段性，从而使燃气电站经常处于有气时无电可发、发电时无气可用的两难境地。除此之外，燃气电站的快速升负荷还会还会对燃料气源造成影响[7]。因此，城市能源管理部门希望电力调度和燃气调度互通信息，建立联合调度机制。燃气电站对天然气的压力要求高、用气量大[2]，所涉及的系统庞杂，很难在实际系统中进行试验研究。所以，借助数学模型研究燃气电站调峰运行与天然气管网之间的相互制约关系，对于指导燃气调度和电力调度协调运行，以及保障城市能源安全供应有着重要的意义。本文将燃气电站的燃料消耗模型引入城市高压外环枝状管网仿真模型，借以分析城市门站不同供气方式下，燃气电站调峰运行后对管网各个关键节点造成的压力波动。2燃气电站与天然气管网耦合模型的建立2.1天然气管网模型2.1.1等温不稳定流动的数学描述能够描述等温不稳定流动的方程分别为运动方程、连续性方程、气体状态方程。工程上经常忽略某些对计算结果影响不大的项，如对流项只有在燃气流速接近声速时才有意义。在城市燃气管网中，由于其标高值不太大，所以运动方程中的重力项一般也可以忽略不计。综上，三个方程可简化如下：2)(2wDxPtw（式1）0)(xwt（式2）2aZRTP（式3）式中：为气体密度3/mkg；w为气体的流速sm/；t为时间变量s；x为沿管长变化m；P为管道中气体压力Pa；为水力摩阻系数；D为管道内径m；a为气体波速sm/；Z为气体压缩系数；T为气体温度K；R为气体常数)/(kgkJ；2.1.2特征线方程的建立上述模型可以采用各种数值解法，借助计算机来进行有效分析。目前，较为成熟的数值解法主要有两类，即特征线法和隐式有限差分法。特征线法是针对系统的各节点和管道内部网格点独立建立相应的低维非线性代数方程组，单独运算，避免了采用隐式有限差分法求解高维非线性方程组。但是其时间步长和管段步长的比值必须满足Courant-Lewy稳定条件的限制，即axt（式4）运用特征线法，可将（式1）、（式2）、（式3）化为下列形式[3]：021122PDAMMadtdMAdtdPa（5式）adtdx（式6）021122PDAMMadtdMAdtdPa(式7)adtdx（式8）式中：MwA,M为天然气的质量流量/kgs；A为燃气管道横截面积2m；这样就把原来两个偏微分方程变化成了两个常微分方程，但是每个方程都有一个约束，即只有当相应的方程（6）和（8）成立时，方程（5）和（7）才成立,即每个相容方程只有在特征线上才成立。2.1.3模型的求解对于气体等温流动，可以近似认为波速为常数[5]，压缩因子随天然气压力P变化。在计算中，将管道沿长度方向划分为n等份，每一等份的长度为x，时间间隔为ax，如图1：对于分支管道连接点，将连接点视为它们的共同边界，并且忽略局部阻力的差别，则各端点压力相等。同时，根据流入流出节点流量之和为0，得：0321MMM（式9）式中1M、2M、3M分别为管段1、2、3的质量流量。待燃气管网中的边界条件确定，使方程组封闭后，就可以采用迭代解法对模型进行求解了。将天然气假设为理想气体计算会产生较大误差，不能满足工程实际需求[4]，本文采用美国加利福尼亚天然气协会（CNGA）推荐的公式：61.7853.82515.07210101ZPT（式10）CC式中：P为气体压力（绝）MPa；为气体的相对密度；该式适用于=0.55~0.7，P=0~6.89MPa，T=272.2~333.3K的天然气。2.2燃气电站模型建立燃气轮机的动态燃料消耗模型除应考虑热平衡外，还需考虑转动部件的惯性，气道壁面的热惯性，气室容积效应等的影响。此外，动态特性还与机组的控制系统密切相关。本文研究的是燃气轮机升负荷时的燃料消耗特性，该加载过程转速不变，可以不考虑转子的转动惯性，另外，为简化建模，模型中忽略了影响较小的热惯性和气室容积效应。所以本文是用稳态燃料消耗模型来近似反映升负荷时的燃料消耗动态变化。机组在偏离设计工况下运行时，其循环效率就会发生变化，而稳态模型其实质是能量平衡方程，故燃气轮机的发电功率与燃料供应量可以用一个非线性关系来表示，如下式：()**PgeLHVe（式11）Pg是燃机功率MW，e是燃机的燃料供应量/kgs，是燃气轮机效率，LHV是天然气的低位发热量kgJ/。燃气轮机效率与燃料供应量通常呈二次方的关系[6]，所以，燃机功率与燃料供应量呈三次方关系，可用下式描述：432231KeKeKeKPg（式12）其中，1K、2K、3K、4K是与燃气轮机特性有关的参数。通过对实际数据的拟合就可以得到以上四个参数，本文计算得到的1K、2K、3K、4K四个特性参数分别为：0.00267、0.13972、18.18346、40.97022。3燃气电站运行与城市天然气门站供气方式分析某城市外环高压天然气管网及燃气电站的布置如图2所示：图2外环天然气管网及燃气电站布置A为城市门站，B、C、D为分输点，分别与下一压力级制的天然气管网相连，该枝状管网的设计最高压力为4MPa，为满足下一压力级制的要求，D点的压力必须高于2.7MPa。AB、BC、CD段分别长30km、30km、40km，管径D为0.8m。该城市使用的天然气主要参数（标准状态）见表1：表1天然气物性参数相对分子质量16.851密度0.7005低位发热量327203.1定压不定流和定流不定压供气方式的比较燃气电站以5MW/min的升负荷速率升至100%负荷后保持满负荷状态运行。城市门站A分别采用定压不定流和定流不定压的供气方式供气；B、D的分输气量假设不变；C点的发电用气随燃气电站负荷的变化而变化，非发电用气假设不变，通过上述数学模型模拟燃气管网中压力和流量的变化情况。图3表示的是门站A的供气量随时间的变化关系曲线。定压不定流供气方式下，燃机从0时刻开始升负荷；定流不定压供气方式还分为两种：（1）门站A供气与燃气电站用气完全同步；（2）燃气电站升至满负荷后门站A开始供气，供气量与电站满负荷用气量对应，该供气过程忽略了燃气电站升负荷过程的燃料消耗量；图4表示的是燃气电站上游分输点B在图3所示的三种供气方式下的压力变化情况；图5表示的是燃气电站下游分输点D在图3所示的三种供气方式下的压力变化情况。020406080100120140160180104106108110112114Time(min)Flowrate(kg/s)定压不定流定流不定压忽略过程耗量图3A点流量随时间的变化关系曲线0204060801001201401601803.533.543.553.563.573.583.593.6x106Time(min)Pressure(Pa)定压不定流按电站变化规律供气定流不定压图4B点压力随时间的变化关系曲线/kgkmol3/kgm3/kJNm0204060801001201401601803.243.253.263.273.283.293.33.313.323.33x106Time(min)Pressure(Pa)定压不定流按电站变化规律供气定流不定压图5D点压力随时间的变化关系曲线模型模拟计算三种供气方式下B、D点的压力在第180分钟时与初始压力值对比的变化情况见表2：表2180分钟时三种供气方式下B、D点的压力变化情况5MW/minUR，180分钟时节点B（P）kPa节点D（P）kPa定流不定压完全同步12.507-21.785忽略过程耗量-4