动态模拟在输气管道工艺设计中的应用

动态模拟在输气管道工艺设计中的应用李彤民吴长春梁江摘要概述了动态模拟在输气管道工艺设计中的作用和意义，阐述了传统的工艺稳态设计方法的局限性，提出了动态设计方法的基本原则与步骤。通过实例对稳态和动态设计的结果进行了对比分析，指出动态模拟是提高输气管道工艺设计水平的关键。主题词输气管道动态模拟工艺设计应用一、引言工艺设计是输气管道设计中的最基本内容。工艺设计方案优劣的选择在很大程度上影响输气管道运行的可靠性和投资效益。在干线输气管道设计中，对工艺设计方案的基本技术要求是：能比较可靠地满足目标用户需求，具有较大的运行灵活性。此外，在满足技术要求的前提下，工艺设计方案还应有较好的经济性。在70年代以前，由于设计手段的限制，输气管道工艺设计方案的确定基本上是以稳态工艺计算为基础的。自70年代以来，计算机技术的发展为输气管道设计提供了强有力的手段。特别是进入80年代后，国外输气管道工艺模拟软件的发展相当迅速，目前已有多种商业软件在世界各地使用，其中比较著名的有Stoner、SIMONE、TGNET、Gregg、LIC等。这些商业软件均同时具有稳态工况模拟和动态工况模拟的功能，设计人员可以利用这些软件对输气管道的工艺设计方案进行任何工况下的动态模拟，从而对方案的可行性、可靠性、灵活性和合理性做出更客观的评价，并根据对多种方案的比选和评价结果选出较好的方案。多年来，这些软件已在全世界许多输气管道的设计中得到了应用，既提高了输气管道工艺设计方案的质量，又在很大程度上改变了工艺设计人员传统的稳态设计观念。二、稳态设计方法的局限性〔1〕〔2〕稳态设计是输气管道工艺设计的基本方法，其出发点是假设管道在设计流量下按稳态工况运行。然而，输气管道的实际流量往往是变化的。这种变化不仅来源于运行寿命期内管道年输气量的变化，而且在年输气量一定的前提下，管道在一年中的实际流量往往随季节、月份、周、日而变化，即使在一日之中也会随小时而变化。例如，北京市在某一年的用气高峰周的最大用气量为26.54×104Nm3／h，最小用气量为2.24×104Nm3／h。因此，在对输气管道进行稳态设计时，一个最基本的问题是确定管道的设计流量。如果管道的年输气量在设计寿命内有较大幅度的变化，通常需要根据年输气量的具体变化情况选择多个设计流量，并针对这些流量分别进行管道的稳态设计或稳态校核。由于同一条管道要适应多种设计流量，因此在进行稳态设计时要对各种设计流量进行统一协调，以使得同一种设计方案能满足多种设计流量下的稳态运行要求。此外，在考虑多个设计流量的情况下，为了使所设计的管道在其设计寿命内达到较好的经济效益，通常需要考虑分期建设模式。对于给定的管道年输气量设计流量的确定取决于一年中管道流量的变化情况及拟采取的供气调峰措施。如果管道的流量变化较少或采取配套的调峰措施(如建地下储气库或LNG设施)，其设计流量可取全年的平均流量。如果管道的流量变化较大，且未采取配套调峰措施，则设计流量应取高于平均流量的某个值，例如可取全年用气高峰周的平均流量。显然，无论如何选择设计流量，按设计流量确定的管道稳态工况都不可能代表管道全年的实际工况。因此，在按稳态设计方法确定了管道的工艺设计方案后，有必要进一步验证该方案能否满足供气调峰的要求。如果不能满足，还应对原有的设计方案进行调整或采取其它配套调峰措施，然后对调整后的方案重新进行验证。一般来说，在管道的气源能够提供足够气量的前提下，只要管道的设计流量取得足够大（例如取可能出现的最大流量)，按此流量进行设计所确定的工艺设计方案就能满足供气调峰的要求。但这种做法将导致管道工程的投资增大，而且往往是不经济的。根据国外的经验，输气管道自身的调峰能力用以满足短期(周、日)调峰为宜，而中、长期(季、月)调峰的任务应由与管道配套的调峰设施来承担。在70年代以前，由于设计手段的限制，只能按稳态方法大致估计输气管道的调峰能力。实际上，由于输气管道在供气调峰过程中的工况是不断变化的，因此这种稳态估计方法难以可靠地评价输气管道的实际调峰能力。自70年代以来相继出现的各种模拟软件，为客观地评价输气管道的调峰能力提供了强有力的工具。利用这些模拟软件，可以对输气管道系统(包括输气干线及相应的配套调峰设施)在不同周期、不同情况下的调峰过程进行全面的动态模拟，且可以根据模拟结果对输气干线及配套调峰设施的设计方案进行调整和优化。综上所述，单纯的稳态设计方法已不能满足现代输气管道的设计要求，只有将稳态设计方法与动态模拟方法结合起来才能设计出既能满足供气要求，又具有良好经济效益的输气管道系统。三、动态模拟〔3〕输气管道动态模拟是指用适当的方法模拟输气管道系统中的非稳态工况，即模拟该系统中各处的流动状态参数随时间变化的过程，目前最常用的模拟方法是计算机数值模拟。输气管道系统的非稳态工况是由系统内部或边界处的物理扰动引起的，如管道终点或中途分气点的供气流量变化、管道起点进气压力或温度的变化、管道支线(进气或分气)的联通或关闭、管道至周围介质的传热条件变化等。在所有这些原因中，管道终点或中途分气点的供气流量变化则最为常见。由于这些点的供气量直接取决于其所连接的用气系统的用气量，而对于最常见的用气系统(城市配气管网)，其用气量几乎时刻都在变化。因此，为城市配气系统供气的干线输气管道的工况基本上都是非稳态的。此外，由于气体的压缩性大，故由扰动引起的非稳态工况在输气管道中延续相当长的时间，这一因素也在很大程度上决定了输气管道难以达到真正的稳态工况。正因为如此，在输气管道的工艺设计及运行管理中引入动态模拟是完全必要的，而且在当今计算机模拟技术高度发展的时代也是完全可行的。输气管道非稳态工况的模拟基于下述基本方程组：连续性方程（1）能量方程（2）动量方程（3）气体状态方程ρ＝ρ（p，T）（4）为了对一个具体的输气管道系统在某段时间内的非稳态过程进行动态模拟，需要根据该系统在这段时间内的初始条件和边界条件求解上述方程组，及求解一个偏微分方程组的定解问题。对于这类定解问题，目前主要采取各种数值方法求解，这些方法基本上可分为隐式中心差分法和特征线差分法两类。由于数值方法的实现在很大程度上要依赖数字计算机，故国外已有多家公司推出了商品化的输气管道工艺模拟软件。这些软件的功能大致相同，一般都有稳态模拟和动态模拟功能，其差别主要在于某些辅助功能和人机交互界面。工艺模拟软件的应用为输气管道设计人员和运行管理人员提供了很大的方便，也使得输气管道的设计和运行管理水平有了很大提高。单从工艺设计的角度考虑，动态模拟主要具有以下几方面的作用和意义：(1)通过对各种典型供气周期的动态模拟，检验由稳态设计方法给出的工艺设计方案能否满足管道运行期间的供气调峰要求。(2)选取多种设计流量对管道进行稳态工艺设计，也可以考虑输气管道与配套调峰设施的多种可能组合，然后通过动态模拟对输气系统的各种设计方案的可行性进行评价，并在此基础上结合经济等方面的因素选出相对最优的设计方案。(3)通过动态模拟可以更全面地了解全线各站所配置的压缩机组与管道的匹配状况，从而为全线压缩机的优化配置和选型提供可靠的依据。(4)通过动态模拟可以确切地反映出全线各管段的储气(Packing)和抽气(Withdrawing)过程。改变了只有管道末段才能储气的传统观念。(5)对输气管道可能发生的各种事故工况(如某处管道断裂)进行动态模拟(通常称为自救模拟SurvivingSimulation)，从而为管道的可靠性评价和设计提供依据。(6)改变某些设计人员用稳态观点去分析非稳态过程的错误观念，使其对输气管道系统的非稳态过程有比较深入的理解，从而在工艺设计过程中自觉贯彻动态设计的观念。四、动态设计方法的基本原则与步骤〔3，4，5，6〕动态设计是相对于稳态设计而言的，其基本特征是充分考虑非稳态工况对设计方案的影响，但并不排除以稳态设计方案作为整个设计过程的基础。动态设计方法的基本原则是：在各种可能的运行条件下对多种拟定的方案进行稳态和动态模拟，从中选出能满足工艺运行要求和供气调峰要求的可行设计方案。动态设计的基本内容和步骤可归纳如下：1、拟定若干个工艺设计方案根据拟建管道的设计条件和要求，在选定的设计流量下进行稳态工况设计，由此确定若干个初选的工艺设计方案。这些工艺设计方案主要包括：沿线管段的管径、壁厚、管材、设计压力、全线的压气站数目与位置、站压比、压缩机组配置、在设计流量下的进／出站压力和温度等。在拟定工艺设计方案的过程中，各管段的管径、壁厚、管材及压气站的压比往往是根据经验或根据优化结果确定的，而且往往要给出多种这些因素的组合，以便拟定出多个不同的工艺设计方案。对应于每一种给定的这些因素的组合，按设计流量下稳态工艺计算的结果可确定设计方案的其它因素。此外，在某些情况下还要对所得的工艺设计方案作一些调整，例如要挪动压气站的位置。一般说来，对某个设计因素的调整往往会对设计方案中的某些其它因素产生连锁反应。2、对每个拟定方案进行多工况稳态模拟稳态工况模拟有两个目的：一是计算输气管道在各种条件下的稳态运行工况；二是为动态模拟提供初始条件。稳态工况模拟的基本内容是：在管道沿线各管段的计算流量、管道起点及沿线各进气点的进气压力和温度、管道沿线各管段埋深处的自然地温及总传热系数(K值)、全线各压气站的运行压缩机组合、每台运行压缩机组的转速等条件为给定的前提下，计算全线各压气站进／出口处、进／分气点、管道终点的气体压力和温度及各管段的压力和温度分布。此外还要计算每台运行压缩机组的运行参数(压缩机的流量、进／出口压力、进／出口温度、功率、效率及原动机的功率等)。在稳态工况模拟的过程中，还要根据模拟计算的结果判断所模拟的稳态运行方案是否满足输气管道的工艺约束及供气要求。如果不满足要求，则需要对所模拟的运行方案作适当的调整，然后重新进行模拟。在输气管道系统的稳态运行方案中，除了各压气站的运行压缩机组合及每台运行压缩机组的转速外，其它因素(如沿线各管段的流量计算)基本不以设计人员的意志为转移。在其它因素为给定的条件下，各压气站的运行压缩机组合及每台运行压缩机的转速可由工艺人员根据经验指定，也可经过优化后确定。3、对每个拟定方案进行多工况动态模拟鉴于目前已有较多的输气管道模拟软件可供选用，故工艺设计人员可以根据需要和可能选用某一种软件作为动态模拟的工具。在利用现有的商业性软件进行输气管道的动态模拟时，工艺设计人员通常需要作三方面的工作：①建立模拟对象的模型，输入基础数据，这些数据可以描述所要模拟的管道系统的结构、设备配置、设备特性、运行的设备组合、所输气体的组分等方面的情况，由此可以描述出该系统的概貌。②确立模拟对象的初始条件和边界条件。③对模拟结果进行分析，并判断其是否满足系统运行的约束条件及供气调峰的要求。初始条件是指在动态模拟的初始时刻模拟对象所处的状态。在管道设计阶段，通常取非稳态过程的起始时刻作为动态模拟的初始时刻，因而在该时刻以前的稳态工况就是动态模拟的初始条件。当然，原则上也可以取非稳态过程中的某一时刻作为初始时刻，但前提条件是该初始时刻必须是以前某次动态模拟的终了时刻，因为只有这样才能确切地知道模拟对象的初始状态。边界条件是指模拟对象边界处的气体流动状态或流动状态参数之间的关系式。所谓边界是指系统与外部环境的交接处以及系统中各管段之间的联结处，前者称为系统的外边界，后者称为系统的内边界。实际上，天然气干线输气管道和气井、气田集输管网、气体处理站、城市配气管网及储气库构成一个全封闭系统。如果只对其中的干线输气系统单独进行模拟，供气系统的内边界就变成了干线系统的外边界，因而只能根据干线输气系统与供气系统中其它部分的联系建立所谓的虚拟边界条件。例如在进行干线输气系统的动态模拟时，往往以配气站的出口流量要求作为一个边界条件，以其进口压力不得低于某一限值作为约束条件，如果低于此值，则表明系统不能满足所要求的供气流量。在干线输气系统的动态模拟中，一些常见的边界条件如下：(1)进气点的压力、温度取给定值或给定的时间函数。(2)分气点或干线终点的供气流量取给定值或给定的时间函数。(3