TGNET软件在城市高压燃气管道设计中的应用

摘 要

摘要：介绍了英国ESI能源集团开发的TGNET软件的特点、用途和使用步骤；结合杭州市高压燃气管道的建设情况，介绍了该软件在城市高压燃气管道设计中的应用。关键词：TGNET软件；高压燃
摘要：介绍了英国ESI能源集团开发的TGNET软件的特点、用途和使用步骤；结合杭州市高压燃气管道的建设情况，介绍了该软件在城市高压燃气管道设计中的应用。
关键词：TGNET软件；高压燃气管道；输气能力；调峰储气；动态模拟
1 前言
    在城市高压燃气管道设计中，供气管网的水力工况计算是最重要的环节，特别是在一些采用高压管道作为城市调峰储气设施的城市，此时的高压管道兼具有输气和调峰储气的双重功能，如何保证城市高压燃气管道建设的经济性和调峰储气的可靠性是设计中必须认真对待的问题之一。TGNET软件具有强大的动态模拟计算功能，能够模拟城市用气的不均匀性，是用于城市高压燃气管道规划设计中管径选择及优化的较好软件之一。
    本文结合杭州市高压燃气管道建设的实际情况，介绍了TGNET软件在城市高压燃气管道设计中的应用.
2 TGNET软件简介
    本文所采用的TGNET软件是英国ESI能源集团开发出品的业界领先的Pipeline Studio软件，是经过使用证明的、历史悠久的气体管道离线模拟软件，能够对输气管道中的单相流进行稳态模拟和动态模拟；可以模拟简单的单管输送模型，也可以模拟包括多个气源和用户，多个复杂的环状管网、多台压缩机和冷却器以及其他影响管网操作和运行参数的设备阀门等在内的大型区域性集输系统，已经在全世界得到了广泛的应用。
2.1 TGNET软件模拟的基本方程
    TGNET进行管网模拟使用的基本方程是一组偏微分方程：质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程。
质量守恒方程：
 
能量守恒方程：
 
    动量守恒方程：
 
    虽然进行稳态模拟时，在有些情况下为了快速求得近似解可以选用代数方程。但省缺的做法总是使用隐式有限差分技术求解上述偏微分方程，而且在进行动态模拟时一律是求解偏微分方程。
    与基本方程配套的其他方程有：
    状态方程：Sarem方程、范德瓦尔斯(Peng-Robinson)方程、SRK方程、Peng方程、BWRS方程。
    摩阻公式：威莫斯公式、潘汉德公式、潘汉德修正公式、科尔布鲁克公式。
此外还有很多与离心式压缩机、往复式压缩机、压力调节器、流量调节器、截断阀、阻尼元件等相关的配套方程。
2.1 使用TGNET的主要步骤
    (1) 建立管网模型
    所谓建立管网模型实际上是建立一个基本数据输入条件，TGNET把这一文件称为KEYWORD文件。包括绘制管网模型结构图、输入管网元件的参数、输入气体参数、指定约束条件和设定值等。
    (2) 管网模型的有效性检查
    新建立的管网模型或对原模型做了大量修改时，需要进行一次管网有效性检查。此项检查的内容包括：管网元件连接关系检查、是否缺少必须输入的数据、数据是否有效等。检查出的错误分为两类，警告和错误。警告是需要改正的非关键性错误；错误是必须改正的关键性错误，如果不改正就不能进行模拟。TGNET把读到的输入文件和发现的错误用一种清晰的格式显示出来，使用户很容易找到自己的管网模型存在的问题。
    (3) 进行稳态模拟
    TGNET根据前面的设置条件把各管段划分成很小的计算段进行计算。只要模型元件的参数和连接关系正确，没有相互矛盾的约束条件，控制方式合理，在大多数情况下都能得到收敛解。
    (4) 进行动态模拟
    当管网负荷变化很大，或需要了解管网在各种调度工况和事故工况下的性能时需要进行动态模拟。TGNET可以用批处理方式或交互(互动)方式进行动态模拟。
    以批处理方式运行动态模拟速度较快，但程序运行时看不到模拟过程的中间结果，而且不能中途改变约束条件和控制方式。但由于动态模拟花费的时间较长，当确信在规定的模拟时间内不会产生无法求解的情况时，宜于用批处理方式进行动态模拟。
    以交互方式运行的动态模拟，除具有以批处理方式运行时的全部功能外还增加了若干功能。在程序运行时可以看到指定模型元件状态的变化，可以随时暂停模拟过程，查看所关心的参数，检索和保存不断变化着的模型状态，干预数据的显示方式，改变约束条件和控制方式，然后继续进行模拟，但是，这种方式的运行速度太慢，要求记忆的命令较多。当不定因素太多，时间要求不高时，宜使用以交互方式运行的动态模拟。
    以批处理方式运行动态模拟的必要条件是管网模型要有一个初始状态。最常用的初始状态是稳态计算的结果，以前动态模拟的结果也可以作为下一次动态模拟的初始状态。任何模型初次运行动态模拟之前都需要先作稳态模拟。
    (5) 查看模拟计算结果
    TGNET软件可以用图表方式查看管道沿线压力、流量、温度、高程等数据的变化情况。
3 应用实例分析
    根据《杭州市区燃气专项规划》(2006～2020)，杭州市区采用杭州绕城高压燃气管道作为城市调峰储气设施，并对其可行性进行了充分的论证分析。2011年6月，杭州华电下沙天然气热电厂项目作为浙江省2011年新增电厂之一得到了省发改委的批复，杭州天然气有限公司拟自下沙门站建设约4.5km的高压燃气管道专线对杭州华电下沙天然气热电厂进行供气，根据沟通，该电厂的月、日用气不均匀性将由上游省天然气公司解决，但小时用气不均匀性必须由杭州天然气有限公司解决。由于拟建4.5km的电厂供气专线调峰能力非常有限，因此，考虑将电厂的调峰与杭州市的城市用气调峰作为整体一起考虑，但由于《杭州市区燃气专项规划》(2006～2020)中并没有考虑到电厂的调峰，因此，需要对其可行性进行分析论证。在研究过程中采用TGNET软件对2012年、2013年、2015年、2020年管网的水力工况进行了动态模拟，本文仅对2012年的模拟过程进行分析说明。
3.1 管网模型的建立
    根据杭州市天然气高压管网建设进度，2012年高压管道全长约89km，管径均为D610×11.9。有两个气源点供气，下设10个高中压调压站供城市中压管网用气，考虑在气源点02建设约4.5km的高压燃气管道专线对电厂进行供气，为保证电厂的用气压力，在进城市高压管网的管道上设置了流量调节阀确保阀前压力满足电厂用气压力要求。管网模型如图1。

3.2 相关基础资料及约束性条件
    (1) 管网资料
管网各管道参数如表1所示。
表1 采用TGNET软件建立的管网模型图
管段编号
管径(mm)
管长(km)
管段编号
管径(mm)
管长(km)
管道01
610×11.9
7.4
管道08
610×11.9
5.2
管道02
610×11.9
9.1
管道09
610×11.9
7.4
管道03
610×11.9
6.98
管道10
610×11.9
5.4
管道04
610×11.9
9.7
管道11
610×11.9
8.3
管道05
610×11.9
0.5
管道12
610×11.9
9.4
管道06
610×11.9
10.O
管道13
610×11.9
0.3
管道07
610×11.9
10.0
管道14
610×11.9
4.5
    (2) 各用户24h用气量
用户01～用户10为供城市用户的高中压调压站，24h用气量按照杭州市历史统计资料和2012年规划总用气量进行计算求得，2020年计算范围内城市用户高峰日总用气量为262.9×104Nm3/d；用户11为供电厂用户，由于暂时没有准确的电厂用气曲线，根据与电厂设计单位的沟通及参照相似电厂的运行规律，按照管网最不利的情况考虑，14：00～21：00电厂按满负荷运行(小时用气量为6×104Nm3/h)，其余时间按照70%的负荷运行(小时用气量为4.2×104Nm3/h)。
    (3) 相关约束性条件
    两个气源点的供气压力均为3.6MPa，气源01最大小时供气能力为14×104Nm3/h；气源02最大小时供气能力为8×104Nm3/h，且按照总日供气量24h平均均匀供气。至用户11的最低压力不低于3.5MPa，至其余用户的最低压力不低于0.6MPa。
3.3 模拟计算结果
    为保证至用户11的最低压力不低于3.5MPa，模拟过程中对流量调节阀的参数进行了设置，确保其阀前压力不低于3.5MPa。各气源点及最不利用户(用户06)的48h流量-压力曲线如图2、图3、图4所示。从模拟计算结果可以看出，在增加电厂用气的情况下，2012年采用高压管道储气调峰能够满足要求，管网最不利点用户的最小运行压力为1.86MPa。
 

4 结束语
    通过上述实例分析可以看出，TGNET软件功能强大，使用方便，几乎可以处理天然气管道项目中所有的管道计算问题，对于高压管道的设计具有较大的帮助作用。利用动态模型可以直观的计算出各气源点和用户的流量、压力的动态变化规律，解决了一些常规计算方法无法计算的问题。另外，该软件还可以直接考察管网运行时各用户的供需平衡情况。这对传统的采用管网静态压差和管网水容积等参数来估算管道调峰储气的办法提出了挑战。
    随着“西气东输”、“川气东送”、“陕京线”工程的投产以及“西气东输二线”、“进口LNG”等工程建设步伐的加快，根据国家天然气利用政策，我国大部分省市已积极的开展了城市天然气利用工程的建设，不少城市都选择了高压管道储气作为城市调峰储气设施。在规划、设计过程中我们应该充分利用TGNET软件等一些国际上公认的、功能强大的计算软件来进行模拟计算，确保管道建设的经济性和可靠性。
参考文献
1 城镇燃气设计规范GB 50028-2006
2 输气管道工程设计规范GB 50251-2003
3 王松汉.石油化工设计手册[M].北京：化学工业出版社，2001
4 段常贵，王民生.燃气输配(第三版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2001
 
(本文作者：孙佩奇 刘文俊 潘文佳 孙荣泽 杭州市城乡建设设计院有限公司 310004)