天然气主干网沿程节点(进站点)压力计算

上海天然气管网有限公司 沈世杰

天然气主干网上的节点压力随时跟着管网用气量、管道中的流量在变化，夜高峰时段的这种变化程度尤为明显，调度人员就此用当时SCADA系统提供的数据与昨日对应的比对(SCADA系统提供的压力数据，都只是一个压力测量值，相互之间无关系)，或者是用总的小时供气量、用气量、输气管道储气变化量和管容等参数，作一些简单的计算，以此来判断下跌中的节点压力值正常与否。

水力计算是研究一定的输气管道的流量与压力之间的关系，按照这种关系，用计算得到的正确压力值与SCADA的压力测量值之间差值的大小对压力正常与否作判断，具有简单、直观、准确度较高优点。

1 输气管道压力计算公式

输气管道的水力计算基本公式是以质量守恒、动量守恒、能量守恒的气体在管道中流动的基本方程为基础，忽略一些对计算结果影响不大的因素变形、整理后得到的。

方程式成立的条件：

(1)一维流动，即管道截面上的压力、流速等参数分布均匀；

(2)稳定流动，即流动参数不随时间变化；

(3)等温，即埋地管道沿线温度变化小。

气体在管道中流动的基本方程式为：

式中：p—管道中气体压力，Pa；

x—沿管长变量，m；

ρ—气体的密度，kg/m3；

ν—气体的流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2；

θ—管道与水平面间的倾角，rad；

λ—水力摩阻系数；

D—管道内径，m；

Z—气体压缩系数；无因次；

T—管道中气体平均温度，K；

R—天然气的气体常数，m2/(s2·K)。

输气管道水力计算基本公式为：

把标准大气压p0= 101.325× 103Pa代入(4)式，把(4)式中的压力单位 Pa、流量单位 m3/s、管道内径单位m分别换算成Pa、m3/h、mm，去掉(4)式中的Z/Z0项(对计算结果影响不大)，变形、整理后得到如下高中压输气管道压力计算公式(换算过程略)。

式中：p求—管段终点(下游)或起点(上游)绝对压力，kPa；p求属终点(下游)时，取负运算符号，p求属起点(上游)时，取正运算符号；

p—管段起(上游)或终(下游)点绝对压力，kPa；

Q—天然气标准状况下体积流量，m3/h；

D—管道内径，mm；

ρ0—标准状态下天然气的密度，取0.78 kg/m3；

T—天然气的绝对温度，K；

T0—标准状态下天然气的绝对温度，取273 K；

L—管段长度，m；

λ—水力摩阻系数。

1.1 水力摩阻系数

输气管道压力计算结果正确与否，其中之一与选用的水力摩阻系数计算公式有密切关系(此类公式数量多，均属经验和半经验公式)。

水力摩阻系数与气体在管道中的流态、管内壁粗糙度、管的连接方法、安装质量以及气体的性质有关。它或者是雷诺数的函数 λ=f(Re)，或者是管内壁粗糙度得函数 λ=f(k/D)，或者同时是两者的函数λ=f(Re，k/D)。

1.1.1 雷诺数

流态用雷诺数Re表示，计算公式为：

式中：Q—输气管道流量，m3/s；

D—管道内径，m；

ν—气体的运动粘度，m3/s。把(6)式中的流量单位 m3/s、管道内径单位 m分别换算成m3/h、mm，整理后得

1.1.2 流态划分

Re＜2 000，流态为层流，主要表现为流体质点是摩擦和变形，且平行于管轴作有规则的运动。

Re＞3 000，流态为紊流，主要表现为流体质点是互相撞击和掺混，且向周围作紊乱地扩散运动。紊流又分为三个区：

(1)3 000＜Re＜Re1为光滑区。Re1为光滑区至混合摩擦区的边界雷诺数。

式中：k—管壁绝对当量粗糙度，mm。

(2)Re1＜Re＜Re2为混合摩擦区。Re2为混合摩擦区至阻力平方区的边界雷诺数。

(3)Re＞Re2为阻力平方区。

2 000＜Re＜3 000，流态为临界区。流体从层流转变为紊流的过渡状态，运动状态极不稳定。

干线输气管道的雷诺数高达 106~107，高中压输气管道的流态主要处于混合摩擦区和阻力平方区。

1.1.3 水力摩阻系数λ的计算公式

主干网节点压力计算应用到的水力摩阻系数计算公式分别为：

主干网管段临港门站到奉贤清管站用λ2；平板站到 MVC32用 λ4；浦星门站到MVC32用λ3；HVC21到上焦站，管段小时流量大于8万m3用λ4，小于等于8万m3用λ1；其余的均用λ1。

1.2 管段流量

1.2.1 管段流量计算基本公式

相连的两个节点之间的管段流量，满足质量守恒定律，即流入管段的流量Q入等于用户流量q(或称途泄流量)、流出管段的流量Q出(或称转输流量)、管段储气变化量△Vs之和，即：

当小时时段主干网压力稳定不变时，即对应的供气量等于用气量时，可将上述的△Vs去掉，直接套用电学中的节点电流定律，就可得到比较简单的管段流量计算式。一天24 h中，大多数小时时段，主干网压力都处于上下波动之中，夜高峰和凌晨时段，6.0 MPa管网压力常常 1 h内可下跌和上升0.1~0.2 MPa，相当于△Vs量±(11~22)万m3。计算表明，有△Vs和无△Vs的节点压力计算结果差异较大，尤其是进行压力接力计算时(取一个已知气源点压力，算沿程p1，p2，…，pn节点压力)，到最后一个节点，积累误差值很大。△Vs单管段计算方法比总管段计算后平分的方法正确性要高，因为对于长输管道，管段之间，起点与终点的压力变化量不是等量关系。

△Vs计算公式为：

式中：Vr—管道几何容积，m3；

pcp当—当前小时管道平均压力(绝)，MPa；pcp上—上1小时管道平均压力(绝)，MPa；p0—标准大气压，取p0=0.1 MPa；

Z当—相应于pcp当的当前小时压缩系数；Z上—相应于pcp上的上1小时压缩系数；T—天然气的绝对温度，K。

管道平均压力 pcp、压缩系数 Z计算公式分别为：

式中：pQ—管道起点压力(绝)，MPa；

pZ—管道终点压力(绝)，MPa；T—天然气的绝对温度，K；

△—天然气的相对密度，取△=0.6。式(15)适用于管段流量在50万m3/h以下的管

段储气变化量计算。

1.2.2 管段流量计算式

天然气主干网是由多个气源点的枝状管道和环状管道构成。管网形状不同，管段流量算法也不同。下面由简单到复杂，分别列出与天然气主干网相关的各种管网形状的管段流量计算式。

1.2.2.1 枝状单气源

图1 枝状单气源输气管道示意

1.2.2.2 枝状双气源

图2 枝状双气源输气管道示意

由两个方向供气的节点用户，其可能性(1)单独由q1或q6供气；(2)同时由q1和q6供气。

供气方式不同，与该节点相连的管段流量算法也不同，主要涉及到ΔVs的选法。应用Excel逻辑函数IF(IF：执行真假值判断，根据逻辑计算的真假值，返回不同结果)，列一个管段流量计算式，即能满足上述三种可能性的计算。

1.2.2.3 枝状三气源

图3 枝状三气源输气管道示意

Q1~2、Q5~10计算方法与对应位置的图1~2相同。

1.2.2.4 环状多气源(环状输气管道的直径相同)

图4 环状多气源输气管道示意

式中：Q—左半环流量

以上算法，适用于各用户流量中，q4流量为最大的管段流量计算（在环状输气管道中，根据流动连续性，最大用气点最有可能与最低压力点相合）。若是 q5最大，把上面a、b、c式中的项号都改为正号，Q分别改1~7

为：

若是q3最大，算法基本与上述的相同。

在一个环状输气管道中，最大用气点的位置随时间发生变化时，需将对应的管段流量计算结果按编号对应合并，方法如下：

(1)q4最大：

则：

(2)q5最大：

设C =IF(max(q4, q5) =q5,3,0)

则：

把q4最大和q5最大中的Q1~7计算结果按编号对应相加后输出即可。

max—Excel最大值函数。

2 输气管道压力计算方框图

输气管道压力计算方框图见图5。

图5 输气管道压力计算方框图

对方框图作如下简述：

(1)取SCADA汇总1、汇总2查询数据，即复制、粘贴。

(2)取来数据按压力级制高到低和站点所处管道位置前与后重新排序，其一：容易找到要取的数据，其二：一个查询数据，取处较多，当 SCADA数据位置改变时，只需对应跟改一处即可。

(3)到数据排序中取压力p、流量q数据，计算管段储气变化量ΔVs和管段流量 Q(Q有正负值区分，负值表示枝状管道中，流入管段的流量大于用户流量，或者是环状管道中的管段流量设定方向与实际的相反)。

(4)用逻辑函数IF，以Q正负值为设定条件，选择对应的输气管道压力计算公式。

(5)选中的输气管道压力计算公式取压力、管段流量、管长、管径、温度、水力摩阻系数数据后计算输出。(输气管道压力计算公式中的流量 Q不能为负数，用Excel绝对值函数ABS取正)。

(6)算法分两种：①取已知 p1，算 p2，取已知p2，算p3，…，取已知pn-1，算pn；②取已知p1，算p2、p3、…、pn。

3 压力计算值与SCADA压力测量值比对

应用上述的输气管道压力计算方法和Excel数据处理软件，对以前和现在的天然气主干网进行沿程节点压力计算，其用气量大的冬季和夏季时段的计算值与SCADA对应的测量值之间的差值，不超过±0.05 MPa的，约占90%以上。对于过去出现过的主干网上主阀门误动作关闭时段相关的节点压力计算比对，两者之差，超过±0.05 MPa(差值超过±0.05 MPa的，未必就是主阀误关，压力变送器值漂移不准，流量数据上传丢失不准，管道破裂泄漏和私开头子偷气等都有可能使差值超过±0.05 MPa，目前尚无故障诊断配套软件)。

4 结论

天然气主干网沿程节点压力计算软件，可供调度人员在工作中使用，提供有参考价值的压力比对结果，利用它再结合调度人员的分析，可比较准确地判断主干网运行工况正常与否。在计算中，选用最多的是计算公式(5)配上公式(10)，此式适用于管道中的气体处于雷诺数不太大的混合摩擦区和阻力平分区的节点压力计算；公式(5)配上公式(11)，适用于管道中的气体处于雷诺数较大的阻力平分区的节点压力计算；临港首站小时流量在 70~100万m3/h时(2010年8月10日、12日、16日，洋山LNG进行大流量供气试验)，其压力计算值与压力测量值之间的差值较大，有待进一步深入研究和摸索。