浙江省多气源混合天然气管网稳态仿真研究

朱文君，程 佳，吴焕芬，黄震威

（1.中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310013）

目前，国际上通用的天然气管网模拟仿真软件主要以美国科学软件公司（简称SSI）推出的天然气集输管网瞬态模拟软件TGNET和美国Stoner公司开发的用于气体稳态管网设计的软件SWS和模拟长输管道动态工况的软件SPS［1］为主，兼有英国ATMOS公司开发的ATMOSTM GSIM 软件［2］和美国 Modisette Associates、All American Pipeline［3］等公司研发的相关天然气管网模拟仿真软件.国内还有如李长俊等人自行研制的气体管道静、动态仿真软件EGPNS［4］等.该类仿真软件多通过模拟各管网的正常工作状态，以确定最佳的管网设计方案，多仅关注了管道沿线的工况参数，尤其是压力的变化，而没有天然气的组分数据.Fluent是一个用于模拟和分析几何区域内流体流动现象的专用软件［5］，关注流场，通过使用Fluent仿真可以获得混合天然气在各交界管段的混合情况和出口的组分信息.

对于浙江省来说，其天然气一期主干线主要有西气、川气和东气三大气源.不同的气源天然气组分含量不同，在不同的工况下气流方向不断发生变化，由东西北三个方向进入我省后，混合情况复杂，给我省天然气能源监测带来了一系列困难.为了了解浙江省天然气管网多气源不同气质天然气混合的情况，关注不同出口处天然气的不同气质的组分分布，得到管网中未安装气质测定设备的那些地方的有关天然气气质数据信息，实现质量跟踪［6］，本文利用Fluent流体仿真软件，对浙江省管网的不同气质天然气混合情况进行模拟计算.

1 网格划分

在现实生活中，浙江省天然气管网模型十分复杂［7］，如图1.因为管网过长、管径相对较小，如果对整个管网采用1∶1仿真会导致网格数量巨大计算时间较长，收敛困难.

为了保证在收敛的同时得到更为精准的数据，本文对该管网模型进行了适当简化：由于是进行稳态仿真计算，对状态时间要求不高，且在一定长度的管道里已经可以保证不同气质的均匀混合，所以根据浙江省天然气管网规划图，按照浙江省天然气一期主干线线路，保持管径300mm不变，将管长以实图1∶4000缩小，使用AutoCAD软件生成数值模拟的二维模型图，导入Gambit进行计算区域离散化，划分网格.

图1 浙江省天然气管网规划图Figure 1 Natural gas pipeline network plans in Zhejiang province

经过简化合并，该模型共划分了3个进气口，11个出气口，如图2.3个进口分别为进气口1长兴站的西气，流量为69.3m3／s；进口2秀洲站的川气，流量为46.3m3／s；进口3春晓站的东气，流量为19.25m3／s.11个出气口分别为出口1湖州站、出口2安吉站、出口3余杭站、出口4桐乡站、出口5海宁站、出口6嘉兴站、出口7萧山站、出口8绍兴站、出口9上虞站、出口10余姚站和出口11镇海站.因为管长过长网格数量过大，无法一次性生成网格，因此将整个管网图分为各小管段依次划分，共生成网格结点约410多万个.网格类型为四边形非结构化网格，采用平铺方式划分.

图2 仿真模型Figure 2 Simulation model

2 参数计算与仿真模型

2.1 参数计算

2.1.1 体积分数、摩尔分数和质量分数间的换算

在计量参比条件（t2，p2）下，如果气体组成是以体积分数给出，可按下式将体积分数换算到摩尔分数［8］，对所有的组分j而言，如式（1）：

式（1）中xj为组分j的摩尔分数；φj为组分j的体积分数；Zj（t2，p2）为组分j在计量参比条件（t2，p2）下的压缩因子.

天然气组分的摩尔分数换算为质量分数，换算公式为式（2）：

式（2）中Xmi为天然气组分i的摩尔分数；XZi为天然气组分i的质量分数；Mi为天然气组分i的摩尔质量.

2.1.2 雷诺数Re的计算

雷诺数的计算在工程上常用计算如式（3）［9］：

式（3）中Qm为天然气质量流量，kg／h；D 为管道内径，mm；μm为天然气动力黏度，Pa·s.

2.2 仿真模型

本文进行Fluent仿真模拟计算的控制方程可以写成如等式（4）的统一形式，如式（4）［10］：

等式（4）左边为非定常项和对流项，右边为扩散项和源项.

式中，φ为通用变量；uj为速度分量；Γφ为广义扩散系数.

本文采用标准k－ε湍流模型，其主要是基于湍流动能和扩散率.k方程是精确方程，ε方程是由经验公式导出的方程.其湍流动能方程k和扩散方程ε分别为式（5）、（6）［11］：

式（5）（6）中，k为湍动能，ε为耗散比，vt为流体的湍流运动粘性系数，G为湍流生成项.

3 模拟计算

根据GB／T 22723—2008，天然气测量的标准参比条件为：大气压力为101.325kPa，环境温度为20℃.本论文中所用到的三个入口的不同天然气气质组分数据如表1，数据来自浙江省天然气公司组分分析仪记录表，通过在计量站安装在线色谱仪，用天然气采样器采集天然气样本，上传公司，得到数据.

表1 入口天然气气质组分表Table 1 Natural gas composition of inlet

读入网格文件，检查网格质量.根据仿真参数的求解结果，假设气体的流动参数不随时间变化，认为天然气在管内流动形式为稳态定常可压湍流流动.启动species transport ＆reaction方程［12］，选择全方位自由扩散、不发生化学反应，自动激活能量方程以启动传热计算，进一步进行边界条件设置.

边界条件设为质量流量入口.由于仅针对天然气门站前气体气质情况，不考虑加压后的变化，所以以固定压力设为出口.初始化全场，各方程均采用一阶差分迎风格式离散，压力场和速度场的耦合，初次迭代采用SIMPLE方法，迭代几步后转为SIMPLEC方法继续，残差精度设为0.0001，根据经验多次减小亚松弛因子，经800次迭代计算后，得到净流出报告为0.00018kg／s，小于总入口流量的0.5%，可认为迭代收敛.

观察净流出报告发现在出口3、7、8、9处混合情况不够理想，为了得到更为精准的组分混合数据，保持其它条件不变，取这几个出口处附近管路图进行局部建模，重新划分网格，模拟计算.局部的仿真模型网格图如图3，保持其它设置不变，继续仿真迭代求解.

图3 局部仿真网格图Figure 3 Partial simulation grid chart

4 仿真结果

作为一次大规模长输管道管网仿真模拟，由于网格数量巨大，管网过长管径相对较小，无法形象显示各气源天然气各组分在管网内的分布图.多次改变压力、动量等的亚松弛因子大小，控制解的收敛，采用输出出口组分分布图表的方法，得到各气源混合天然气在各出口处各组分的质量分数分布，如表2.

表2 未发生混合处各天然气组分质量分数分布表Table 2 Mass fraction distribution of natural gas in unmixed places %

观察数据发现，出口1、2与入口1处的天然气分布基本一致；出口4、5、6与入口2处的天然气分布基本一致；出口10、11与入口3处的天然气分布基本一致，没有发生混合.判断产生该情况的原因在于：出口1、2在入口1附近，距离入口2、3较远，天然气管道足够长，没有发生混合，所以该处只有入口1的气质起到作用；出口4、5、6由于在入口2在附近，只有入口2的气质起到作用；出口10、11在入口3附近，只有入口3的气质起到作用.在出口3、7、8、9四处，三种不同气质的天然气进行了很好充分混合，通过局部再次仿真，得到了3个混合处的不同气质天然气混合情况图，以甲烷为例，如图4、5.观察图4发现，出口3的天然气各组分质量分数介于入口1、2之间，与入口2的组分分布更为接近，主要受到入口2的影响较大；观察图5发现，出口7的天然气各组分质量分数同样介于入口1、2之间，但与入口1的组分分布更为接近，受到入口1的影响较大.

进一步观察出口处甲烷的质量分数分布，如图6，发现混合已经比较均匀.

图6 出口3、7甲烷质量分数分布Figure 6 Mass fraction distribution of methane in outlet 3 and 7

输出出口3、7、8、9处的组分数据，得到各出口处天然气组分质量分数如表3.

表3 发生混合处天然气各组分质量分数分布表Table 3 Mass fraction distribution of naturalgas in mixed places %

5 实验比对

通过在浙能天然气运行有限公司了解情况，把已布有气相色谱仪门站的气质信息且已上传到浙江省天然气能源网络化监测系统（图7）的站点气质组分数据作为实际数据，与管网仿真结果做比对，比对结果如表4.

图7 浙江省天然气管网系统Figure 7 Natural gas pipeline system in Zhejiang province

表4 仿真数据与实验数据对比（质量分数）Table 4 Comparison between simulation data and experimental data（mass fraction） %

通过把已采集到的安吉、下沙出口处实验数据与仿真得到的该出口处的气质组分数据对比发现，稳合性较好，说明通过进行Fluent仿真来做为气相色谱仪布点的依据具有一定的可行性，值得深入研究.

6 结 语

本次研究以管道上所有供气入口测定的气质数据为基础，通过利用Fluent对管网中天然气混合情况进行稳态模拟计算，共获得11个出口混合天然气的气质数据，并与已布有气相色谱仪门站采集到的数据进行了比对，为管网中未安装气质测定设备处的气相色谱仪的布点提供了依据.由于浙江省天然气一期主干线管网从西到东，横跨整个浙江省，管线很长，天然气输送从西入口到东出口需要耗费一定时间，本次研究仅以稳态为基础进行模拟计算，未能做到动态反应管网天然气混合的实时特性，笔者将在进一步的研究中继续讨论.

［1］Stoner Associates Inc.The Pipeline Simulator Family for Modeling Gas System［OB／OL］.（2003－12－19）［2005－04－15］.http：／／www.cqts.com／soft／html／1423.html.

［2］王建国.ATMOS模拟仿真系统在天然气管道的应用［J］.天然气技术，2008，2（4）：42－44.Wang Jianguo.The Application of ATMOS simulation system to natural gas pipeline［J］.Natural Gas Technology，2008，2（4）：42－44.

［3］李长俊，汪玉春，王元春.输气管道系统仿真技术发展状况［J］.管道技术与设备，1999，5：32－35.Li Changjun，Wang Yuchun，Wang Yuanchun.The development of gas pipeline system simulation technology［J］.Pipeline technology and equipment，1999，5：32－35.

［4］李长俊，曾自强.气体管网系统的仿真［J］.油气储运，1997，16（2）：21－25.Li Changjun，Zeng Ziqiang.The simulation of gas pipeline system［J］.Oil and Gas Storage and Transportation，1997，16（2）：21－25.

［5］于 勇，张俊明，姜连田.Fluent入门与进阶教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2008：24.

［6］全国天然气标准化技术委员会.GB／T 22723－2008天然气能量的测定［S］.北京：中国质检出版社，2008.CNGSTC.GB／T 22723－2008The measurement of natural gas energy［S］.Beijing：China Zhijian Publishing House，2008.

［7］吴焕芬，程 佳，李东升，等.基于网络平台的天然气能量计量方法研究［J］.传感器与微系统，2011，30（9）：21－24.Wu Huafen，Cheng Jia，Li Dongsheg，et al.Research on method of natural gas energy measurement based on network platform ［J］.Sensors and Micro System，2011，30（9）：21－24.

［8］国家质检总局.GB／T 11062－1998天然气发热量、密度、相对密度、和沃泊指数的计算方法［S］.北京：中国质检出版社，1998.AQSIQ.GB／T 11062－1998The calculation method of natural gas calorific capacity，density，relative density and Wobbe index［S］.Beijing：China Zhijian Publishing House，1998.

［9］魏凯丰，宋少英，张作群.天然气混合气体黏度和雷诺数计算研究［J］.计量学报，2008，29（3）：248－249.Wei Kaifeng，Song Shaoying，Zhang Zuoying.Research oncalculation of natural mix gas viscosity and reynolds number［J］.Measurement Journal，2008，29（3）：248－249.

［10］于洪喜，李振林，张 建，等.高含硫天然气集输管道泄漏扩散数值模拟［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2008，32（2）：119－121.Yu Hongxi，Li Zhenlin，Zhang Jian，et al.Numerical simulation of leakage and dispersion of acid gas in gathering pipeline［J］.Journal of China University of Petroleum：Edition of Social Sciences，2008，32（2）：119－121.

［11］Liang Jiana，Liang Guowei，Liang Huofeng.Numerical Simulation of the Double－cones Flow－meter on Its Expansibility Factor［M］.Switzerland：Advanced Materials Research，2011：301－303，847－852.

［12］Fluent Inc.FLUENT User's Guider［DB／OL］.（2003－06－12）［2003－09－21］.http：／／www.ansys.com.pdf.