天然气混输管网热值波动过程模拟

潘国君，郭开华，王冠培，梁金凤

（中山大学工学院，广东 广州510006）

引 言

天然气作为清洁能源在我国得到迅猛发展，2012年我国天然气消费量达1438亿立方米，同比增长10.2%［1］。天然气发电作为一种新型、清洁、高效的能源在国内外受到极大重视，特别是在燃气发电当中。在国外天然气发电装机容量已经接近或者超过常规的水、火电装机容量；在国内天然气发电虽刚刚起步，但天然气发电的优点也得到了国家和民众的认识与重视，特别是广东地区，随着多方位多气源局面的形成［2］，LNG项目逐步发展，燃气发电用气量也在逐步增加［3］。

国内天然气气源种类繁多，多气源接入同一管网系统的格局逐步形成，对下游用户的安全、高效运行提出了新的挑战。相较于民用用户，工商业用户对气质质量具有更高的要求。以燃气电厂为例，一般燃气电厂常用的燃气机组有E级和F级，E级机组运行中热值允许变化速率要求在0.1%·s－1之内且热值波动范围≤±5%，F级机组运行中热值允许变化速率要求在4%·min－1之内且热值波动范围≤±2%。目前研究表明，国内现阶段的气源之间均要求满足热值范围的互换要求［4］。但对于两种满足互换要求的气源进行相互替换时造成的热值波动速率能否达到燃气机组的运行要求，则需要进一步研究。

本研究是在中山大学－BP液化天然气教育培训与研究中心燃气混输管网动态仿真平台［5］的基础上建立了天然气混输管网气质质换情况下的仿真模型，可以计算气质质换后下游各位置的热值变化及热值变化率情况，为下游工商业用户提供参考。

1 混输管网热值波动仿真模型

混输管网热值波动一般是由不同热值的气体质换造成的。气质质换指的是两种不同气质的可互换气源替换时的气质瞬变过程。对于质换型混输管网，热值的波动与质换气体的热值变化、管道输气流量、管道的几何尺寸、流速、气质传递特性等相关。对于一个混输管网，任何一点的热值波动取决于该点到气质质换点路由的各段管道的流动和气质传递特性。以图1所示的支状管网为例，对于任意节点k，该点到质换点的路由管线由k段管道组成，各管道之间通过节点进行连接，管网中任意节点的热值变化由气质质换点的热值波动及i＝1～k的k段管道的流动性质和气质传递特性决定。

图1 支状混输管网仿真模型平面拓扑Fig.1 Topology of mixing pipeline network

文献 ［6］通过CFD数值模拟和理论分析相结合的方法给出了气源质换条件下单根管道的气质扩散及热值波动规律，其中包括管道内不同位置处热值变化率及热值变化的数学表达式。对于定常流动的单根气质质换管道而言，管内天然气气质浓度及其燃气热值的变化规律遵循沿轴向一维瞬变热质扩散的一般规律和基本方程［7］。气质质换时，流动介质中组分沿管的轴向的瞬变质量扩散问题可以等效为一个匀速运动的观测者在混气交界面处所观测到的平均流动为零的轴向瞬变质量对流扩散问题［8－9］。管道内的气质浓度及燃气热值随时间变化规律满足正态概率积分函数，即误差函数［6］。

对于图1所示的支状质换型燃气混输管网而言，任意节点k处的热值变化及其热值变化速率可分别由式 （1）和式 （2）决定

式中，Hk为节点k处的热值；Hs为质换气的热值，Hr为被质换气的热值，H0为Hs和Hr的平均值；uk为第k段管的气体流速；xk为节点k到气质质换点的距离，由k点到气质质换点的路由管线决定；t为从气质质换开始到当前的时间；t＊为等效预混时间，其大小与气质质换点的管路结构和切换时间等因素相关；Dm，eff，k为节点k处的平均有效质扩散系数，与节点k到气质质换点的路由管线及各管道流动特性相关。

式中，Dm，eff，i为节点前路由第i根管道的有效质扩散系数，与 Reynolds数相关［10－12］，文献 ［6］给出了具体表达式：

式中，ν为气体运动黏度。

任意时刻气质质换交界面的位置x0（t）与到气质质换点的管道路由中不同管路的流速和几何尺寸相关。气质交界面到达任意节点j的时间可由式（6）确定

对于节点k，当j≤k且tj－1＜t≤tj时，气质交界面到气质质换点的距离x0（t）可由式 （7）确定

当t＞tk时则

2 实例仿真分析及结果

某干线管网由20个分输站组成，全长441km，运行压力8MPa以上，燃气经过各个分输站输送给电厂及商业用户，气源入口为管网唯一供气气源，其管网拓扑如图2所示。气源供应两种气质的天然气，分别为热值Hs＝38.8MJ·m－3（标况状况，下同）的澳大利亚气和Hr＝37.6MJ·m－3的卡塔尔气，在t＝0时刻发生由卡塔尔气到澳大利亚气的质换过程。管网用气负荷一般是在平均负荷附近波动，因此管网给定各节点日平均小时流量作为边界条件进行计算，见表1，并取预混时间t＊＝20s。

表1 各节点外输流量Table 1 Outflow of nodes

当某节点热值与被质换气热值不同时，认为该节点热值开始发生变化，以每一节点开始变化的时间为起始点，令这一时刻为t′＝0，得到图3的各节点热值变化曲线。可以看出，经过一段时间之后，各节点均完成由卡塔尔气质换到澳大利亚气的过程，在气质质换开始和结束阶段变化较缓，中间较陡。各节点完成质换的时间不一样，热值变化速率也不一样。完成质换的时间越长，热值变化越慢，反之越快。

图2 某市管网拓扑图Fig.2 Topology of city pipeline network

图3 各节点热值变化曲线Fig.3 Heating value of each node

每个节点由于与气源距离和各管道流量的不同，气质变化速率最大的时间也不一样。表2给出了每个节点从气源开始质换到热值变化速率最大时的时间。

表2 各节点最大热值变化率时间Table 2 Minutes to reach max heating value rate

图4给出了各节点的热值变化率曲线。可以看出，随着节点与气源点距离的增加，气质变换的时间随之增加，节点热值变化率先逐渐增加后逐渐减小。最大热值变化率同节点与气质质换点的距离有关，一般而言距离越远最大热值变化率越小。

图4 各节点热值变化率Fig.4 Heating value rate of each node

表3 各节点最大相对热值变化率Table 3 Max relative heating value rate of nodes

对于一般燃气电厂常用的E级和F级机组，允许的热值 （或沃泊数）变化范围分别为±5%和±2%，同时允许的变化速率分别为0.1%·s－1和4%·min－1，由此可得相对热值允许变化速率分别为0.02s－1和0.033s－1。从图4可以得出每个节点的最大相对热值变化率，见表3。

由表3可以看出，除了福华德电厂外，其他节点均在燃气机组热值变化速率允许范围之内，气质质换不会对其产生影响。福华德电厂由于距离气质质换点较近，在该处的相对热值变化速率已经大于E级机组所允许的热值变化速率，因此在气质质换时要采取一定的措施。

3 结 论

混输管网热值波动一般是由质换两种不同气质的天然气引起的。本研究建立了气质质换情况下混输管网热值波动的仿真模型，模拟了燃气气质过程中混输管网不同位置处的热值及热值变化率的情况，通过实例工况的模拟验证此仿真模型能很好地满足设计的要求，可以分析质换型天然气混输管网在不同流量、不同位置处的热值变化情况，为下游工商业用户提供参考，具有实际应用价值。

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