动态模拟在多气源多用户管道储气调峰中的应用

操泽

摘 要：管道储气调峰方式有许多种。其中，末段储气调峰是非常重要的一种调峰方式。目前，工程上经常使用稳态计算方法对末段储气量进行估算，但是由于管道储气过程的复杂性，以及工业用户间歇性用气，稳态结果往往存在偏差。针对某实例管道，分别进行了管道末段储气能力稳态计算与动态计算，结果表明，动态模拟下管道储气量最大时刻滞后于稳态模拟，储气量也大于稳态模拟。

关 键 词：储气调峰；动态模拟；末段储气

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2349-03

Dynamic Simulation on the Gas Storage and Peak Shaving of Gas Pipeline

CAO Ze

（China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102200，China）

Abstract： The method of gas storage and peak shaving of gas pipeline is various. Gas storage and peak shaving in end section is one of these methods. At present， the steady-state simulation is often used to estimate gas storage capacity of the end section in the engineering. But there is a deviation in the results of the steady-state simulation because of the complexity of the pipeline gas storage process and the intermittency of using gas. In this paper， steady-state calculation and dynamic calculation were performed for the gas storage in end section of gas pipeline. The results show that the time of the maximum gas storage capacity obtained by the dynamic simulation lags behind that obtained by the steady-state simulation， and the gas storage capacity obtained by the dynamic simulation is greater than that obtained by the steady-state simulation.

Key words： Gas storage and peak regulation；Dynamic simulation； End pipeline gas storage

天然气是一种清洁能源，世界上越来越多的人们开始使用天然气来替代其他能源，城市居民用户与工业用户用气量迅速增加。城市天然气用量是在不断变化的，冬季用气量大，夏季用气量小，一月中每日的用气量、一日中每小时的用气量都不尽相同。但是，为了保证供气平稳可靠，气源供气量和供气压力都是一段时间内稳定不变的，这就存在着用气量的供求不平衡问题。为保证用户连续用气，解决气源供气与用户用气的平衡问题，合理确定储气调峰措施非常必要。

1 调峰措施

（1）天然气地下储气库调峰

地下储气库利用处于较深地层的封闭地质构造储气，具有库容大、安全性好、储转费用低等优点，是目前国内外天然气输气系统保证安全平稳供气的主要手段之一。地下储气库一般建立在城市、工业用户的附近，以方便进行调峰，保证下游用户用气的稳定性。

（2）液化天然气调峰

液化天然气（LNG）调峰主要为了调节下游用户日、月不均衡用气，LNG调峰是在LNG站中安装LNG地温罐储存LNG来进行调峰[1]。与其他调峰设施相比，LNG储罐调峰具有快速灵活、高安全性、操作成本低等特点。与地下储气库相比，在用气低谷期时，长输管道中天然气不通过液化进入LNG站，LNG是通过其他途径来进行补充的。在用气高峰期，管网压力下降到一定程度是，LNG调峰站开始工作，LNG通过气化器气化后输入天然气管网。

（3）管道调峰

天然气管道调峰分为管道末端储气调峰与城市高压管网调峰。天然气长输管道自身具有一定的容积，天然气本身也具有良好的压缩性。在输气过程中，末段输气管道的终点压力可以在一定的范围内波动，且不会对输气管道的整体输气量产生明显的影响。在用气低谷期时，供气量大于用气量，富裕的天然气在管道末段储存下来；在用气高峰期时，气源供气量的不足可由管道末段储存的天然气进行补充。对于城市高压天然气管网，其调峰模式与天然气长输管道末端储气调峰原理相似，只不过城市管网对用户用气量的不均衡性反映更及时，调节更迅速[2]。由于天然气长输管道和城市管网的储气规模有限，其主要用于城市小时调峰和日调峰。

（4）气田调峰

气田调峰是通过暂时提高上游气田产量，增加输入天然气管网内的气量来进行调峰的，此类调峰气田与一般常规气田相比，其开发成本较低。但是由于气田本身存在的局限性，在生产、调峰过程中存在一定的危险因素[3]。例如，当调峰气田长时间停产之后，再次恢复生产时，对于井下、地面集输设备来说是不小的考验；一般来说，气田的开发都是连续稳定的生产方式，而调峰气田需要进行间歇性生产，这种生产方式会大大增加对气藏变化的认识难度，需要重新研究开发方案，重新设计开采方式。

（5）液化石油气调峰

在冬季，城市用气量相当大，在条件允许的情况下可采用液化石油气（LPG）调峰。夏季时将富裕的LPG进行储存，储存方式可以采用带压储存，或者-40 ℃下常压储存；冬季时通过成品油管道或者罐车将液化石油气输送至需要的城市。

（6）储气罐调峰

储气罐调峰是地面设备储气调峰的主要方式，主要调节城市用户日不均匀用气和小时不均匀用气。储气罐根据工作压力大小可分为高压罐和低压罐，根据类型可分为圆筒型罐和球罐。与圆筒型储罐相比，高压球形罐具有耐高压、节约土地资源、投资成本少、储气量高[2]等优点，在世界各国广泛应用。

（7）管束调峰

高压管束是一种高压管式储气罐，直径一般为400 mm至500 mm，耐高压。管束调峰是将一组或几组高压管束埋在地下，根据天然气的可压缩性进行储气[3]。这种储气方式优点是调度灵活方便，缺点是占地面积大，钢材投入较大。

2 管道储气调峰方法与算例

图1 YTW输气管道总体框图

Fig.1 The abridged general view of YTW gas pipeline

某多气源多用户天然气管道系统布如图1所示。该管道总长467 km，输气规模94.88×108 m3/a，设计压力6.3 MPa。整个管道系统有4个气源（S1、S2、S3和S4），16个分输站场。其中S4为LNG调峰气源，其余气源都均衡供气。管道干线、支线采用直径为813 mm和457 mm的管道。

针对该管道系统利用管道储气进行调峰，调峰周期为24 h。管道共有16个分输站场，其中F16为电厂专用分输站，每日8∶00至18∶00用气，18∶00至次日8∶00停止用气。F1至F15为城市用户分输站。

（1）稳态计算方法

稳态法为比较粗略的计算方法。城市昼夜用气量随时间变化曲线如图2所示。图中a、b两点的城市门站用气量等于管道干线供气量。从b点开始，管道供气量大于城市门站用气量，管道开始储气，储气状态一直持续到次日a为止。在a点以后，城市门站用气量大于管道内天然气流量，管道储气量降低。所以，b点为管道储气开始时间，a点为结束时间。

图2 昼夜用气量随时间变化曲线

Fig.2 Flow curve in 24 hours

（2）动态计算方法

天然气管道系统正常运行时，下游用户用气量随时间不断变化，管道中天然气处于不稳定流动状态[4]。动态分析方法就是将天然气管道的动态运行过程用数学物理方法进行精确描述，并通过计算机实现。在进行动态模拟时，管道系统首末段需要给出流量以及最高、最低压力；初始条件的选择十分重要，一般来说采用稳态模拟结果；边界条件按各分输站随时间变化情况进行设置，在24 h内周期变化。动态模拟结果如图3所示，整个管道中天然气管存量是时刻变化的，储气量最大时刻出现在7∶14时刻，管存量1 202×104 m3；储气量最小时刻出现在21∶05时刻，管存量1 046×104 m3。因此，管道最大储气量为156×104 m3。

图3 管道储气量动态模拟曲线

Fig.3 Gas storage capacity curve

4 结 论

（1）在进行稳态计算时，7∶00时刻管道平均流量大于用气量，此时开始储气；21∶00时刻平均流量小于用气量，此时储气结束，两者管存量之差即为管道最大储气量，为132.46×104 m3。在进行动态计算时，考虑了电厂用户周期性用气，以及管道首末段压力传播时差效应，储气量最大时刻出现在7∶14时刻，管存量1 201.1×104 m3；储气量最小时刻出现在21∶05时刻，管存量1 046.3×104 m3。管道最大储气量为154.8×104 m3。

（2）根据上述稳态、动态计算中储气量最大、最小时刻，动态模拟中储气高峰与低谷期是滞后于稳态模拟的[5]。这是因为，在实际过程中，管道中气体压力传播是需要时间的，当天然气管道下游分输站用气量变化时，管道终点压力与起点压力相比具有滞后性。当管道末站压力达到最大时，首站压力还在持续上升，此时管道继续储气，而末站压力已经开始下降，直到管存量达到最大，然后首站压力随末站开始下降，管道储存的天然气开始释放，进入“放气”过程。因此，在进行动态模拟时管道达到最大储气状态时间滞后于稳态模拟，储气量大于稳态计算结果。

管道末段储气是进行小时调峰的一种非常重要的调峰方式，为了更加准确的计算储气量和储气状态，必须进行动态计算以保证用户用气需求。

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