上海天然氣管網(wǎng)有限公司 沈世杰

天然氣主干網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)壓力隨時(shí)跟著管網(wǎng)用氣量、管道中的流量在變化，夜高峰時(shí)段的這種變化程度尤為明顯，調(diào)度人員就此用當(dāng)時(shí)SCADA系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)與昨日對(duì)應(yīng)的比對(duì)(SCADA系統(tǒng)提供的壓力數(shù)據(jù)，都只是一個(gè)壓力測(cè)量值，相互之間無(wú)關(guān)系)，或者是用總的小時(shí)供氣量、用氣量、輸氣管道儲(chǔ)氣變化量和管容等參數(shù)，作一些簡(jiǎn)單的計(jì)算，以此來(lái)判斷下跌中的節(jié)點(diǎn)壓力值正常與否。

水力計(jì)算是研究一定的輸氣管道的流量與壓力之間的關(guān)系，按照這種關(guān)系，用計(jì)算得到的正確壓力值與SCADA的壓力測(cè)量值之間差值的大小對(duì)壓力正常與否作判斷，具有簡(jiǎn)單、直觀、準(zhǔn)確度較高優(yōu)點(diǎn)。

1 輸氣管道壓力計(jì)算公式

輸氣管道的水力計(jì)算基本公式是以質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒的氣體在管道中流動(dòng)的基本方程為基礎(chǔ)，忽略一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的因素變形、整理后得到的。

方程式成立的條件：

(1)一維流動(dòng)，即管道截面上的壓力、流速等參數(shù)分布均勻；

(2)穩(wěn)定流動(dòng)，即流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化；

(3)等溫，即埋地管道沿線溫度變化小。

氣體在管道中流動(dòng)的基本方程式為：

式中：p—管道中氣體壓力，Pa；

x—沿管長(zhǎng)變量，m；

ρ—?dú)怏w的密度，kg/m3；

ν—?dú)怏w的流速，m/s；

g—重力加速度，m/s2；

θ—管道與水平面間的傾角，rad；

λ—水力摩阻系數(shù)；

D—管道內(nèi)徑，m；

Z—?dú)怏w壓縮系數(shù)；無(wú)因次；

T—管道中氣體平均溫度，K；

R—天然氣的氣體常數(shù)，m2/(s2·K)。

輸氣管道水力計(jì)算基本公式為：

把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0= 101.325× 103Pa代入(4)式，把(4)式中的壓力單位 Pa、流量單位 m3/s、管道內(nèi)徑單位m分別換算成Pa、m3/h、mm，去掉(4)式中的Z/Z0項(xiàng)(對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大)，變形、整理后得到如下高中壓輸氣管道壓力計(jì)算公式(換算過(guò)程略)。

式中：p求—管段終點(diǎn)(下游)或起點(diǎn)(上游)絕對(duì)壓力，kPa；p求屬終點(diǎn)(下游)時(shí)，取負(fù)運(yùn)算符號(hào)，p求屬起點(diǎn)(上游)時(shí)，取正運(yùn)算符號(hào)；

p—管段起(上游)或終(下游)點(diǎn)絕對(duì)壓力，kPa；

Q—天然氣標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積流量，m3/h；

D—管道內(nèi)徑，mm；

ρ0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的密度，取0.78 kg/m3；

T—天然氣的絕對(duì)溫度，K；

T0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的絕對(duì)溫度，取273 K；

L—管段長(zhǎng)度，m；

λ—水力摩阻系數(shù)。

1.1 水力摩阻系數(shù)

輸氣管道壓力計(jì)算結(jié)果正確與否，其中之一與選用的水力摩阻系數(shù)計(jì)算公式有密切關(guān)系(此類(lèi)公式數(shù)量多，均屬經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式)。

水力摩阻系數(shù)與氣體在管道中的流態(tài)、管內(nèi)壁粗糙度、管的連接方法、安裝質(zhì)量以及氣體的性質(zhì)有關(guān)。它或者是雷諾數(shù)的函數(shù) λ=f(Re)，或者是管內(nèi)壁粗糙度得函數(shù) λ=f(k/D)，或者同時(shí)是兩者的函數(shù)λ=f(Re，k/D)。

1.1.1 雷諾數(shù)

流態(tài)用雷諾數(shù)Re表示，計(jì)算公式為：

式中：Q—輸氣管道流量，m3/s；

D—管道內(nèi)徑，m；

ν—?dú)怏w的運(yùn)動(dòng)粘度，m3/s。把(6)式中的流量單位 m3/s、管道內(nèi)徑單位 m分別換算成m3/h、mm，整理后得

1.1.2 流態(tài)劃分

Re＜2 000，流態(tài)為層流，主要表現(xiàn)為流體質(zhì)點(diǎn)是摩擦和變形，且平行于管軸作有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。

Re＞3 000，流態(tài)為紊流，主要表現(xiàn)為流體質(zhì)點(diǎn)是互相撞擊和摻混，且向周?chē)魑蓙y地?cái)U(kuò)散運(yùn)動(dòng)。紊流又分為三個(gè)區(qū)：

(1)3 000＜Re＜Re1為光滑區(qū)。Re1為光滑區(qū)至混合摩擦區(qū)的邊界雷諾數(shù)。

式中：k—管壁絕對(duì)當(dāng)量粗糙度，mm。

(2)Re1＜Re＜Re2為混合摩擦區(qū)。Re2為混合摩擦區(qū)至阻力平方區(qū)的邊界雷諾數(shù)。

(3)Re＞Re2為阻力平方區(qū)。

2 000＜Re＜3 000，流態(tài)為臨界區(qū)。流體從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯倪^(guò)渡狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)極不穩(wěn)定。

干線輸氣管道的雷諾數(shù)高達(dá) 106~107，高中壓輸氣管道的流態(tài)主要處于混合摩擦區(qū)和阻力平方區(qū)。

1.1.3 水力摩阻系數(shù)λ的計(jì)算公式

主干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算應(yīng)用到的水力摩阻系數(shù)計(jì)算公式分別為：

主干網(wǎng)管段臨港門(mén)站到奉賢清管站用λ2；平板站到 MVC32用 λ4；浦星門(mén)站到MVC32用λ3；HVC21到上焦站，管段小時(shí)流量大于8萬(wàn)m3用λ4，小于等于8萬(wàn)m3用λ1；其余的均用λ1。

1.2 管段流量

1.2.1 管段流量計(jì)算基本公式

相連的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的管段流量，滿足質(zhì)量守恒定律，即流入管段的流量Q入等于用戶(hù)流量q(或稱(chēng)途泄流量)、流出管段的流量Q出(或稱(chēng)轉(zhuǎn)輸流量)、管段儲(chǔ)氣變化量△Vs之和，即：

當(dāng)小時(shí)時(shí)段主干網(wǎng)壓力穩(wěn)定不變時(shí)，即對(duì)應(yīng)的供氣量等于用氣量時(shí)，可將上述的△Vs去掉，直接套用電學(xué)中的節(jié)點(diǎn)電流定律，就可得到比較簡(jiǎn)單的管段流量計(jì)算式。一天24 h中，大多數(shù)小時(shí)時(shí)段，主干網(wǎng)壓力都處于上下波動(dòng)之中，夜高峰和凌晨時(shí)段，6.0 MPa管網(wǎng)壓力常常 1 h內(nèi)可下跌和上升0.1~0.2 MPa，相當(dāng)于△Vs量±(11~22)萬(wàn)m3。計(jì)算表明，有△Vs和無(wú)△Vs的節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算結(jié)果差異較大，尤其是進(jìn)行壓力接力計(jì)算時(shí)(取一個(gè)已知?dú)庠袋c(diǎn)壓力，算沿程p1，p2，…，pn節(jié)點(diǎn)壓力)，到最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，積累誤差值很大。△Vs單管段計(jì)算方法比總管段計(jì)算后平分的方法正確性要高，因?yàn)閷?duì)于長(zhǎng)輸管道，管段之間，起點(diǎn)與終點(diǎn)的壓力變化量不是等量關(guān)系。

△Vs計(jì)算公式為：

式中：Vr—管道幾何容積，m3；

pcp當(dāng)—當(dāng)前小時(shí)管道平均壓力(絕)，MPa；pcp上—上1小時(shí)管道平均壓力(絕)，MPa；p0—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取p0=0.1 MPa；

Z當(dāng)—相應(yīng)于pcp當(dāng)?shù)漠?dāng)前小時(shí)壓縮系數(shù)；Z上—相應(yīng)于pcp上的上1小時(shí)壓縮系數(shù)；T—天然氣的絕對(duì)溫度，K。

管道平均壓力 pcp、壓縮系數(shù) Z計(jì)算公式分別為：

式中：pQ—管道起點(diǎn)壓力(絕)，MPa；

pZ—管道終點(diǎn)壓力(絕)，MPa；T—天然氣的絕對(duì)溫度，K；

△—天然氣的相對(duì)密度，取△=0.6。式(15)適用于管段流量在50萬(wàn)m3/h以下的管

段儲(chǔ)氣變化量計(jì)算。

1.2.2 管段流量計(jì)算式

天然氣主干網(wǎng)是由多個(gè)氣源點(diǎn)的枝狀管道和環(huán)狀管道構(gòu)成。管網(wǎng)形狀不同，管段流量算法也不同。下面由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，分別列出與天然氣主干網(wǎng)相關(guān)的各種管網(wǎng)形狀的管段流量計(jì)算式。

1.2.2.1 枝狀單氣源

圖1 枝狀單氣源輸氣管道示意

1.2.2.2 枝狀雙氣源

圖2 枝狀雙氣源輸氣管道示意

由兩個(gè)方向供氣的節(jié)點(diǎn)用戶(hù)，其可能性(1)單獨(dú)由q1或q6供氣；(2)同時(shí)由q1和q6供氣。

供氣方式不同，與該節(jié)點(diǎn)相連的管段流量算法也不同，主要涉及到ΔVs的選法。應(yīng)用Excel邏輯函數(shù)IF(IF：執(zhí)行真假值判斷，根據(jù)邏輯計(jì)算的真假值，返回不同結(jié)果)，列一個(gè)管段流量計(jì)算式，即能滿足上述三種可能性的計(jì)算。

1.2.2.3 枝狀三氣源

圖3 枝狀三氣源輸氣管道示意

Q1~2、Q5~10計(jì)算方法與對(duì)應(yīng)位置的圖1~2相同。

1.2.2.4 環(huán)狀多氣源(環(huán)狀輸氣管道的直徑相同)

圖4 環(huán)狀多氣源輸氣管道示意

式中：Q—左半環(huán)流量

以上算法，適用于各用戶(hù)流量中，q4流量為最大的管段流量計(jì)算（在環(huán)狀輸氣管道中，根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性，最大用氣點(diǎn)最有可能與最低壓力點(diǎn)相合）。若是 q5最大，把上面a、b、c式中的項(xiàng)號(hào)都改為正號(hào)，Q分別改1~7

為：

若是q3最大，算法基本與上述的相同。

在一個(gè)環(huán)狀輸氣管道中，最大用氣點(diǎn)的位置隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，需將對(duì)應(yīng)的管段流量計(jì)算結(jié)果按編號(hào)對(duì)應(yīng)合并，方法如下：

(1)q4最大：

則：

(2)q5最大：

設(shè)C =IF(max(q4, q5) =q5,3,0)

則：

把q4最大和q5最大中的Q1~7計(jì)算結(jié)果按編號(hào)對(duì)應(yīng)相加后輸出即可。

max—Excel最大值函數(shù)。

2 輸氣管道壓力計(jì)算方框圖

輸氣管道壓力計(jì)算方框圖見(jiàn)圖5。

圖5 輸氣管道壓力計(jì)算方框圖

對(duì)方框圖作如下簡(jiǎn)述：

(1)取SCADA匯總1、匯總2查詢(xún)數(shù)據(jù)，即復(fù)制、粘貼。

(2)取來(lái)數(shù)據(jù)按壓力級(jí)制高到低和站點(diǎn)所處管道位置前與后重新排序，其一：容易找到要取的數(shù)據(jù)，其二：一個(gè)查詢(xún)數(shù)據(jù)，取處較多，當(dāng) SCADA數(shù)據(jù)位置改變時(shí)，只需對(duì)應(yīng)跟改一處即可。

(3)到數(shù)據(jù)排序中取壓力p、流量q數(shù)據(jù)，計(jì)算管段儲(chǔ)氣變化量ΔVs和管段流量 Q(Q有正負(fù)值區(qū)分，負(fù)值表示枝狀管道中，流入管段的流量大于用戶(hù)流量，或者是環(huán)狀管道中的管段流量設(shè)定方向與實(shí)際的相反)。

(4)用邏輯函數(shù)IF，以Q正負(fù)值為設(shè)定條件，選擇對(duì)應(yīng)的輸氣管道壓力計(jì)算公式。

(5)選中的輸氣管道壓力計(jì)算公式取壓力、管段流量、管長(zhǎng)、管徑、溫度、水力摩阻系數(shù)數(shù)據(jù)后計(jì)算輸出。(輸氣管道壓力計(jì)算公式中的流量 Q不能為負(fù)數(shù)，用Excel絕對(duì)值函數(shù)ABS取正)。

(6)算法分兩種：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 壓力計(jì)算值與SCADA壓力測(cè)量值比對(duì)

應(yīng)用上述的輸氣管道壓力計(jì)算方法和Excel數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)以前和現(xiàn)在的天然氣主干網(wǎng)進(jìn)行沿程節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算，其用氣量大的冬季和夏季時(shí)段的計(jì)算值與SCADA對(duì)應(yīng)的測(cè)量值之間的差值，不超過(guò)±0.05 MPa的，約占90%以上。對(duì)于過(guò)去出現(xiàn)過(guò)的主干網(wǎng)上主閥門(mén)誤動(dòng)作關(guān)閉時(shí)段相關(guān)的節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算比對(duì)，兩者之差，超過(guò)±0.05 MPa(差值超過(guò)±0.05 MPa的，未必就是主閥誤關(guān)，壓力變送器值漂移不準(zhǔn)，流量數(shù)據(jù)上傳丟失不準(zhǔn)，管道破裂泄漏和私開(kāi)頭子偷氣等都有可能使差值超過(guò)±0.05 MPa，目前尚無(wú)故障診斷配套軟件)。

4 結(jié)論

天然氣主干網(wǎng)沿程節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算軟件，可供調(diào)度人員在工作中使用，提供有參考價(jià)值的壓力比對(duì)結(jié)果，利用它再結(jié)合調(diào)度人員的分析，可比較準(zhǔn)確地判斷主干網(wǎng)運(yùn)行工況正常與否。在計(jì)算中，選用最多的是計(jì)算公式(5)配上公式(10)，此式適用于管道中的氣體處于雷諾數(shù)不太大的混合摩擦區(qū)和阻力平分區(qū)的節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算；公式(5)配上公式(11)，適用于管道中的氣體處于雷諾數(shù)較大的阻力平分區(qū)的節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算；臨港首站小時(shí)流量在 70~100萬(wàn)m3/h時(shí)(2010年8月10日、12日、16日，洋山LNG進(jìn)行大流量供氣試驗(yàn))，其壓力計(jì)算值與壓力測(cè)量值之間的差值較大，有待進(jìn)一步深入研究和摸索。