王全德 王盼鋒 郭建偉

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610051）

0 引言

目前，德國(guó)公司GL-GROUP 的SPS 和英國(guó)公司ESI的PIPELINE STUDIO（分為氣態(tài)仿真TGNET 和液態(tài)仿真TLNET）在管網(wǎng)仿真軟件領(lǐng)域知名度較高，而國(guó)產(chǎn)化仿真軟件PNS（Pipeline Network Simulation）也在迅猛發(fā)展。PNS管網(wǎng)仿真軟件適用于任意結(jié)構(gòu)和規(guī)模的管網(wǎng)，根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)及設(shè)備的基本流動(dòng)關(guān)系（質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒）建立管網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)靜、動(dòng)態(tài)仿真，精確模擬管網(wǎng)系統(tǒng)水力、熱力分布和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，展示各單元及其內(nèi)部流體及流動(dòng)特征。SPS 和PNS 軟件均有在線和離線仿真兩種模式，而TGNET只有離線仿真模擬［1-5］。國(guó)外大量管線和國(guó)內(nèi)西氣東輸、川氣東送、陜京二線等大型管道都應(yīng)用了SPS 和TGNET 仿真軟件［6-9］，并取得顯著成效。而近幾年來(lái)，逐漸成熟的仿真軟件PNS 應(yīng)用于榆濟(jì)管線、西氣東輸一線、西氣東輸二線、川氣東送管線、咸寶線等取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)效果。通過(guò)對(duì)以上3款軟件在輸氣管道應(yīng)用方面進(jìn)行全方位對(duì)比，以期對(duì)管網(wǎng)仿真軟件使用者給出應(yīng)用選擇的指導(dǎo)性建議。

1 流體模型概述

TGNET 軟件中分別建立了理想氣體和真實(shí)氣體的狀態(tài)方程。其中，真實(shí)氣體狀態(tài)方程如Sarem、NX-19、AGA-8、Ideal在適用范圍（如美國(guó)輸氣管道的壓力、溫度、組分范圍）內(nèi)比較準(zhǔn)確，SRK、Peng-Robinson和BWRS方程有更廣的適用范圍，甚至可用于液態(tài)烴和氣、液平衡計(jì)算；BWRS 最復(fù)雜，計(jì)算速度較慢，但使用最為廣泛，而Sarem 最簡(jiǎn)單，計(jì)算速度最快；Sarem 適用于干氣，BWRS 適用于濕氣，Peng-Robinson適用于所有氣體。

SPS 軟件中氣體模型只采用了AGA、BWRS 和CNGA 3種方程［10］，其中，CNGA 方程只需輸入氣體比重，AGA 方程是天然氣混合物應(yīng)用最準(zhǔn)確、最廣泛的公式，但是對(duì)于計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)有一定局限性。

PNS軟件中應(yīng)用了“酸氣+水系統(tǒng)”相平衡分析模型AQUAlibrium［11-13］，基于NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)、Peng-Robinson 狀態(tài)方程和NIST 改進(jìn)方法的NIST Database模型以及AGA8天然氣模型。

2 管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以國(guó)內(nèi)某長(zhǎng)輸管道為例進(jìn)行建模，首先需要獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：管道全長(zhǎng)504 km，首站增壓至8.5 MPa輸送，設(shè)計(jì)年輸量42×108m3；管線為沿線5座城市穩(wěn)定供氣，全線管徑Φ711×14.2，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，沿線各城市下載量見(jiàn)表1所示。

表1 某長(zhǎng)輸管道沿線各城市下載量分配表

3 建模過(guò)程

3.1 TGNET

①模型搭建：選取BWRS 方程后進(jìn)行實(shí)物模型搭建。在Supply 中輸入氣源氣體組分及性質(zhì)，并控制氣源壓力，在Delivery 中控制城市下載量，在pipe中輸入管道相關(guān)信息、控制管道步長(zhǎng)，注意摩阻公式統(tǒng)一選取Colebrook White。注意TGNET 不能在pipe中輸入管道高程信息，只能在節(jié)點(diǎn)輸入高程，因此有必要建立較多管道以減小高程帶來(lái)的影響。②有效性檢驗(yàn)：建模完成后進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)建模錯(cuò)誤信息，便于更正建模錯(cuò)誤，將其修改完后方可運(yùn)行。③工況運(yùn)行：穩(wěn)態(tài)模擬是動(dòng)態(tài)模擬的基礎(chǔ)，若穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不收斂，則模型還會(huì)報(bào)錯(cuò)，需繼續(xù)檢查模型；當(dāng)收斂時(shí)，證明運(yùn)行結(jié)束，此時(shí)可查看任意用戶、管道、節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行結(jié)果。當(dāng)動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，在Transient Scenario 中建立動(dòng)態(tài)腳本，添加必要約束，控制City1用戶在1 h后下載量下降到10 000m3／h，查看該下載點(diǎn)壓力變化情況，腳本建立完成后進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。④結(jié)果讀?。悍€(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)束后，首先選中需要查看的對(duì)象，再添加數(shù)據(jù)，即可直接查看結(jié)果，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)到其他文本中。

3.2 SPS

①模型搭建：SPS 建模有實(shí)物建模和Inprep 文件編程建模兩種方式，在此采用實(shí)物建模。選擇BWRS方程后輸入氣質(zhì)組分，Externals控制供氣和用氣量，即Take和Sale，另外SPS中可將管道高程信息導(dǎo)入pipe 中，因此不用建立過(guò)多管道，使模型更加簡(jiǎn)化。②有效性檢驗(yàn)：SPS 可省去有效性檢驗(yàn)直接進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，會(huì)列出一系列警告和錯(cuò)誤以供用戶修改。③工況運(yùn)行：進(jìn)行該步驟的前提是INTRAN啟動(dòng)文件正確。需要新建具體的分布圖和趨勢(shì)圖才能看到穩(wěn)態(tài)的具體變化過(guò)程，可隨時(shí)停止并保存狀態(tài)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)行過(guò)程中，可隨時(shí)更改部分參數(shù)；動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，在INTRAN文件中編寫(xiě)代碼，然后運(yùn)行，只是過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)操作人員能力要求較高。④結(jié)果讀?。寒?dāng)運(yùn)行穩(wěn)定后，讀取結(jié)果常用Trans 實(shí)時(shí)查看或者用ingraf 讀取整理數(shù)據(jù)；也可在SimPlot中新建需要查看的圖表，或者直接打開(kāi)review文件查看，導(dǎo)出所需數(shù)據(jù)。

3.3 PNS

①模型搭建：PNS 采用拖拽方式建模，無(wú)需編程和專門記憶。選擇AGA 模型輸入氣質(zhì)組分，模型中各用戶、閥室、管道連接點(diǎn)都簡(jiǎn)化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而添加控制參數(shù)；在pipe 中可導(dǎo)入沿線高程信息，水力模型選擇Colebrook，在仿真選項(xiàng)中設(shè)置管道步長(zhǎng)和最大最小步長(zhǎng)；在項(xiàng)目管理器中添加需要查看的分布圖和趨勢(shì)圖，在資源庫(kù)中可添加壓縮機(jī)特性等參數(shù)。當(dāng)在節(jié)點(diǎn)輸入流量為正，節(jié)點(diǎn)顯示為綠色表示流體流入節(jié)點(diǎn)，若為負(fù)，則節(jié)點(diǎn)顯示為紅色，表示流體流出節(jié)點(diǎn)。②有效性檢驗(yàn)：和前兩款軟件類似，PNS 也具備有效性檢驗(yàn)功能。③工況運(yùn)行：在仿真選項(xiàng)中，通過(guò)控制仿真層數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)確定穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)，仿真層數(shù)設(shè)置1為穩(wěn)態(tài)，大于1為動(dòng)態(tài)，此處動(dòng)態(tài)設(shè)置層數(shù)為12，時(shí)間步長(zhǎng)為5 min，即1 h后設(shè)置City1下載量為10 000 m3／h。動(dòng)態(tài)的前提是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定，接著改變仿真層數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。④結(jié)果讀?。河捎谝言陧?xiàng)目管理器中設(shè)置好了分布圖和趨勢(shì)圖，所以只需等待運(yùn)行穩(wěn)定后查看相關(guān)數(shù)據(jù)，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)到其他文本中。

PNS 項(xiàng)目管理器中有4 種泄漏檢測(cè)方法，其中，動(dòng)態(tài)模型壓力分布法（PPRTM）是一大創(chuàng)新之處。與在線仿真相結(jié)合，可直觀地進(jìn)行天然氣泄漏檢測(cè)［14-17］。PNS仿真運(yùn)行后，若管道顏色為紅色，則表示管內(nèi)流體與管道建模方向相反，加之節(jié)點(diǎn)流量、壓力控制特征，使仿真模型更加形象化。

4 仿真結(jié)果

4.1 靜態(tài)

管網(wǎng)靜態(tài)仿真是管網(wǎng)系統(tǒng)在定常條件下的流動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律，流態(tài)不隨時(shí)間變化，是操作工況的最終狀態(tài)或平均流動(dòng)結(jié)果［13，18］。在靜態(tài)仿真下，分別得出各軟件模擬全線壓力、流量分布結(jié)果，如圖1、圖2及圖3所示。

圖1 TGNET模擬全線壓力、流量分布圖

圖2 SPS模擬全線壓力、流量分布圖

圖3 PNS模擬全線壓力、流量分布圖

將3 款軟件模擬的壓力數(shù)據(jù)繪制在同一坐標(biāo)系中，如圖4所示。

圖4 PNS、TGNET與SPS模擬全線壓力分布圖

各下載點(diǎn)模擬壓力與實(shí)際進(jìn)站壓力對(duì)比見(jiàn)表2所示。

表2 各下載點(diǎn)進(jìn)站壓力對(duì)比表（kPa）

由圖4 可以看出，SPS 與PNS 的壓力趨勢(shì)基本一致，而TGNET 由于沒(méi)有管道具體高程信息，只在管道節(jié)點(diǎn)處存在高程，仿真計(jì)算過(guò)程中對(duì)管道的插值計(jì)算部分較為簡(jiǎn)單，基本按照線性化處理［14-15］，同時(shí)由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置等設(shè)置的問(wèn)題，所以壓力偏差在100 km 后越來(lái)越大，沿線最大壓力偏差0.36 MPa，由于控制City5進(jìn)站壓力為3.8 MPa，所以靠近末站處壓力偏差減小?？傮w來(lái)說(shuō)，三大軟件模擬全線壓力分布基本一致。SPS與PNS壓力存在微小偏差（如在300 km 和380 km 處），偏差原因有：管道步長(zhǎng)、某些計(jì)算方法的選取不同以及收斂條件差異等。

由表2可以看出，各下載點(diǎn)實(shí)際進(jìn)站壓力與軟件模擬壓力最大偏差僅為351 kPa，均符合管網(wǎng)仿真模擬要求。除了三款軟件各自的使用差異外，靜態(tài)模擬結(jié)果表明使用三款軟件進(jìn)行仿真，數(shù)據(jù)偏差不會(huì)太大，均符合輸氣管道工藝設(shè)計(jì)計(jì)算。

4.2 動(dòng)態(tài)

管網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真是在管網(wǎng)系統(tǒng)瞬變情況下不同時(shí)刻的流動(dòng)狀態(tài)和變化過(guò)程，描述工況變化給管網(wǎng)帶來(lái)的影響［13，18］。

動(dòng)態(tài)測(cè)試中，在其他條件不變的情況下，將1 h后City1 的供氣量由16 120 m3／h 降為10 000 m3／h，觀察各下載點(diǎn)的壓力變化，模擬結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

當(dāng)City1 下載量在1 h 后下降時(shí)，City1 供氣壓力增大，約24 h后壓力趨于穩(wěn)定，3款軟件模擬的穩(wěn)定壓力和時(shí)間有所不同，但基本一致，其原因同樣可用靜態(tài)中出現(xiàn)的偏差因素解釋。各下載點(diǎn)壓力靜、動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)表3。

表3 TGNET、SPS與PNS模擬各下載點(diǎn)壓力對(duì)比表

表3 表明：各下載點(diǎn)仿真壓力偏差均在300 kPa以內(nèi)，在長(zhǎng)距離輸氣管道中，這種偏差符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求。當(dāng)City1用氣量下降后，由于氣源供氣穩(wěn)定且管道末段儲(chǔ)氣的緣故［19-20］，管線壓力整體升高。加之其余下載點(diǎn)用氣穩(wěn)定，所以各下載點(diǎn)壓力普遍上升，當(dāng)運(yùn)行25～30 h 后，各下載點(diǎn)壓力趨于穩(wěn)定。同樣，3款軟件均可模擬異常工況下管內(nèi)氣流的流動(dòng)狀態(tài)，為實(shí)際管網(wǎng)的運(yùn)行和維護(hù)提供可靠有力的保障。

3 款軟件的動(dòng)態(tài)模擬中，SPS 和PNS 的各下載點(diǎn)壓力明顯高于TGNET 各對(duì)應(yīng)點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，SPS與PNS的模擬壓力會(huì)隨著時(shí)間呈現(xiàn)可視化的變化，其中，SPS 可以隨時(shí)停止并保存所需要的狀態(tài)，PNS 則可以終止該狀態(tài)，而TGNET 不會(huì)出現(xiàn)前兩款軟件所展現(xiàn)的動(dòng)態(tài)變化，只能直接查看模型穩(wěn)定后的結(jié)果圖。PNS能展示模型方程組的迭代次數(shù)及精度，TGNET 只能通過(guò)收斂趨勢(shì)圖查看收斂情況?？偟膩?lái)說(shuō)，三款軟件動(dòng)態(tài)模擬均適用于天然氣管道工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算。

5 結(jié)論及建議

1）PNS、SPS 與TGNET 對(duì)實(shí)際氣體長(zhǎng)輸管道的靜、動(dòng)態(tài)模擬均能滿足氣體管道的設(shè)計(jì)與計(jì)算要求。從模型搭建到仿真結(jié)果可以看出，PNS 與TGNET 的動(dòng)態(tài)模擬通過(guò)設(shè)置動(dòng)態(tài)腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此更容易理解和方便使用，PNS更利于初學(xué)者使用，其操作界面可視化程度高，簡(jiǎn)單易懂；TGNET 便于查看圖表，不足就是管道中不能導(dǎo)入高程信息，對(duì)模型的計(jì)算差值過(guò)程有影響，待校驗(yàn)數(shù)據(jù)收斂后才能查看運(yùn)行結(jié)果；SPS和PNS均可在動(dòng)態(tài)模擬時(shí)實(shí)時(shí)觀看數(shù)據(jù)變化，SPS能隨時(shí)保存變化狀態(tài)，只是邏輯控制較復(fù)雜，對(duì)初學(xué)者而言使用稍顯困難。

2）PNS 操作簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)置方便，在天然氣泄漏檢測(cè)方面有所創(chuàng)新；TGNET 可選流體模型較多，操作界面友好，圖表輸出較為方便；SPS有實(shí)物和編程兩種建模方式，更適用于邏輯控制和操作工況更復(fù)雜的管網(wǎng)，尤其是動(dòng)態(tài)模擬工況，其運(yùn)行速度快，可隨時(shí)查看并保存實(shí)時(shí)狀態(tài)和數(shù)據(jù)。