PLStudio for Gas 水力计算软件在天然气工程设计中的应用

摘要

本文介绍了英国ESI公司的PLStudio for Gas水力计算软件的特点以及在燃气工程设计中的实际应用情况。

PLStudio for Gas是经过使用证明的，历史悠久的输气管道离线模拟软件，能够对输气管道中的单相流进行稳态模拟和动态模拟，已经在全世界得到了广泛的应用。本软件具有全功能的图形界面、稳定的数字求解技术、完备的设备模拟、灵活实用的理想化的控制方式和多约束条件设定、温度跟踪、气体属性跟踪、详尽的默认值集合、既能以批处理方式又能以交互（互动）方式运作等特点。

使用本软件可以对输气管道的正常工况和事故工况进行分析，测试和评价输气管道的设计或操作参数的设置，最终获得优化的系统性能。使用本软件还可以为实时模拟软件的组态提供建模数据。

本文通过具体的工程实例，分别介绍了此软件在典型的枝状燃气管网、环状复杂燃气管网以及在分析动态燃气管网中的具体应用情况，对计算过程、计算结果及如何根据计算结果分析管网情况，确定合理的供气方案作了具体说明。

关键词：天然气；管网；稳态；动态；模拟

绪论

天然气输配系统的工艺设计过程中，为了合理确定管道系统的设计方案和改造方案、分析各种事故工况及进行有效的调峰和运营管理，借助水力计算软件对燃气输配系统进行仿真模拟是非常必要的。PLStudio for Gas 水力计算软件具有强大的稳态和动态模拟计算功能，能够模拟管网的运行工况，是用于城市输、配气管网设计的较好软件之一，广泛的应用于天然气利用工程的设计中。设计人员可以利用软件对输气管道的工艺设计方案进行任何工况下的模拟，从而对方案的可行性、可靠性、灵活性和合理性做出更客观的评价，并根据对多种方案的比选和评价结果选出较好的方案。

一、软件简介

PLStudio for Gas是英国ESI公司推出的天然气输配管网模拟计算软件，该软件为离线型天然气管道系统稳态/动态工艺计算和运行计划模拟软件，可用于管道水力计算、运行计划安排、动态过程模拟分析等。该软件的主要功能包括：

1.稳态水力分析

2.压缩机和驱动机模型详细模拟

3.动态水力分析

4.给定约束条件下的过程控制

5.压缩机站模拟

6.设备选型模拟

7.热力学模型详细模拟

8.复杂管网的模拟

9.天然气组成和温度跟踪

二、软件的特点

2.1 基本方程

PLStudio for Gas进行管网模拟使用的基本方程是一组偏微分方程：质量守恒方程；动量守恒方程；能量守恒方程。

与基本方程配套的其它方程有：

（1）状态方程：BWRS或SAREM；

（2）摩阻公式：威莫斯公式、潘汉德尔修正公式、AGA公式、科尔布鲁克公式。

此外还有与离心式压缩机、往复式压缩机、压力调节器、流量调节器、截断阀、阻尼元件等相关的配套方程。

2.2 模型元件

PLStudio for Gas用模型元件来表示实际的管网元件。模型元件的参数和连结关系要与实际的管网元件相符，根据实际管网元件连结情况把模型元件连接在一起构成管网模型，此时对管网模型的计算即是对实际管网的模拟。

主要的模型原价有：管段、压力调节器、流量调解器、阻尼元件、截断阀、外部调节器等。

2.3 模型元件的约束条件和控制方式

实际管网元件中有一些是起调节或控制作用的，在PLStudio for Gas中表示这类实际元件的模型元件都可具备一个或一组约束条件。例如阀门的开度；调压器的最大出口压力、最大流量；供气气源的最大出口压力、最大流量、出口温度等。这类模型元件的约束条件中总有一个，并且只有一个是该元件运行状态的设定值。例如：为了表示某一调压站（对应模型元件为压力调节器）指定了最小出站压力和最大流量两个约束条件，如果指定该调压站的供气量等于最大流量设定值，则出站压力不低于约束条件所规定的值。这种情况下我们可以说该调压站运行于最大流量控制方式。

在管网模拟过程中，PLStudio for Gas尽量使模型在满足所有约束条件的同时按指定的控制方式运行。如果按某一控制方式运行发生了违背其它约束条件的情况，那么软件将自动切换控制方式，以便

获得满足所有约束条件的结果，所以，不要指定互相矛盾的约束条件是获得收敛结果的关键所在。

2.4 管网模拟的主要步骤

（1）根据实际管网建立管网模型

根据实际管网确定各管网元件的连接关系及其各管网元件的参数，还应标明各模型元件的名称和主要的约束条件。

（2）数据输入

数据输入文件是一种自由格式的文本文件，使用时按规定分别在各段说明相应的数据内容。例如：在“CONST”段说明各类缺省值；在“FLUED”段说明各气源的气体组分或参数；在“CONFIG”段说明模型元件的连接关系、参数、约束条件和控制方式；在“TREND”段说明瞬态模拟时需要改变的控制方式或约束条件；在“PRINT”段说明输出文件的内容和详细程度等。

（3）进行稳态模拟

PLStudio for Gas自动把各段划分成很小的计算段进行计算。只要模型元件参数和连接关系正确，没有相互矛盾的约束条件，控制方式合理，一般都能够得到收敛结果。

（4）进行动态模拟

当管网负荷变化较大，或者需要了解管网在各种调度工况和事故工况下的性能时需要进行动态模拟，通常采用批处理方式进行动态模拟。模拟前应设置一个模拟的初态，并规定好在模拟过程中需要改变的约束条件和控制方式的时间表、所要模拟的时间范围等。

（5）对模拟结果进行后处理

进行后处理可以产生表示模拟结果的表格、曲线或用户自定义的报告文件，按用户自定义的格式文件控制动态模拟的屏幕显示，把动态模拟求得的动态趋势按电子表格的要求输出等，以便用户对模拟计算产生的数据作分析研究。

三、软件的应用分析

3.1 在枝状管网中的应用

（1）建立管网模型

为北京市昌平区南口镇供气的中压管线是典型的枝状燃气管网，在制定供气方案时，为了保证在满足各用气负荷的压力及流量需求的基础上，确定管网的管径及调压站的出口压力，应用该软件对整个管网进行了稳态水力计算。

根据管网布置及各负荷点的分布情况建立管网模型，管网模型如图1所示：

图1 南口供气管网模型图

（2）数据输入

中压管网的末端用户是玻璃厂，用气设备为玻璃窑炉，要求进口压力为0.25MPa，其余各点负荷为居民用户。水力计算时设置调压站的约束条件为最大出口压力为0.4 MPa，管线末端的玻璃厂燃气进口压力不能低于0.25 MPa。

（3）稳态计算及结果分析

经计算当保证玻璃厂燃气进口压力最低为0.25 MPa时，若管径为DN400，则调压站出口压力最低应为0.36 MPa，但是此时管线中气体流速约为21米/秒，流速过快，所以考虑将管径扩大至DN500再次进行计算。扩径后，调压站出口压力最低为0.3 MPa时，可保证玻璃厂燃气进口压力不低于0.25 MPa，此时管道中气体流速为15米/秒。根据计算结果，确定调压站的出口运行压力为0.3～0.4MPa，中压管线管径为DN500。

3.2 在环状管网中的应用

（1）建立管网模型

北京市通州区京工燃气锅炉房拟从现状中压管线上接线，锅炉房小时流量为10000立方米，锅炉设备要求燃气最低进口压力为0.3 Kg/cm2。由于用气量比较大，用气压力高，对现有中压管网的影响也会非常大，所以需要对现状管网情况进行模拟，以确定合理的供气方案。

根据管网布置及各负荷点的分布情况建立管网模型，管网模型如图2所示：

图2 京工锅炉房供气管网模型图

（2）数据输入

计算时，输入了每条管线的管径、管长及各个负荷点的最大流量。

（3）稳态计算及结果分析

根据现状调压站的实际运行压力0.8 Kg/cm2对管网模型进行了校核，经过与实际负荷点的压力对比，确定所建立的模型与实际运行工况吻合。

计算时，设置现状中低压调压站的约束条件为最大出口压力，京工锅炉房的约束条件为最低进口压力，模型中其它负荷的约束条件为最大流量。

经计算，现状管网在加上京工锅炉房小时流量10000立方米的负荷后，若现状调压站运行压力为0.8 Kg/cm2，整个管网得不到收敛结果，即现状管网不能满足锅炉房用气需求，需要对管网进行升压。

进一步计算时，设置京工锅炉房约束条件为保证最低压力0.3 Kg/cm2，经计算可以得出相应的现状调压站的最低出口压力为 1.5 Kg/cm2，即现状管网在满足锅炉房用气需求时，现状调压站的出口压力最低应调至1.5 Kg/cm2。

3.3 动态计算的应用

（1）建立管网模型

由于天然气发电厂用气负荷比较大，电厂机组启停时天然气负荷变化也比较大，所以在分析电厂的运行对燃气管网运行的影响时，就需要对整个管网作动态的模拟。

以北京市即将建设的太阳宫天然气发电厂为例，并假设一种天然气供气管线方案，对此假设的供气管线方案的水力工况进行分析，以说明本软件在动态模拟中的应用。

假设的供气方案为从来广营高压A调压站接出设计压力 2.5 MPa、DN500的天然气管线给电厂供气，分析此供气条件下电厂机组启停时，管网压力波动的情况。建立的管网模型如图3所示：

图3 太阳宫电厂供气管网模型图

（2）数据输入

根据北京市天然气管网现状，输入现有管道的长度、管径。由于要进行动态的模拟，所以要把每个负荷点每小时用气量情况输入动态水力计算表，电厂机组的用气规律也要相应的输入到动态水力计算表。

根据太阳宫电厂两台9F 机组的运行曲线图，可以推导出机组正常运行时的天然气耗气量曲线。

机组的运行曲线图如图4所示，天然气耗气量曲线图如图5所示：

时间 （分钟） 负荷

（万立方米/时） 0 0 3 1.7 26 1.7 31 5.1 34 8.925 36 10.2 45 10.2 55

17

Typical 209FA Hotstart (startup after 8 hr shutdown, no bypass damper, single LCI)

0102030405060708090100min %

GT1 Speed %GT1 Load %GT2 Speed

GT2 Load %ST Speed %ST Load %

*1 Start initiation at min = 0. Ready to start conditions satisfied previously.

*2 GT base load operation at exhaust temp control spec limit, full open compressor IGV position, ST valves full open.

*2 Startup

V Complete

图4 典型的209FA 机组热起动运行曲线图

运行时间与两台机组天然气耗量对照表

图5

（3）动态计算及结果分析

计算时，来广营高压A调压站的约束条件为最大出口压力为2.5MPa，其它边界条件为：整个管网的负荷为2010年的负荷，全网高时流量为250万立方米。设置衙门口门站的输气能力为50万立方米/时，次渠门站输气能力为40万立方米/时，采育门站的输气能力为80万立方米/时，通州门站的输气能力为80万立方米/时。

根据机组正常运行时的天然气耗量曲线，对太阳宫电厂天然气供气管线进行动态模拟，经计算，当采用PN2.5 MPa、DN500供气管线时，电厂供气管线末端的压力波动范围为0.2 MPa（2.5～2.3 MPa）。

电厂供气管线末端压力波动情况如图6所示：

图6：压力随时间和流量变化波动曲线图

PLStudio for Gas可以清楚的表明电厂运行的各时间段，进气管线末端压力的变化，压力变化曲线图为制定电厂供气管线方案提供了重要的参考依据。

利用动态模拟可以直观计算出燃气用户的用气量和压力的动态变化规律，解决了一些常规计算方法无法解决的问题。

四、结语

目前我国城市燃气发展已进入天然气时代，在城市天然气管网的设计中，要树立稳态及动态工况的设计理念，借助成熟可靠的水力计算模拟软件进行分析和计算并进行多方案的技术经济比较，以便提出安全可靠、经济合理、符合实际的燃气系统技术方案，提高设计质量。

参考文献：

1.《燃气输配》，中国建筑工业出版社，2000年版（哈尔滨建筑工程学院等编）

2.《天然气管道输送》，石油工业出版社，2000年11月。（李长俊主编）

3.《城镇燃气设计规范》GB50028-93，2002年版。

4. Pipe line studio For Gas(PIPELINE STUDIO)and user’s Guide.（ESI公司编制）

5.《输气管道工程》，石油工业出版社，1997年版（王志昌主编）

6.《天然气在管道系统中不稳定流动的分析》，天然气工业，1994(6)（李长俊主编）

7.《输配气管网的仿真与分析》，石油工业出版社（北京），1995，江茂泽、徐羽镗等。

目录

一、软件简介 (3)

二、软件的特点 (3)

2.1 基本方程 (3)

2.2 模型元件 (4)

2.3 模型元件的约束条件和控制方式 (4)

2.4 管网模拟的主要步骤 (5)

三、软件的应用分析 (6)

3.1 在枝状管网中的应用 (6)

3.2 在环状管网中的应用 (7)

3.3 动态计算的应用 (9)

四、结语 (14)