摘  要  川渝地區(qū)已形成較為完善的天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)。為了降低壓力損失和提高管網(wǎng)的輸送能力，針對輸氣站在管網(wǎng)中的重要性和站場設(shè)備多樣性的實際情況，建立了輸氣站工藝單元和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，運用序貫?zāi)K法開展了輸氣站壓損過程模擬技術(shù)研究，開發(fā)了天然氣輸氣站過程模擬軟件。運用模擬軟件對川渝地區(qū)典型輸氣站運行工況進行了模擬分析，結(jié)果表明：單元設(shè)備模擬壓損計算的相對誤差大部分低于5％，全壓損計算的相對誤差也在10％左右，驗證了該軟件的可靠性。該技術(shù)可為輸氣站的安全穩(wěn)定運行提供有效的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞  川渝地區(qū)  輸氣站  壓力損失  過程模擬  序貫?zāi)K法  安全運行

輸氣站是輸氣管道工程中各類工藝站場的總稱。川渝地區(qū)已建成連接重慶、蜀南、川中、川西北、川東北5個油氣區(qū)至川、渝、云、貴、湘、鄂等西南、華中地區(qū)6省市的環(huán)形集輸氣管網(wǎng)l.26×10⁴ km，設(shè)有各類集輸氣站l l74座。過程模擬以建立或者應(yīng)用已經(jīng)建立的能夠正確描述流程過程的數(shù)學模型，通過模型的求解得到該過程的相關(guān)信息。國內(nèi)外對天然氣過程模擬的研究主要集中在天然氣的上游處理單元，如氣田集氣站、天然氣凈化廠等，針對輸配管網(wǎng)所進行的模擬相對較少^[1-6]。雖然現(xiàn)在國外一些成熟的管網(wǎng)計算軟件具有一定的模擬計算功能，如PIPEPHASE、PIPENET以及ATMOS公司的ATMOS GSIM等軟件，但這些軟件都不是完全意義上的站場模擬軟件。如ATMOS GSIM對設(shè)備分類不全，不能完全模擬站場的實際工況；PIPENET也只將設(shè)備(如收發(fā)球筒、匯管等)看作一個等壓容器，將壓力損失看作管件的局部阻力損失，而把站場內(nèi)設(shè)備都用節(jié)點替代。因此，針對輸氣站流程結(jié)構(gòu)特點，從系統(tǒng)的角度建立過程模型，借助計算機模擬計算來認識、分析以及預(yù)測運行中的各類問題，具有十分重要的意義。

1  輸氣站過程模擬模型的建立

建立的輸氣站過程模擬模型包括工藝單元數(shù)學模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型。

1．1  工藝單元數(shù)學模型

工藝單元模型用以描述單元設(shè)備輸入、輸出物流信息、設(shè)備操作參數(shù)之間的數(shù)學關(guān)系。在輸氣站壓力損失分析中，主要的地面裝置設(shè)備是壓力損失的集中部分。因此，以站內(nèi)的管段、分離器、除塵器、閥門及管件等作為模擬對象建立工藝單元模型。

站內(nèi)管線的壓降通常相對于總壓來說不明顯，可用全紊流壓降模型：

式中Δp為管線壓降；λ為摩阻系數(shù)；ω為天然氣質(zhì)量流量；ρ為天然氣密度；d為管道內(nèi)徑。

分離器的壓降主要集中在分離器進口、出口和絲網(wǎng)除霧器處，其壓降模型為：

式中ζ₁、ζ₂、ζ₃為進出口及絲網(wǎng)處的局部阻力系數(shù)；ν₁、ν₂、ν_g為進出口及絲網(wǎng)處的氣體流速，m／s；ρ₁、ρ₂、ρ₃為進出口及絲網(wǎng)處條件下的氣體密度，kg／m³；X為絲網(wǎng)層厚度，m；ε為絲網(wǎng)空隙率。

    除塵器的壓降模型為：

式中ρ_g為除塵器內(nèi)條件下的氣體密度，kg／m³；口為氣體在除塵器內(nèi)的平均流速，m／s。

    閥門的壓降模型為：

式中K為壓力損失系數(shù)，其值隨閥門的種類、類型、規(guī)格和結(jié)構(gòu)不同而不同。

1．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型描述系統(tǒng)各單元設(shè)備之間的相互關(guān)系以及物流或能流的輸入和輸出關(guān)系，可用一定形式的矩陣來表示。常用的有過程矩陣、關(guān)聯(lián)矩陣和鄰接矩陣，3種矩陣形式所代表的物理意義相同，只是形式不同。其中過程矩陣尤其適合于系統(tǒng)順序計算的需要，本文采用了過程矩陣進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建模。

假設(shè)單元設(shè)備代號為A_j(j=l，2，3，…)，物流代號為S_j(j=1，2，3，…)，則輸氣站系統(tǒng)的過程模擬模型可由下式組成的一系列方程組表示：

式中S_o,j為設(shè)備A_j的輸出物流的信息，S_I,j為設(shè)備A_j的輸入物流的信息，物流信息包括壓力、溫度、摩爾流率、氣液相組成等；A_j為設(shè)備j的計算函數(shù)，它可由若干方程組成，包括每一個設(shè)備的計算模型；P_O,j、P_I,j，T_O,j、T_I,j，F_O,j、F_I,j，x_O,j,k、x_I,j,k,y_O,j,k、y_I,j,k分別代表輸出物流S_0,j和輸人物流S_I,j的壓力、溫度、流量、組分k的液相摩爾分數(shù)、組分k的氣相摩爾分數(shù)。

2輸氣站過程模擬模型的求解

2．1求解的方法

建立的描述輸氣站過程系統(tǒng)的數(shù)學模型通常是一個大型非線性方程組，由于多變量非線性造成的復(fù)雜性和特殊性，其算法主要分為3大類：序貫?zāi)K法、聯(lián)立方程法和聯(lián)立模塊法。

序貫?zāi)K法以單元模塊為基本計算單元，通過單元模塊的序貫計算來求解系統(tǒng)模型；聯(lián)立方程法是將描述工藝過程的模型方程一起求解，加快了計算速度；聯(lián)立模塊法又稱雙層法，整個計算被分成了流程水平和模塊水平2個層次，是用單元模塊的嚴格模型確定其簡化模型的各項系數(shù)，然后用簡化模型構(gòu)成聯(lián)立方程組來求解。

筆者選擇序貫?zāi)K法求解輸氣站系統(tǒng)的模擬模型，主要看中其方法具有以下優(yōu)點：

1)在模塊水平上，可以使用一種或多種專門的算法去求解描述某種單元設(shè)備的模型方程，因此模塊計算可以達到很高的效率。

2)在流程水平上，無論用直接迭代還是加速迭代，一般都能穩(wěn)定收斂。

3)程序中的信息流和生產(chǎn)過程中的物流互相對應(yīng)，易于為工程師所理解。

4)當計算不收斂或出現(xiàn)錯誤時，便于進行診斷。

2．2模型的求解

序貫?zāi)K法通過設(shè)立對同一類設(shè)備具有通用性的單元模塊，在輸入模型方程中的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)和物性參數(shù)之后，模塊代表了給定系統(tǒng)中設(shè)備的具體數(shù)學模型。

在輸氣站過程模擬中，可將輸氣站各種單體設(shè)備作為單元模塊，分別在各工藝操作的過程模擬中作為模塊被調(diào)用，計算機按照計算順序進行過程模擬計算，其求解方法具體如下：

1)將系統(tǒng)流程圖轉(zhuǎn)化成以單元和物流表示的結(jié)構(gòu)單元圖。

2)將系統(tǒng)通過分割和排序得到各子模塊的計算順序。

3)將包含循環(huán)過程的子模塊進行斷裂，設(shè)置收斂單元。

4)排定包含循環(huán)過程的子模塊內(nèi)各單元的計算順序。

5)按照單元及子模塊的順序求解整個系統(tǒng)。

此過程可以運用計算機編譯程序，構(gòu)建輸氣站過程模擬軟件。軟件基于中文Windows操作平臺，計算數(shù)據(jù)與流程圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采用打包存儲形式進行調(diào)入、轉(zhuǎn)換，形成計算所需的識別代碼。最終計算的各項參數(shù)數(shù)據(jù)按工藝流程圖結(jié)構(gòu)形式以簡單、易懂的形式輸出，以此建立輸氣站實際運行參數(shù)表，為評價輸氣站壓損情況提供標準。

3軟件應(yīng)用分析

為驗證模擬的有效性，應(yīng)用建立的輸氣站過程模擬軟件對川渝地區(qū)某輸氣站進行壓損模擬分析。根據(jù)輸氣站實際情況，天然氣在站內(nèi)順序通過匯氣、分離、計量、過濾除塵、調(diào)壓等生產(chǎn)設(shè)備(圖1)。在不影響模擬流程及優(yōu)化效果的基礎(chǔ)上，考慮站內(nèi)眾多的工藝設(shè)備是輸氣站壓力損失的集中部分，將輸氣站工藝流程圖轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元圖(圖2)。

通過輸氣站過程模擬軟件的模擬計算，將計算結(jié)果與各主要生產(chǎn)設(shè)備的實際壓損數(shù)據(jù)進行對比，選擇其中具代表意義的單體設(shè)備分析結(jié)果列于表1。同時，將軟件模擬的全流程參數(shù)計算所得的站內(nèi)壓損與該站實際生產(chǎn)中的壓損數(shù)據(jù)進行比較列表，結(jié)果如表2所示。

4結(jié)論與認識

應(yīng)用過程模擬技術(shù)是研究輸氣站壓損的有效方法之一。筆者建立了輸氣站過程模擬數(shù)學模型，闡述了序貫?zāi)K法的解算方法，設(shè)計了川渝管網(wǎng)輸氣站過程模擬軟件。實際應(yīng)用效果表明，根據(jù)軟件所得出的單元設(shè)備模擬壓損的計算相對誤差大部分低于5％，全壓損計算的相對誤差也在10％左右，說明基于過程模擬的輸氣站模擬軟件可實現(xiàn)輸氣站壓損及運行情況的考核評價。目前，該軟件現(xiàn)已在中國石油西南油氣田公司投用，為輸氣站場的安全高效穩(wěn)定運行提供了有效的技術(shù)支持。

參考文獻

[1] 姚平經(jīng)．過程系統(tǒng)分析與綜合[M]．2版．大連：大連理工大學出版社，2002．

[2] 屈一新．化工過程數(shù)值模擬及軟件[M]．2版．北京：化學工業(yè)出版社，2006．

[3] 化工部工藝系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)中心站．HG／T 20570．7-95管道壓力降計算[S]．北京：中國標準出版社，l996．

[4] 楊友麒．過程流程模擬[J]．計算機與應(yīng)用化學，l995，12(1)：1-6．

[5] COKER A K．Program calculates z factor for natural gas [J]．Oil & Gas Journal，1993，91(7)：74-75．

[6] 張德元，戴忠，陸劍波，等．能效對標指標體系建立的基本思路與探討[J]．石油與天然氣化工，2011，40(6)：642-645．

本文作者：梁光川  李琳  游赟

作者單位：西南石油大學石油工程學院   重慶科技學院石油與天然氣工程學院