PLStudio for Gas水力計算軟件及其應用

摘 要

摘要：介紹了PLStudio for Gas水力計算軟件的特點及管網模擬的主要步驟。結合工程實例，探討了該軟件在天然氣管網動態(tài)模擬中的應用。關鍵詞：天然氣管網；PLStudio for Gas水力計算
摘要：介紹了PLStudio for Gas水力計算軟件的特點及管網模擬的主要步驟。結合工程實例，探討了該軟件在天然氣管網動態(tài)模擬中的應用。
關鍵詞：天然氣管網；PLStudio for Gas水力計算軟件；動態(tài)模擬；水力計算
Hydraulic Calculation Software PLStudio for Gas and Its Application
FENG Tao，WU Xinsheng
Abstract：The characteristics of hydraulic calculation software PLStudio for Gas and the main steps of pipe network simulation are presented.The application of the software in dynamic simulation of natural gas pipe network is discussed with an engineering example.
Key words：natural gas pipe network；hydraulic calculation software PLStudio for Gas；dynamic simulation；hydraulic calculation
1 軟件簡介
   PLStudio for Gas水力計算軟件是英國ESI公司推出的天然氣輸配管網模擬計算軟件，該軟件為離線型天然氣管道系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)/動態(tài)工藝計算和運行計劃模擬軟件，可用于管道水力計算、運行計劃安排、動態(tài)過程模擬分析等。該軟件的主要功能包括：穩(wěn)態(tài)水力分析、壓縮機和驅動機模型詳細模擬、動態(tài)水力分析、給定約束條件下的過程控制、壓縮機站模擬、設備選型模擬、熱力學模型詳細模擬、復雜管網模擬、天然氣組成和溫度跟蹤。
2 軟件的特點
2.1 基本方程
   PLStudio for Gas水力計算軟件進行管網模擬使用的基本方程是一組偏微分方程：質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。
   與基本方程配套的其他方程有：①狀態(tài)方程：BWRS或SAREM方程[1]；②摩阻公式：威莫斯公式、潘漢德爾修正公式、AGA公式、科爾布魯克公式。
    此外還有與離心式壓縮機、往復式壓縮機、壓力調節(jié)器、流量調節(jié)器、截斷閥、阻尼元件等相關的配套方程。
2.2 模型元件
    PLStudio for Gas水力計算軟件用模型元件來表示實際的管網元件。模型元件的參數和連接關系要與實際的管網元件相符，根據實際管網元件連接情況，把模型元件連接在一起構成管網模型，此時對管網模型的計算即是對實際管網的模擬。
    主要的模型元件有：管段、壓力調節(jié)器、流量調解器、阻尼元件、截斷閥、外部調節(jié)器等。
2.3 模型元件的約束條件和控制方式
    實際管網元件中有一些是起調節(jié)或控制作用的，在PLStudio for Gas水力計算軟件中，表示這類實際元件的模型元件都具備一個或一組約束條件，倒如：閥門的開度；調壓器的最大出口壓力、最大流量；供氣氣源的最大出口壓力、最大流量、出口溫度等。這類模型元件的約束條件中總有一個，并且只有一個是該元件運行狀態(tài)的設定值。例如：為了表示某一調壓站(對應模型元件為壓力調節(jié)器)，指定了最小出站壓力和最大流量兩個約束條件，如果指定該調壓站的供氣量等于最大流量設定值，則出站壓力不低于約束條件所規(guī)定的值，這種情況下我們可以說該調壓站運行于最大流量控制方式。
   在管網模擬過程中，PLStudio for Gas水力計算軟件盡量使模型在滿足所有約束條件的同時按指定的控制方式運行。如果按某一控制方式運行，發(fā)生了違背其他約束條件的情況，那么軟件將自動切換控制方式，以便獲得滿足所有約束條件的結果，因此，不要指定相互矛盾的約束條件是獲得收斂結果的關鍵。
2.4 管網模擬的主要步驟
    ① 根據實際管網建立管網模型
    根據實際管網確定各管網元件的連接關系及參數，標明各模型元件的名稱和主要約束條件。
   ② 數據輸入
數據輸入文件是一種自由格式的文本文件，使用時按規(guī)定分別在各管段輸入相應的數據內容。例如：在“CONST”段輸入各類缺省值；在“FLUED”段輸入各氣源的氣體組分和參數；在“CONFIG”段輸入模型元件的連接關系、參數、約束條件和控制方式；在“TREND”段輸入瞬態(tài)模擬時需要改變的控制方式或約束條件；在“PRINT”段輸入輸出文件的內容和詳細程度等。PLStudio for Gas水力計算軟件界面見圖1。
 

   ③ 進行穩(wěn)態(tài)模擬
   PLStudio for Gas水力計算軟件自動把各管段劃分成很小的計算段進行計算。只要模型元件參數和連接關系正確，沒有相互矛盾的約束條件，控制方式合理，一般都能夠得到收斂結果。
   ④ 進行動態(tài)模擬[2～5]
   當管網負荷變化較大，或者需要了解管網在各種調度工況和事故工況下的性能時，需要進行動態(tài)模擬，通常采用批處理方式進行動態(tài)模擬。模擬前應設置一個模擬的初態(tài)，并規(guī)定好在模擬過程中需要改變約束條件和控制方式的時間表、所要模擬的時間范圍等。
   ⑤ 對模擬結果進行后處理
   進行后處理可以生成表示模擬結果的表格、曲線或用戶自定義的報告文件，按用戶自定義的格式文件控制動態(tài)模擬的屏幕顯示，把動態(tài)模擬求得的動態(tài)趨勢按電子表格的要求輸出等，以便用戶對模擬計算產生的數據作分析研究。
3 軟件在管網動態(tài)分析中的應用實例
   ① 建立管網模型
   由于天然氣發(fā)電廠用氣負荷比較大，電廠機組啟停時天然氣負荷變化也比較大，所以在分析電廠運行對燃氣管網運行的影響時，需要對整個管網作動態(tài)模擬。利用動態(tài)模擬可以直觀計算出燃氣用戶的用氣量和壓力的動態(tài)變化規(guī)律，解決了一些常規(guī)計算方法無法解決的問題。
    以北京市太陽宮天然氣發(fā)電廠為例，在建立北京市天然氣高壓管網模型的基礎上，對太陽宮電廠的兩臺9F機組在冬季用氣高峰進行啟停時的供氣管道水力工況進行動態(tài)模擬計算。建立的太陽宮電廠供氣管網模型見圖2，高壓A管道總長130km，高壓B管道總長180km。

   ② 數據輸入
   根據管網實際情況，在管網模型中輸入各管道的長度、管徑、壁厚、粗糙度等參數。因為要進行動態(tài)模擬，所以把每個負荷點每小時用氣量輸入到動態(tài)水力計算表中，電廠機組的用氣規(guī)律也要相應地輸入到動態(tài)水力計算表中。
   ③ 動態(tài)計算及結果分析[6]
計算時，作為太陽宮電廠供氣氣源的上游高壓A調壓站的約束條件為最大出口壓力2.5MPa，其他邊界條件為：整個管網的負荷為2010年的負荷，全網高峰小時流量為250×104m3/h，電廠高峰小時流量為16×104m3/h。設置衙門口門站輸氣能力為50×104m3/h，次渠門站輸氣能力為40×104m3/h，采育門站輸氣能力為80×104m3/h，通州門站輸氣能力為80×104m3/h。
將太陽宮電廠機組24小時的天然氣耗量數據輸入管網模型，對整個管網進行動態(tài)模擬。經計算，當電廠采用設計壓力為2.5MPa、DN 500mm供氣供氣管道末端的壓力波動范圍為2.3～2.5MPa。壓力波動范圍滿足整個輸配管網正常運行的要求，也能滿足電廠最低進口壓力的需求。電廠供氣管道末端壓力變化情況見圖3，其中橫坐標1代表0：00—1：00，2代表1：00—2：00，依次類推。
 
 

圖3的壓力變化曲線可以清楚地表明電廠運行的各時間段進氣管道末端壓力的變化，該壓力變化曲線圖為工程前期制定電廠供氣管道方案提供了重要的參考依據。
4 結語
目前我國城市燃氣發(fā)展已進入天然氣時代，在城市天然氣管網的設計中，要樹立穩(wěn)態(tài)及動態(tài)工況的設計理念，借助成熟可靠的水力計算模擬軟件進行分析和計算，并進行多方案的技術經濟比較，以便提出安全可靠、經濟合理、符合實際的燃氣系統(tǒng)技術方案，提高設計質量。
參考文獻：
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(本文作者：馮濤1 武新生2 1.北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 北京 100032；2.北京燃氣懷柔有限公司 北京 101400)