输气管道干线末段储气调峰研究.pdf

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.net第27卷第7期 油 气 储 运输气管道干线末段储气调峰研究商 丽 艳3潘 振 李 清 斌 周 玉 (辽宁石油化工大学环境与生物工程学院) (辽河石油勘探局油田建设工程一公司船舶修造公司)商丽艳 潘 振等:输气管道干线末段储气调峰研究,油气储运,2008 ,27(7) 2730。摘 要 介绍了确定城市天然气调峰量的几种方法,分析了输气管道干线末段储气调峰的原理,结合具体的工程实例,认为输气管道干线末段储气是利用管道本身具有的储气能力,调节平稳 供气和不稳定用气之间的矛盾,是一种便捷灵活的方法。主题词 输气管道 末段储气 调峰 研究一、 前 言随着城市规模的不断扩大,天然气进入城市后, 供气量迅速增加。结合城市的用气规律和上游供气 特点,合理地确定日、 时调节用气量和季节调节用气量及选择储气调峰办法和设施非常必要。 城市燃气用量是不断变化的,特别是民用和商 业性的公共建筑用气量,每月、 每日、 每时都在变化, 高峰低谷差悬殊。但气源的供应不可能完全按照城 市用气时的变化同步调节。为保证用户连续供气, 解决气源供气和城市用气的平衡问题,首先应确定合理的调峰气量1。二、 调峰量的确定1、 日、 时调峰量的确定由于城市居民的生活习惯,商业用户以及一般 工业企业用户的用气规律以周为周期的变化更为明 显,绝大多数居民用户和一般工业用户周一至周五工作,周六和周日休息,商业用户及饮食业周末用气量增加,因此,根据月、 周用气量计算储气系数2 ,3更为合理,储气系数的选择应以全月各周的计算结 果作为参考依据。2、 季节调峰量的确定 季节调峰是指将季节性供大于求时的余气量储存起来,并将该储存量作为补充量,在季节性供小于 求时使用,以达到总的供需平衡。计算年(达到设计 规模时年份)中供大于求的供需月不均匀系数之差 是决定储气系数的主要因数。正确确定季节调峰的 储气系数是重要的,系数过大,会增加储气设施的投资,造成浪费;反之,将失去调峰的意义。季节调峰 是指将季节性供大于求时的余气量储存,在季节性 供小于求时使用,以达到全年的供需气平衡。季节 调峰储气容积系数4 ,5计算公式为:A =1 2(ki- kj)×100 %式中 A 储气容积系数;ki k> 1的月不均匀系数;kj k< 1的月不均匀系数。可参照同类城市月不均匀系数值,并结合本地2, 陈保东:埋地热输含蜡原油管道在线修复时站间温降的计算,油 气储运,2006,25(9)。 3, 吴 明:用数值方法计算管道总传热系数的数学模型及程序系 统,管道技术与设备,1999(1)。 4, 潭浩强:C语言设计,清华大学出版社(北京) ,1999。5, 杨莜蘅:输油管道设计与管理,石油大学出版社(山东) ,1996。6, 李传宪:非牛顿原油的管道摩阻特性,油气储运,1997,16(5)。(收稿日期:2007206226)编辑:孟凡强3113001,辽宁抚顺市望花区丹东路西段1号;电话:13591552636。·72·© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.net区的发展和用气特点,预测本地区最大年份的月不 均匀系数(见表1)。3、 事故调峰 天然气由上游向下游供气时,因管道、 设备损坏以及无法抗拒的因素而引起的非正常停气,都将直 接影响下游的供气可靠性,因此,必须考虑气源的事 故调峰。届时需要调整市内的供气系统,减少发电 厂等大用户的供气量,以渡过事故期。表1 我国部分城市的月不均匀系数月份部分城市的月不均匀系数北京哈尔滨张家口上海南京深圳福建省11.0681.1001.2001.0601.0700.7891.12020.9481.0301.0501.4001.2000.8271.00030.9481.0201.0201.2191.1701.0490.98040.9720.9700.9600.9901.0700.9530.96051.0440.9500.9400.9950.9800.9170.95060.9480.9400.9200.8600.9000.8780.94070.9000.9300.9100.9100.8800.9280.92080.9240.9400.9200.8900.9251.0020.90090.9960.9700.9500.8500.9500.9430.950101.0321.0201.0100.9400.9601.0640.980111.0501.0501.0400.8800.9001.1121.100121.1701.0801.0800.9900.9701.3211.200三、 管道储气调峰原理及算例图1给出了输气管道末端用气量变化曲线,000700是用气的低谷时段,各小时用气均低于平均小时供气量。此时多余的供气量就储存在管道内,其特征是调峰曲线上升至最大值,系统压力升 高,尤其是末端压力上升至最高。7002100是用气的高峰时段,各小时用气量均高于平均小时供气量。此时不足的供气量就由管道内的气体补 充,其特征是调峰曲线逐渐下降至最小值,系统压力下降,尤其是末端压力下降至最低。21002400又重复了000700的过程,在这个过程中,管道系统压力和流量随着末端用气量的变化而 变化,从而使管道运行处于动态(瞬态)条件下。管道储气调峰技术应用的关键在于采用的分析方法6。1、 静态近似法静态近似法7是比较原始的分析方法。假设在储气高峰点时首站压力最高,在低谷点时末端压力最低(见图1中的a、b两点)。图1中a、b两点的用气量等于干线的供气量,也即管段末段起点的流量, 从b点开始,供气量多于用气量,多余的气体积存于末段,末端的压力也开始上升。从a点开始,储气结束,用气量开始多于供气量,逐步从末段中取出气体以弥补不足,所以在a点,末段起点和终点的平均压力都为最高值,即Pmean , min和Pmean , max,随后,伴随着从末段取出气体以弥补不足,压力逐步降低。将a点时管道内的天然气容量减去b点时管道内的天然气容量,即为输气管道的储气量,其计算公式5为:Vs=Vmax-Vmin=D2T0L 4T ZPmean , max-Pmean , min p0式中 Pmean , min 输气管末段储气开始时的平均压力,Pa ;Pmean , max 输气管末段储气结束时的平均压力,Pa ;Vs 输气管末段的储气量,m3;Vmax 输气管末段储气开始时的存气量,m3;Vmin 输气管末段储气开始时的存气量,m3;L 输气管末段的长度,m ;p0 工 程 标 准 状 况 下 的 压 力,p= 101 325 Pa ;T 工程状况下的温度,K;T0 工程标准状况下的温度,K;·82·油 气 储 运 2008年 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.netD 输气管道的直径,m ;Z 工程状况下的压缩因子。 由于天然气具有可压缩性,管道首端运行参数 随末端运行参数的变化而呈现滞后现象。末端压力 最高(a点)时,首端压力并不是最高;末端压力最低(b点)时,首端压力并不是最低。因此.按静态近似 计算的管道储气量有一定的误差,比实际储气量约 低10 %15 %。图1 用气量变化曲线和调峰工作曲线2、 瞬态分析法 瞬态分析法8 ,9是将输气管道的动态运行过程用数学物理的方法进行精确描述,并通过计算机实 现。这种方法可以分析各个时刻指气管道沿线的压 力和流量变化规律,校核管道储气能力。这些软件 编制的根据是气体运动方程、 连续方程和气体状态 方程,并根据管道具体结构及运行条件,辅以相应的边界条件和初始条件进行联合求解。首末端边界条 件除了给出流量条件外,通常还需给出首末端的最 高压力和最低压力。 设管道末端平均供气量为Qg,末端用气量为Qy(t) ,储气调峰曲线为Qs( t)。根据管道储气调峰原理得到:Qs(t) =t0Qg- Qy(t) dt在进行瞬态分析时,将周期T划分为N个有限 的时刻,每一时刻( i)的理论储气调峰曲线又可 写为:Qs(i) =ij =0Qg- Qy( j) tj= 0i , i= 0N式中 t 时间间隔。静态近似法的计算精度不高,而瞬态分析法结合现代计算机技术,使得计算精度大大高于静态近 似法的计算精度,因此,在本研究中采用瞬态分析 法。在末段管道储气调峰研究中,得出管道末端流 量结果,并绘制成曲线。根据上述分析,可以计算出 每一时刻的理论储气量,再比较得出最大值和最小值。用管道末段理论储气量的最大值减去最小值, 即为一个周期内末段管道的储气能力。3、 算 例 某城市管道长L= 200 k m ,管径D= 0.6 m ,压 气站按照压力p(0, t)= 5 MPa ,昼夜平均流量为50m3/ s向管段供气,终端流量随时间变化见图2 ,并 以24 h为一周期发生周期性的变化,城市配气要求 管网的最低压力为1 MPa。气体的相对密度s=0.677 816,工况下气体密度n= 0.816 627 kg/ m3。 输气管道的其它参数为,= 0.03 mm ,c= 320 m/ s ,T= 278 K,Z= 0.87。图2 管道末段流量、 储气量与时间变化曲线根据TVD格式的动态模拟可以求出管道沿线 各个时刻的压力(或密度)、 流量和存气量等参数,进 而求出管道的储气能力。现只列出模拟结果并绘制 成图3。图3 输气管道压力随时间变化曲线·92·第27卷第7期 商艳丽等:输气管道干线末段储气调峰研究 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.net四、 结 论(1)管道瞬时储气量随用气量的周期性变化而变化,但变化趋势相反,并滞后于用气量的变化。管 道的储气能力=管道储气量的最大值-管道储气量 的最小值,在这种条件下,该管道储气量的最大值为102. 766×104m3,最小值为7. 13 277×104m3,到 达时间分别为700和1900。所以,该管道的储 气能力为109. 89 877×104m3。 (2)管道始端压力达到最大和最小的时刻分别是753和2021 ,管道末端压力达到最大和最小 的时刻分别是545和1638。管道末段各点的压力随用气量的周期性变化而变化,但变化趋势相 反,并滞后于用气量的变化,且滞后程度随着离末端 的距离不同而异,离终端距离越远的点,滞后程度越 明显。(3)根据上述管道初期最大时刻和最小时刻以及始端压力达到最大时刻和末端压力达到最小时 刻,可以认为,由稳态计算方法得出的管道储气能力 小于实际的储气能力。其理论依据是,终端压力已 升到最大时,储存阶段接近尾声,由于参数变化滞后 效应,此时管道储气量并未达到最大,始端压力继续 升高进行储气,而终端压力已开始下降,一直到管道 储气量达到最大,储气完毕,管道内储存的气体开始 释放参与供气,起点压力仍在升高,一直达到最大, 始端压力才开始与终端压力同时下降,继续燃气的 消耗过程。与此相反,供气量由小于用气量过渡到 大于用气量。由管道储存量的消耗阶段过渡到储存 阶段,因此终端压力先降到最低,然后再开始升高, 此时管道储气量并不是最小,始端压力变化滞后于 终端压力,一直到管道储气量达到最小,始端压力还 没达到最小,还在降低,直到最小,始端压力才开始 与终端压力同时升高,继续燃气的储存过程。如此 进行周期性反复。在这一点上,理论和实际是一 致的。 根据上述结果,可以计算出管道的储气能力,了 解管道末段储气是否能满足用户的用气要求,如果 不能满足就采取其它的调峰措施,例如储气库等,可 以为供气系统的设计、 规划及运行管理提供理论性 指导。参 考 文 献1 , 王学军 林敬民 沈永良:管道储气调峰的投资与经济分析,煤气与热力,2003 ,23(4)。2 , 唐建峰 段常贵:燃气长输管道动态模拟及末段储气研究,油气储运,2000 ,19(7)。3 , 梁 烜 陈庆勋:单气源多用户管道的储气调峰,油气储运,2004 ,23(2)。4 , 安家荣 刘 惠:长距离输气管道储气调峰方式的选择,油气储运,2004 ,23(8)。5 , 李猷嘉:长输管道末段储气量的计算与分析,煤气与热力,2002 ,22(1)。6 , 姜笃志 宫 敬:管道末段储气调峰分析方法,油气储运,2005 ,24(6)。7 , 周 游 田贯三 刘 燕:数值解法模拟长输管道末端储气规律,油气储运,2004 ,23(7)。8 , 应隆安 滕振寰:双曲型守恒律方程及其差分方法,科学出版社(北京) ,1991。9 , Junyang Zhou ,Michael , Adewumi A : Simulation of transientsin natural gas pipelines using hybrid TVD schemes , Meth.Fluids ,2000(32) .(收稿日期:2007206222)编辑:孟凡强下 期 要 目利用盐穴储备战略石油的技术要点分析谭羽非等管输天然气市场的影响因素及灰色关联分析赵晓琴等建设期油气输送管道完整性管理的数据采集王立辉等华池 曲子长输热油管道运行效率优化研究崔之健等降凝剂工业试验中流程卸压取样的方法张 绚等结蜡厚度与土壤总传热系数相关性影响研究张冬敏等基于相似理论的有害气体泄漏扩散规律的研究邵 辉等水力清管技术流动规律研究倪玲美管道压缩机状态监测系统的灵敏监测技术及应用华 遵等·03·油 气 储 运 2008年 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.net作 者 介 绍杨祖佩 博士生导师,教授级高级工程师,1949年生,1976年毕业于山东青岛化工学院机械专业,1987年硕 士毕业于中国石油大学(华东) ,现任中国石油管道公司总经理助理,中国石油学会石油储运专业委 员会副主任兼秘书长,中国石油大学、 天津民航学院、 大庆石油学院兼职教授,油气储运 杂志社主 编,享受政府特殊津贴。 帅 健 博士生导师,教授,1963年生,1982年毕业于武汉化工学院化机专业,现为中国石油大学(北京)机 电工程学院从事油气储运安全、 工程力学的科研与教学工作。 刘俊娥 博士生导师,教授,1965年生,1987年毕业于河北工程大学机械专业,1994年获大连理工大学计算 机专业硕士学位,1998年获得天津大学系统工程专业博士学位,现为北京物资学院信息学院从事 系统优化与运筹技术、 风险分析与管理工作。 李 莉 高级工程师,1972年生,1996年硕士毕业于天津大学化学工程系化学工程专业,现任中国石油管道 研究中心科研办公室主任工程师,天津大学管理学院管理科学与工程专业在读博士生。 史建刚 工程师,1963年生,1986年毕业于重庆石油学校石油矿场机械专业,现任新疆油田分公司油气储运 公司副调度长。 田 娜 助教,1980年生, 2006年硕士毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业,中国石油大学(华东)在读 博士生,现在辽宁石油化工大学从事油气储运教学与研究工作。 商丽艳 助教,1980年生,2007年硕士毕业于辽宁石油化工大学环境工程专业,现在辽宁石油化工大学从事 油气储运及管道腐蚀与防护的教学与研究工作。 张 建 教授级高级工程工,1965年生,1987年毕业于中国石油大学(华东)油气储运工程专业,现任胜利油 田胜利工程设计咨询有限公司总工程师。 郭敏智 高级工程师,1954年生,1979年毕业于中国石油大学(华东)机械系储运专业,现任中国石化华东管 道设计研究院院长。 徐志锋 副教授,1963年生,2001年毕业于清华大学工程力学系,获博士学位,现在河北石油职业技术学院 管道工程系从事力学教学与管道工程技术研究工作。 席光峰 工程师,1978年生,2004年硕士毕业于山东大学(原山东工业大学)材料科学与工程学院焊接专业, 现在山东省特种设备检验研究院从事压力容器和压力管道的检验研究工作。 鲜 宁 助理工程师,1980年生,2007年硕士毕业于西北工业大学材料学专业,现在中国石油天然气石油管 力学和环境行为重点实验室四川分室从事材料的腐蚀与防护技术研究工作。 汪承龙 工程师,1974年生,1998年毕业于承德石油高等专科学校工业企业电气化专业,现在中国石化管道 储运公司潍坊输油管理处从事电气管理工作。 张石超 工程师,1974年生,1998年毕业于西安石油大学焊接工艺及设备专业,现在中国石油管道公司技术 服务中心从事压缩机管理工作。 刘培军 工程师,1974年生,1997年毕业于西南石油学院石油天然气储运工程专业,现在中国石油管道公司 技术服务中心工作。 邹永胜 工程师,1962年生,1998年毕业于沈阳工学院机械电子工程专业,现任中国石油管道公司塔里木输 油气分公司经理。 颜爱政 工程师,1971年生,1994年毕业于南京师范大学精细化工专业,现在中原石油勘察设计研究院从事 油气长输管道工程、 油气集输管道工程、 石油化工工程设计工作。 孟繁春 高级工程师,1962年生,1982年毕业于山东工业大学工业自动化专业,现任中亚管道公司副总经理 兼中乌天然气管道公司总经理。 尤怀安 工程师,1966年生,1987年毕业于承德高级技术专科学校热工专业,现在中国石化管道储运公司徐 州输油管理处从事加热炉设备运行技术管理工作。·86·油 气 储 运 2008年 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.net© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.net