基于序貫?zāi)K法的川渝管網(wǎng)輸氣站壓損過(guò)程模擬技術(shù)

梁光川 李琳 游赟

1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院

基于序貫?zāi)K法的川渝管網(wǎng)輸氣站壓損過(guò)程模擬技術(shù)

梁光川1李琳1游赟2

1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院

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(duì)輸氣站在管網(wǎng)中的重要性和站場(chǎng)設(shè)備多樣性的實(shí)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(xué)模型，運(yùn)用序貫?zāi)K法開展了輸氣站壓損過(guò)程模擬技術(shù)研究，開發(fā)了天然氣輸氣站過(guò)程模擬軟件。運(yùn)用模擬軟件對(duì)川渝地區(qū)典型輸氣站運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：?jiǎn)卧O(shè)備模擬壓損計(jì)算的相對(duì)誤差大部分低于5%，全壓損計(jì)算的相對(duì)誤差也在10%左右，驗(yàn)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(yùn)行提供有效的技術(shù)支持。

川渝地區(qū) 輸氣站 壓力損失 過(guò)程模擬 序貫?zāi)K法 安全運(yùn)行

輸氣站是輸氣管道工程中各類工藝站場(chǎng)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(gè)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)1.26×104km，設(shè)有各類集輸氣站1 174座。過(guò)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(guò)程的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型的求解得到該過(guò)程的相關(guān)信息。國(guó)內(nèi)外對(duì)天然氣過(guò)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(duì)輸配管網(wǎng)所進(jìn)行的模擬相對(duì)較少［1－6］。雖然現(xiàn)在國(guó)外一些成熟的管網(wǎng)計(jì)算軟件具有一定的模擬計(jì)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(chǎng)模擬軟件。如ATMOS GSIM對(duì)設(shè)備分類不全，不能完全模擬站場(chǎng)的實(shí)際工況；PIPENET也只將設(shè)備（如收發(fā)球筒、匯管等）看作一個(gè)等壓容器，將壓力損失看作管件的局部阻力損失，而把站場(chǎng)內(nèi)設(shè)備都用節(jié)點(diǎn)替代。因此，針對(duì)輸氣站流程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從系統(tǒng)的角度建立過(guò)程模型，借助計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算來(lái)認(rèn)識(shí)、分析以及預(yù)測(cè)運(yùn)行中的各類問題，具有十分重要的意義。

1 輸氣站過(guò)程模擬模型的建立

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

1.1 工藝單元數(shù)學(xué)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(xué)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(duì)象建立工藝單元模型。

站內(nèi)管線的壓降通常相對(duì)于總壓來(lái)說(shuō)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)；w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(jìn)口、出口和絲網(wǎng)除霧器處，其壓降模型為：

式中ζ1、ζ2、ζ3為進(jìn)出口及絲網(wǎng)處的局部阻力系數(shù)；v1、v2、vg為進(jìn)出口及絲網(wǎng)處的氣體流速，m／s；ρ1、ρ2、ρ3為進(jìn)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ρg為除塵器內(nèi)條件下的氣體密度，kg／m3；v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(lái)表示。常用的有過(guò)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(guò)程矩陣尤其適合于系統(tǒng)順序計(jì)算的需要，本文采用了過(guò)程矩陣進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建模。

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

式中SO，j為設(shè)備Aj的輸出物流的信息，SI，j為設(shè)備Aj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；Aj為設(shè)備j的計(jì)算函數(shù)，它可由若干方程組成，包括每一個(gè)設(shè)備的計(jì)算模型；PO，j、PI，j，TO，j、TI，j，F(xiàn)O，j、FI，j，xO，j，k、xI，j，k，yO，j，k、yI，j，k分別代表輸出物流SO，j和輸入物流SI，j的壓力、溫度、流量、組分k的液相摩爾分?jǐn)?shù)、組分k的氣相摩爾分?jǐn)?shù)。

2 輸氣站過(guò)程模擬模型的求解

2.1 求解的方法

建立的描述輸氣站過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常是一個(gè)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(jì)算單元，通過(guò)單元模塊的序貫計(jì)算來(lái)求解系統(tǒng)模型；聯(lián)立方程法是將描述工藝過(guò)程的模型方程一起求解，加快了計(jì)算速度；聯(lián)立模塊法又稱雙層法，整個(gè)計(jì)算被分成了流程水平和模塊水平2個(gè)層次，是用單元模塊的嚴(yán)格模型確定其簡(jiǎn)化模型的各項(xiàng)系數(shù)，然后用簡(jiǎn)化模型構(gòu)成聯(lián)立方程組來(lái)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(diǎn)：

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(jì)算可以達(dá)到很高的效率。

2）在流程水平上，無(wú)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(guò)程中的物流互相對(duì)應(yīng)，易于為工程師所理解。

4）當(dāng)計(jì)算不收斂或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，便于進(jìn)行診斷。

2.2 模型的求解

序貫?zāi)K法通過(guò)設(shè)立對(duì)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(xué)模型。

在輸氣站過(guò)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(guò)程模擬中作為模塊被調(diào)用，計(jì)算機(jī)按照計(jì)算順序進(jìn)行過(guò)程模擬計(jì)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(guò)分割和排序得到各子模塊的計(jì)算順序。

3）將包含循環(huán)過(guò)程的子模塊進(jìn)行斷裂，設(shè)置收斂單元。

4）排定包含循環(huán)過(guò)程的子模塊內(nèi)各單元的計(jì)算順序。

5）按照單元及子模塊的順序求解整個(gè)系統(tǒng)。

此過(guò)程可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)編譯程序，構(gòu)建輸氣站過(guò)程模擬軟件。軟件基于中文Windows操作平臺(tái)，計(jì)算數(shù)據(jù)與流程圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采用打包存儲(chǔ)形式進(jìn)行調(diào)入、轉(zhuǎn)換，形成計(jì)算所需的識(shí)別代碼。最終計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)按工藝流程圖結(jié)構(gòu)形式以簡(jiǎn)單、易懂的形式輸出，以此建立輸氣站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)表，為評(píng)價(jià)輸氣站壓損情況提供標(biāo)準(zhǔn)。

3 軟件應(yīng)用分析

為驗(yàn)證模擬的有效性，應(yīng)用建立的輸氣站過(guò)程模擬軟件對(duì)川渝地區(qū)某輸氣站進(jìn)行壓損模擬分析。根據(jù)輸氣站實(shí)際情況，天然氣在站內(nèi)順序通過(guò)匯氣、分離、計(jì)量、過(guò)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）。

圖1 輸氣站工藝流程圖

圖2 輸氣站結(jié)構(gòu)單元圖

通過(guò)輸氣站過(guò)程模擬軟件的模擬計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與各主要生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際壓損數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(shí)，將軟件模擬的全流程參數(shù)計(jì)算所得的站內(nèi)壓損與該站實(shí)際生產(chǎn)中的壓損數(shù)據(jù)進(jìn)行比較列表，結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

表1 單體設(shè)備壓損與軟件模擬壓損的對(duì)比表

應(yīng)用過(guò)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(guò)程模擬數(shù)學(xué)模型，闡述了序貫?zāi)K法的解算方法，設(shè)計(jì)了川渝管網(wǎng)輸氣站過(guò)程模擬軟件。實(shí)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(jì)算相對(duì)誤差大部分低于5%，全壓損計(jì)算的相對(duì)誤差也在10%左右，說(shuō)明基于過(guò)程模擬的輸氣站模擬軟件可實(shí)現(xiàn)輸氣站壓損及運(yùn)行情況的考核評(píng)價(jià)。目前，該軟件現(xiàn)已在中國(guó)石油西南油氣田公司投用，為輸氣站場(chǎng)的安全高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的技術(shù)支持。

表2 輸氣站壓損與軟件模擬壓損的對(duì)比表

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

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

［3］化工部工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.HG／T 20570.7—95管道壓力降計(jì)算［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

［4］楊友麒.過(guò)程流程模擬［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，1995，12（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(duì)標(biāo)指標(biāo)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.

Sequential modular approach－based process simulation for the gas transmission station pressure loss analysis in Sichuan and Chongqing pipeline networks

Liang Guangchuan1，Li Lin1，You Yun2
（1.School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China；2.School of Oil and Gas Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.92－95，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

A well developed network system for natural gas collection and distribution has been formed in Sichuan and Chongqing areas.To reduce the pressure loss and enhance the transmission capacity of pipelines，a mathematical model for the gas station process units and system structure is built based on the importance of a gas station and the diversity of facilities at the station.The simulation technical research is also performed on the pressure loss process of a gas station by means of the sequential modular method，on this basis，a software is thus developed for simulating the operation process at a gas station.With this software，the working process and conditions were simulated in a typical gas station of this study area.As a result，by simulation calculation，most relative errors of the pressure loss of each unit at this station were less than 5%，while that of the total pressure loss calculation was about 10%，which confirms the reliability of the software.The technique can effectively support the safe and secure operation of gas stations.

Sichuan and Chongqing area，gas transmission station，process simulation，sequential modular approach，pressure loss

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.020

梁光川等.基于序貫?zāi)K法的川渝管網(wǎng)輸氣站壓損過(guò)程模擬技術(shù).天然氣工業(yè)，2012，32（8）：92－95.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.020

梁光川，1972年生，副教授，博士；2003年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院；主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)方面的研究工作。地址：（610500）四川省成都市西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院。電話：（028）83037006。E－mail：lgcdjr＠163.com

（修改回稿日期 2012－06－05 編輯 何 明）

Liang Guangchuan，associate professor，born in 1972，graduated from Southwest Petroleum University with a Ph.D degree.He is mainly engaged in researches into oil and gas storage and transportation engineering.

Add：No.8，Xindu Avenue，Xindu District，Chengdu，Sichuan 610500，P.R.China

E－mail：lgcdjr＠163.com