西安市天然气工程储气方案优化研究.pdf

第 2 4卷第 9 期 天然气工业 西安市天然气工程储气方案优化研究 * 唐建峰 段常贵 吕 1 ．石 油大 学 华 东 2 ． 哈尔滨 业大 学燃 气 教研 室 文哲 王 圣 吉。 3 ． 中国石 化胜 利 油 田有 限公 司东 辛采 油厂 唐 建峰 等． 西安 市天 然 气工 程储 气方 案优 化研 究． 天然 气工 业 ， 2 0 0 4 ； 2 4 9 1 4 5 ～1 4 7 摘 要 针对 以高 压 天然 气 为主 要气 源 的城 市 ， 为解 决天 然 气 日、 时供 需矛 盾 ， 其 可行 的储 气 方 式通 常是 建 设 高 压储 罐或 采用高 压 管道储 气。储 气 方案优 化 研 究就是 对 各方 法进行 技 术经 济 分析 ， 从 而遴 选 出最 优 方案 。此 项 工作 的前提 就 是 要较 精确 地计 算 出城 市高 压燃 气管 道 的储 气能 力 ， 而储 气 能 力的计 算 精确 度 又 与城 市高 压燃 气管 道 动 态模 拟 的准 确性 密切 相 关。 为此 ， 基 于 气体 管流 基本 方 程组 、 实 际 气体 S HB WR状 态方 程 、 焓 方 程及城 市高 压 燃 气 管道 的初 始 和边 界条 件建 立 了静 、 动态 数学模 型 ， 先 后 采用 四阶龙格 库 塔 法及 隐式 有 限差 分 法对 静 、 动 态数 学模 型进行 了数 值求 解 ， 并 采用 C b u i l d e r 编 制城 市 高压燃 气管道模 拟 软件 。针 对 西 安 市天 然 气所 属 的输 配 系 统， 研 究确认 ， 利用 高压 管道 储 气在 技 术上 是 可行 的， 在 经 济 上是 合 理 的。随 着“ 西 气东 输 ” 等 工 程 的进 展 ， 在 城 市 内利用 高压 管 道代 替 高压储 罐 储 气 ， 将会 节 约 巨大 的投资 和运 行 费用 ， 并具 有 广 阔的应 用前 景 。 主题 词 天 然气 调 峰 数 值模 拟 高压 储存 方案 优 化设 计 西安 市 随着“ 西气东输” 等工程 的进展 ， 燃 气在工 业 、 民 用 、 采暖 、 空 调 、 燃 气 汽 车 中 的应 用 比重 不 断 增 加 。 因此 ， 城市 用气 的 日、 时不均匀 调峰 越来越 重要 。对 于 以高压天 然 气作 为城 市气 源 ， 其 可行 的储 气方 式 通 常是建设高 压储 气罐 或 采 用高 压 管道 城 市高 压 半 环管 、 高压环网或高压 管束 储气 。西安 市天然 气 城 市气 化工 程气 源 引 自靖 边 至西 安输 气管 线 ， 如 果 采 用高压储气罐 调 峰就需 建 设 6个 11 0 m。几何 容 积 的 高 压 储 气 罐 合 计 有 效 储 气 容 积 4 5 1 0 m。 ， 加上高 压管道 有效储 气 容积约 5 1 0 m。 投 资高达 2亿 元 。其 中建 罐 1 ． 5亿 元 ， 高 压 管道投 资 0 ． 5亿 元 ； 若采 用管道作 为 日调 峰 的主要手段 ， 虽 然要加 长管道并加大管径 ， 增 加管 道 的建设 费 用 ， 但 可节 省储 气罐投资 ， 并大大 降低运 行费 用 。为 此 ， 西 安市天然气 总公司对西安市储 气方案进行 了优化 。 一 、高压燃气管道模拟软件 1 ． 高压燃气管道动态模拟数学模型的建立及求解 西安市调 整后高压管线布 置图见图 1 。 城 市高压燃 气管道各 个分输 气点的分输 量是随 图 1 西 安市 高压 管线 布置 图 城市 用气 T况 时刻 变化 的 ， 管 道流 量 的变 化 必然 导 致压力变化 ， 同时 又 由于 气体 的可 压 缩性 ， 压力 、 温 度 、 流速和 密度等参数 的变化将发生滞后 和 衰减 ， 因 *本 成果 属 于 西安 市科技 攻 关项 目。 作者 简 介 唐 建 峰 ． 1 9 7 3年 生 ， 讲师 ； 1 9 9 9年 硕 士毕 业 于哈 尔滨 建 筑 大学 供 热 、 供燃 气 、 通风 与 空调 工 程专 业 ， 现在 石 油大 学 华东 任教 。地 址 2 5 7 0 6 1 山东 东 营石油 大学 储 运 与 建筑 工 程 学 院储 运 工 程 系 。电话 0 5 4 6 8 3 9 1 0 8 9 。E ma i l t a n g j f m a i l ． h d p u ． e d u ． c n 1 45 维普资讯 天然气工业 2 0 0 4年 9 月 而 整条城 市 高压 燃 气 管 道 运 行 工 况 始 终 处 于 动态 不稳定流 的过程 中。研 究管道 不稳定 流动 工况动 态 特性 的主要 方 法是 数学 模拟 ， 该 流 动工 况 的模拟 必须 按不稳定流动方法进行 分析 、 研 究和计算 。 经过对城市高压燃气 管道不 稳定流 动进 行 的系 统 理论 研究 ， 采用基 于 刚性 管道 的未 忽略 任何 项 的 气 体管 流 的基本 方程 组 建立静 动态 数学 模 型 ， 为使 方程组封闭 可解 ， 以密度 、 质量 流 量 、 温度 作 为 未知 量 ， 补充实 际气体 S HB WR状态方 程 、 焓方程 及城市 高压燃气管道 的边 界条 件 和初始 条 件o。先后 采用 四阶龙格库塔 法 对静 态数 学 模 型 ， 采 用 隐式 有 限 差分法对动态数学模 型进 行数值求解 。 。 2 ． 高压燃气 管道储 气能力计算 城市高压输气 管道各 个分输 气点 的压力 就是高 中压 调压站 的进 站 压力 ， 各 个分 输气 点 的流量 就是 配气 站 向城 市 的供气 量 ， 这 个压 力 和流量 都 随着城 市的耗气量而 在一 定 的范 围 内时 刻变 化着 西 安 市 二期高压燃气管道 各分输 气点 的分输气 工 况如 图 2 所示 ， 这一切 导 致 了长输 管 线运 行 过程 中， 沿 线各 处压 力 、 流量 、 密 度 等一 系列 参 数 随时 间 不 断 地变 化 ， 则 管 内气 体 的平 均 压力 也相 应有 一个 最 高和最 低 值 ， 如 果适 当地选 择储 气 管段 的始 终点 压力 波 动 范围和管段 容积 ， 即可使管线具有需 要的储存能力 。 1 6 0 0 0 l 4 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 4 -6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 O 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 O 图 2 各 调压 站 一周 的 供气 规律 图 通 过上述 高 压燃 气管 道动 态模 拟 ， 已得 到管道 沿线各点 的压力 、 流量 、 密度 等 参 数 ， 至此 即可 进行 高压燃气管道储 气量计算 。 对于任一微 元段 V 一 10 N VM 一 1 将 实际状态下瞬时气 量转换成标 准状 态下 的气 量 vM 一 卫 v ， v 一 A 2 D NI 整 条管道瞬时气量 V 一 VM 3 则 高压燃气管道储气量 V V⋯ 一V⋯ 4 式 中 J0表示第 i 微 元段 密度 ， k g ／ m。 ； V 表示第 i微 元段 瞬时气 量 ， m。 ； 表示第 i微元段标准状态下 密 度 ， k g ／ m。 ； V 表 示第 i微 元段 标 准状 态 下 瞬 时气 量 ， m。 ； 表示第 i 微 元段 燃 气 质量 ， k g ； V 表 示整 条管道 瞬时气量 ， m。 ； V⋯ 表示 整条管 道最高 瞬时气 量 ， m。 ； V⋯表示整 条管道最低瞬时气量 ， m。 。 3 ． 软件功能 1 城市高压燃气 管道静态模拟 。 2 城市高压燃气 管道动态模拟 。 3 城市高压燃气 管道静态储气量计算 。 4 城市高压燃气 管道动态储气量计算 。 5 调整原始参数 ， 根据 不 同工 况下 的模 拟结 果 可完 成 其他 一些辅 助 功能 ， 如 研究 不 同工况 下管 道 沿线 压 降及 温降规 律 、 确 定管 道调 峰 能力及进 行 管 道参数 管径 核算等 。 二 、 储气 方案的分析及确定 西安市天然气供应所需的总储气容积为 9 5 1 0 m。 ， 其中一期工 程 已建 成 的高 压储 配站 ， 储 气 能 力 为 3 4 1 0 m。 ， 一期工程高压 管道储 气能力为 4 1 0 m。 ， 原有煤 制气 系统 中设 置有低 压储 气罐 ， 可 利 用有效储 气容积 7 1 0 m。 。则 二期 工 程需要 建 设 的储气设施 总储 气量为 5 0 1 0 m。 。 o 利用城 市高压燃气管道模 拟软件 对西安 市调 整 后 高压管 线 不 同管 径方 案进 行计 算 ， 各 方案计 算结 果见表 1 。 由表 1可 以看 出 方案 3 、 4 、 5 、 6均 能满 足储 气 量 的需 要 ， 但 为 了施 工 、 维 修 方 便 及运 行 可 靠 性 考 虑 ， 同时为 了增 强 与原高 压储 气罐 设计 方案 的可 比 性 ， 选 用 方案 5为最 佳方 案。 即管道长度 为 3 9 ． 7 9 9 k m， 全 程 管 径 为 1 5 0 0 mm， 计 算 得 到 总储 气 量 为 5 4 ． 9 7 7 1 0 m。 。如 果 出于将 来 运 行考 虑 比如 废 除低压储气 罐 ， 则需 要 5 91 0 m。的储 气量 ， 可 以 考虑选用方 案 6 。 o 中 国市 政 l丁程 华北 设计 研 究 院 ， 西安 市 天然 气城 市气 化 二期 工程 可行 性研 究 报告 。 1 46 维普资讯 第 2 4卷第 9 期 天然气工业 表 1 不 同管 径储 气 量对 比表 方 管 径 静态 计算 储 气量 动态 计算 储 气量 案 mm 1 0 m。 1 0 r n 。 1 1 3 0 0 4 0 ． 0 5 8 4 1 ． 2 5 9 2 1 4O O 46． 804 48．2 07 3 1 400． 1 50 0 5 0． 546 52．611 4 1 500． 1 40 0 49． 966 51． 464 5 1 5 00 53．37 7 5 4．9 77 6 1 5 0 0。 1 6 0 0 5 7 ． 7 1 5 5 9 ． 4 4 5 注 方案 3中 1 4 0 0 m m管道长 2 O ． 8 8 k m， 其余为 1 5 0 0 m m 管道； 方案 4中 1 5 0 0 1T I I I3 管道长 2 O ． 8 8 k m， 其余为 1 4 0 0 n l n l 管 道； 方案 6中 1 5 0 0 mm管道长 2 O ． 8 8 k m， 其余为 1 6 0 0 mm管道； 其他方 案 管线 全程 均为 等管 径 。 三 、 所选方案的进 一步分析 为 方便 系统 的运 行 调度 ， 对所 选方 案进 行 了详 细的计算分析， 计算得出了一周中管道各关键节点 的的压力 工况 ， 由于 管 道较 短 ， 压 降 较 小 ， 因此 各调 压站 的压 力变 化不 明显 ， 故 在此 只列 出 1号调 压 站 压力变 化规律 ， 见图 3 。不 同时刻 管道 内储有气量 变 化 ， 见图 4 。 9o 8O 7 O f、 6O g 5 0 40 30 基2 O 1 O O 图 3 1号调 压站 压 力变 化规 律 图 图 4 不 同时 刻管 道 内储 有气量 变 化 图 由图 2 ～4可 以看 出 城 市高 压燃 气管道 各分 输 气点处 压力及管道储 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 变 化 。 变 化 规律 与理 论相吻 合。 四、 管道储气 与高压罐储气 方案的比较 方 案的经济性包 括投资 费用和运行 费用 两个方 面 。分别从 这 两个 方 面 ， 对所 选 高压 管道 储气 方 案 方 案 5 和原设计 的高压储配站储气方 案进行 比较 ， 结果见 表 2 。 表 2管道 储气 与 高压 罐储 气方 案经 济 比较 管 道储 气 方案 5 高压 罐储气 投 资 费用 1 ． 7 2 5 5 亿 元 2 ． 6 6 4亿 元 只 有 线 路 维 护 费 储配站 人员 工 资 、 开 罐检 线路 维 护 费 一 般 查等 按 国家规 范规 定 A 运 行 费用 来 说 与 线 路 长 度 级高压储气罐每 6 年需要 成正 比， 与管道 直 开罐检查一次， 用氮置换 大约 需要 经 费 2 0 0万 元／ 径 几乎 无关 罐 次 ① 利 用 高 压 管 道 储 气 可 节 省 0 ． 9 3 8 5亿 元 ， 同 时 比 原 设 计 高 压 罐 储 气 方 案 增 加 了 4 ． 9 7 7 1 0 r n 。的储气 量 。 结论 ②高压储气罐的运行费用显然要远 远高 于高 压管 道 。 ③无论 是投资还是运 行费用 ， 城市 高压管道储 气 和高压储配站储 气相 比， 都具有较好的经济性 。 五 、 结 论 1 城 市利用高压 管道储 气在技术上是可行 的。 2 城 市利用高压 管道 储气 在经济上 是合理 的 ， 不仅节省投资 ， 同时也 节省运 行费用 。 3 利用城 市 高压 半 环管 或高 压 环管 作 为储 气 措施 提高 了系统 的可靠性 ， 实现 了多点供 气 ， 改善 了 系统的运行工况 。 4 利用 高压管道储气 比用 高压罐储 气更安 全 ， 不 易发生着火 、 爆炸等事故 。 5 利用 高压管道储气 更符 合环保要 求 ， 避免 了 高压储气罐开罐检查时 ， 大量天然气放空而造成的 环 境污染 。 参 考 文 献 1 姚 光镇 等． 输 气 管 道 设 计 与 管 理． 山 东 东 营 石 油 大 学 出 版 社 ， 1 9 9 1 2 唐 建峰． 燃 气 长输 管道 动 态模 拟 及 末段 储 气 研 究． 油 气储 运 ， 2 0 0 0 ； 7 3 唐建 峰 ． 燃 气 长输管 道 静 态模 拟 及 末段 储 气 研 究． 油 气储 i 云 ． 2 0 0 0 9 修改 回稿 13期 2 0 0 4 0 7 - 0 4 编辑居维清 1 47 维普资讯