（油气储运工程专业论文）川气东送管道工程优化运行技术研究.pdf

t h es t u d yo fo p e r a t i o n - o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo fs i c h u a nt oe a s t g a s p i p e l i n ep r o j e c t l if a n g ”a n ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iy u x i n g a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s s i v eg r o w i n gd e m a n df o rh i g h - q u a l i t yc l e a ne n e r g ya n df u e l ，s u c ha s n a t u r a lg a s ，q u i e tg r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u e s l e v e lo fn a t u r a l g a sl o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n p i p e l i n en e t w o r kt r a n s m i s s i o ns y s t e mg r a d u a l l yb e c o m e s m o r ec o m p l i c a t e d o nt h eo n eh a n d ，t oa n a l y z ea n dd e a l 谢t l lt h ea c c i d e n t - o p e r a t i n go ft h e p i p e l i n es y s t e m ，t op r o v ea n dp u tf o r w a r dt h er a t i o n a lo p e r a t i o ns c h e m e ；o nt h eo t h e rh a n d ， t h ep r o d u c t i o n , s u p p l ya n ds e l lo fn a t u r a lg a sd i r e c t l ya r ei n f l u e n c e db yo p e r a t i o nc o n d i t i o n s o ft h ep i p e l i n es y s t e m s s o ，w es h o u l df i n do u tm u t u a li n f l u e n c ea n df l o w i n gr e l a t i o na m o n g e a c hp a r a m e t e ri nt h ep i p en e t w o r k ，t om a k ei t sr a t i o n a ls c h e d u l i n ga n do p t i m i z i n gr u n n i n g t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no p t i m i z a t i o na n a l y s i so fs i c h u a nt oe a s tp i p e l i n ei sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r ；a c c o r d i n gt om a n yi n f o r m a t i o nw h i c hih a v eg a t h e r e d ，m a n ys c h e m e so ft h e p i p e l i n ea r ec o m p u t e df o rs o m et y p i c a ls c e n a r i o sb ym e a n so fs p s ：s u c ha sc o m p r e s s o rs e t ， f a u l ta n a l y s i sa n dr e l i e fg a s f r o mt h ed i s c u s s i o no nt h eo p t i m a ls c h e m e s ，s o m eb a s i cr u l e sa r e s h o w n ，w h i c hw i l lb eh e l p f u lt ot h ed e c i s i o n - m a k i n go nt h eo p e r a t i o na n dt h el a t e re x p a n s i o n o ft h ep i p e l i n e t h es o f t w a r es p sh a sb e e nu s e dt oa n a l y z et e c h n o l o g ys y s t e m ：e x c e p tf o rc o m p r e s s o rs e t ， u n d e r c o a ta n dt e c h n o l o g yf l e x i b i l i t y , o p e r a t i o no fb r a n c ha l o n gt h ep i p e l i n e ，o p e r a t i o no f l e a k a g ea n dj a l t la r ea l s oa n a l y z e d v a r i a b l eo fp a r a m e t e r so fg a sp i p e l i n ea r ed e s c r i b e db y g r a p h si nn o r m a lo p e r a t i o n ，i tc a ns t u d yb l o wd o w nt i m ea n ds u r v i v a lt i m eo fn a t u r a lg a s p i p e l i n e i ta l s oc a nb eu s e dt oe v a l u a t ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fd e s i g n ，m e a n w h i l et o i n s t r u c to p e r a t i o no ft h ep i p e l i n ea n di n c r e a s ee c o n o m i ce f f e c t k e y w o r d s ：c o m p r e s s o rs e t ，o p e r a t i o nc o n d i t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，r e l i e fg a s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：兰至：至! 虱日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者躲垄查盟 指导教师签名： 日期： 日期： 年月 日 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题背景及其目的、意义 第一章绪论 二十一世纪初将是我国天然气工业的快速发展时期，“西气东输”、“俄气入境 、“海 气上岸及进口l n g 等工程项目的实施将较大幅度地提高天然气在我国次能源结构 中的比重。我国天然气资源主要集中在中西部地区，而天然气利用的市场主要集中在东 部及沿海地区，川气东送工程的目的就是将我国西部地区丰富的天然气资源通过管道输 往急需清洁能源的东部地区。 川气东送管道系统是一个典型的单气源，多用户的枝状管网系统，拥有长达1 7 0 0 k m 的干线和多条支线。其用户包括城市燃气用户、工业用户、电厂用户和区域管网公司等 类型的用户。这些干线、支线和压气站、分输站等组成了一个复杂的水力系统，只要其 中一处参数发生变化，必然带来全线运行状态的变化。特别是其运距长、用户多、非常 复杂的特点，这就给管道的安全、经济的运行管理带来了挑战，管道管理者要随时了解、 掌握和调整管道的运行状态，达到安全、经济的管理管道的目的，必须要对输气管道进 行模拟研究。而要对这样一个复杂系统做出精确的运行管理是一项非常困难的工作。为 此，在收集大量资料和数据的基础上，根据川气东送管道系统的物理模型，对系统在不 同输量下的工况进行了模拟分析。 与国内现有的干线输气管道相比，川气东送管线具有距离长、输量大、压力高、压 气站数目多、沿线分输点多等主要特点。这些特点决定了其每年要支出大量运行维护费 用( 包括能耗费) ，同时也意味着降低其运行维护费用的潜力较大。在运行维护费用中， 用于气体压缩的能耗费用在很大程度上取决于管线的工艺运行方案，而其它费用与工艺 运行方案的关系不是很密切，因此在管线运行过程中，降低其运行维护费用的主要途径 就是通过合理选择工艺运行方案来降低压气站的能耗费用。由于川气东送管线的压气 站数目及其配置的压缩机组数目多，因而在各管段的输气流量等条件一定的前提下，该 管线可供选择的稳态工艺运行方案的数目较大，这一方面为方案优选提供了较大的空 间，另一方面也增加了方案优选的难度，以至于管线的运行调度人员很难凭直觉和经验 确定最优运行方案。 应用模拟软件进行模拟，具有以下必要性1 2 1 ： ( 1 ) 上中下游平稳运行的需要 长输天然气管道是连接上游气田和下游用户的纽带，其生产运行直接关系到上游气 第一章绪论 田的生产安排、产能建设和下游用户的气量需求。上游气田根据下游市场需求以及天然 气管道输气能力安排产能建设，以确保天然气的供应。天然气管道公司要求管道平稳运 行，以减少对工况调整及设备运行方式的切换，更好地安排设备运行和检修等工作。下 游用户气量的波动也直接影响着管道的运行和上游气田的生产。这些情况都要求长输天 然气管道的生产运行要用科学的高效的决策手段进行管理，以降低各种风险，确保输气 管道的平稳运行。 ( 2 ) 提高经济效益的需要 对于管道输送企业，控制管道运行成本是其经营管理的重要内容，优化运行工作是 运行管理工作中的重中之重。运行方案直接关系到各压气站的运行模式，关键点的参数 控制也直接影响到压缩机组的工作效率，根据上下游情况制定合理的运行方案，及时调 整各站场运行方式，合理安排生产，大幅度降低运行成本，提高经济效益，都要求模拟 软件提供正确及时的分析。 ( 3 ) 提高运行管理水平的需要 近几年，随着一批天然气管道项目的实施，天然气行业在国内迅速发展，用户数量 迅速增加，用户需求量逐年大幅度上升。输气生产面临的形势越来越严峻，如何合理匹 配用户用气量，提高运行可靠性，提高运行管理水平，这些都要求模拟软件能够提供有 效的科学计算和分析。 ( 4 ) 应对突发事件的需要 受管道本身、外界因素和第三方破坏等因素的影响，长输天然气管道发生突发事件 的可能性大幅度增加。在事件发生之前制定各种应急预案、在事故发生之后制定确保下 游用气的应急供气方案、评价事故影响等，都需要模拟软件在复杂的管网运行中提供可 靠的分析结果。 ( 5 ) 满足调峰供气的需求 基于用户季节性调峰的需求，合理利用资源，高效发挥压缩机组和地下储气库等输 气设施的作用，对于输气生产，尤其是冬季调峰期间的运行十分重要。这些都需要模拟 软件提供夏季注气生产和冬季调峰的分析结果。 1 2 输气管道优化运行的国内外现状及发展趋势 自二十世纪七十年代以来，随着天然气用户与用量的不断增加，世界上形成了若干 个多气源、多用户的大型输气管网，如前苏联的统一供气系统、欧洲输气管网等。这些 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 输气管网具有规模大、范围广、拓扑结构复杂、受外部条件影响大等特点，其运行管理 相当复杂。为了保证输气管网系统安全、可靠、经济、高效、灵活运行，以便最大限度 地满足各类用户的用气需求、降低管网输气能耗和运行费用、提高管网经营的经济效益， 世界上一些输气管道发达的国家已在输气管道与管网的优化运行方面做了大量研究工 作，并取得了一些有实用价值的成果。 美国早在二十世纪六十年代初就开始进行干线输气管道优化运行研究，当时主要是 研究稳态优化运行问题。经过几十年的发展，美国、英国、俄罗斯等天然气工业发达的 国家已经形成了一套比较完整的输气管道优化运行的理论和方法，并且已将其应用到输 气管线的生产实践中【2 】。干线输气管道优化运行的最优准则通常是运行能耗或能耗费用 最低，采用这类最优准则的优化运行问题称为能耗最优化问题( p o w e ro p t i m i z a t i o n ) 。 国外经验表明：能耗最优化可以使输气管道的运行能耗有不同程度的降低【3 】。 国外对输气管道的优化运行研究始于六十年代初。1 9 6 1 年，美国一家输气管道公司 开始与i b m 公司联合研究输气管网运行模拟与优化的可行性问题。在1 9 6 4 年到1 9 6 7 年 期间，美国燃气协会( a g a ) 委托加洲大学伯克利分校的运筹学研究中心进行了输气管 网的优化运行研究【4 j 。1 9 6 7 年，科罗拉多州际天然气公司根据a g a 的研究成果开发了输 气管网优化运行软件。根据预测，在该公司的输气管网上使用该软件后可使管网的自耗 气量明显下降，节约的自耗气量最多可达到管网总输气量的2 左右1 5 1 。1 9 6 8 年， r e l a r s o n 和p j w o n g 建立了单根干线输气管道稳态优化运行的动态规划模型，并考虑 了管道末段进气、储气与供气的最优控制问趔6 1 。1 9 7 2 年，美国e lp a s o 天然气公司将 动态规划法应用于输气管网的优化设计与优化运行，并开发了相应的优化软件 t r a n s p o r t i7 1 。进入八十年代后，国外一些输气管道公司、软件公司或研究机构开始 进行干线输气管网非稳态优化运行的研究，但优化目标仍局限于运行能耗或费用。1 9 8 2 年，m p i e k a r s k i 发表了“复杂时变天然气管网的最优控制”一文。如果按该论文所提出的 方法对波兰的输气管网进行运行方案优化，预计其能耗将降低1 3 左右，大约相当于该 管网总输气量的0 1 6 1 引。1 9 8 4 年，美国西部的p g t ( p a c i f i cg a st r a n s m i s s i o nc o ) 与加 拿大的a n g ( a l b e r t an a t u r a lg a sc o l t d ) 公司采用g s e ( g i l m o u rs y s t e m se n g i n e e r i n g ) 公司设计的优化软件对其所拥有的管网进行优化，结果表明低输量下能节省8 的能耗， 即每年1 3 0 万美元，高输量下能节省1 2 ，即每年节省2 7 0 万美元1 9 1 。英国煤气公司( b r i t i s h g a s ) 的伦敦工程研究所长期致力于输气管网优化运行的研究，到1 9 8 6 年，其研制的优 化运行软件o t t o 已在英国煤气公司经营的国家输气系统( n t s ) 上应用了多年，并且 3 第一章绪论 该公司还在进一步研究输气管网的最优控n i 占- j 题，同时对o t t o 软件进行改进【l o l 。美国 s s i 软件公司在八十年代中期初步开发出了输气管网优化运行软件，并利用该软件对美 国自然资源管道公司的西南输气干线进行了运行方案优化，结果表明优化运行可使该管 线的运行能耗费下降1 n 5 t 1 1 】。1 9 9 4 年加拿大n o v a 公司发表的一篇研究报告表明： 利用其自行研制的软件对其拥有的一部分输气管网进行稳态运行方案优化，在优化过程 中可使该管网的运行能耗下降1 8 。美国c n g t 输气公司在其一条管道上应用优化运行 技术的基本情况，初步试验表明优化运行技术可使这条管道的运行能耗下降1 0 左右。 目前国外输气管网优化运行研究的发展趋势是非稳态工况的最优控制，实验表明，动态 优化控制能节省高达1 7 的能耗费用，且能有效的控制动态转变时间【1 2 】。 目前，国外一些涉足油气管道行业的专业软件公司已经开发出干线输气管道或管网 优化运行的商品软件，这些优化软件已经在国外一些干线输气管道或管网上应用。此外， 某些输气管道公司自行开发了干线输气管道或管网优化运行软件。近年来，国外在输气 管道优化运行方面的发展趋势是在干线输气管道上推广应用这项技术，同时进一步研究 管网优化运行技术及非稳态优化运行技术。 美国s t o n e r 公司开发了用于气体稳态管网设计的软件s w s ，以及模拟长输管道动 态工况的软件s p s l l 引。s p s 设置了理想化的调节器，可以方便地模拟管道系统的控制， 如：进、出站压力控制、流量控制等。 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国已经陆续引进了多个商业化的输气管道仿真软件，如 t g n e t 、s p s 等【l4 1 。截止目前，国际上主流的输气管道仿真软件几乎都在我国获得了 不同程度的应用。一些管道设计单位在国内率先使用输气管道仿真软件，目前这类软件 已经成为我国输气管道设计的必备工具。 国内在干线输气管道优化运行研究方面已经起步。国内，由于长输管道工程敷设较 晚、较少，无论是天然气工程技术水平还是计算机技术水平，都远落后于西方发达国家， 以往的设计大部分采用稳定流动的计算方法，所设计的管线压力、流量等参数与实际运 行数据存在较大偏差。 国内管道仿真技术这些年也有了一些发展，中国石油大学( 华东) 开发了天然气管 道动态仿真软件g a s p i p e ，具有对由管道、调压阀、压缩机、气田及众多气源和用户组 成的环状和枝状管网进行了模拟，实现了天然气集输系统、长距离输气管道、配管网的 静动态仿真。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 主要研究内容 本文将围绕“川气东送管线运行方案的优化研究 这一课题进行详细的研究，以期 取得一些具有理论和实际意义的成果，为此，本文开展的研究内容主要包括以下几个方 面： ( 1 ) 研究输气管线在未来可能面临的多种运行条件下的优化运行方案，如不同输 量下的运行方案，相同输量下冬夏季不同的运行方案等，进行敏感性分析，以确保下游 供气的可靠性。并研究输量变化对一些参数的影响。 ( 2 ) 研究压缩机并联运行对管网存在的影响及应对措施。 ( 3 ) 进行管道及设备放空工艺计算，研究控制放空的可行措施。 ( 4 ) 针对各种工况，如压缩机停机、泄漏等进行模拟计算，计算自救时间。为事 故状态下的供气和抢修提供参考依据，可以大幅度提高设备的运行可靠性，指导事故抢 险，提出应对措施，解决实际问题，保证管线平稳供气。 5 第二章川气东送管道工程概况 第二章川气东送管道工程概况 2 1 工程设计建设状冽”】 川气东送管道工程西起川东北普光首站，东至上海末站，是继西气东输管线之后又 一条贯穿我国东西部地区的管道大动脉。管道设计输量1 2 0 x 1 0 8 m 3 a ，设计压力1 0 o m p a ， 2 0 0 8 年起输量9 0 x 1 0 8 m 3 a ，2 0 0 9 年输量1 2 0 x 1 0 8 m 3 a 。达州专线设计输量3 0 x 1 0 8 m 3 a 。 川气东送管道工程包括1 条干线、4 条支线和1 条专线。管道干线自西向东途径四川、 重庆、湖北、安徽、浙江、上海四省二市，全长约1 7 0 0 k m ，干线及各支线设计输量 12 0 xl0 8 m 3 a ，达州专线设计输量3 0 xl0 8 m 3 a 。 干线起点为普光首站，终点为上海末站，全长约1 7 0 0 k m ，管径9 1 0 1 6 ，设计压力 i o m p a ；沿途设普光首站、梁平分输站、黄金清管站、利川压气站、恩施清管站、野三 关清管站、宜昌清管站、枝江分输站、潜江压气站、武汉分输站、黄梅分输站、怀宁分 输站、池州分输站、宣城分输站、十字镇分输站、湖州清管站、嘉兴分输站、上海末站 共1 8 座干线工艺站场。 川维支线即梁平分输站一川维末站，全长约15 8 k m ，管径9 5 5 9 ，设计压力8 o m p a ， 设川维末站共1 座工艺站场。 南京支线全长约17 4 k m ，设金坛分输站、南京末站共2 座工艺站场。其中，十字镇一 金坛分输站线路长度约11l k m ，管径9 8 1 3 ，设计压力1 0 o m p a ；金坛分输站一南京末站 线路长度约6 3 k m ，管径9 6 1 0 ，设计压力6 3 m p a 。 常州支线即金坛分输站一常州末站，全长约4 2 k m ，管径9 5 0 8 ，设计压力6 3 m p a 。 设常州末站1 座工艺站场。 苏州支线即嘉兴分输站一苏州末站，全长约4 8 k m ，管径9 5 0 8 ，设计压力6 3 m p a 。 设苏州末站1 座共1 座工艺站场。 达州专线起点是普光首站、终点是达化末站，全长约8 1 k m ，管径9 5 0 8 ，设计压力 8 m p a ，设达化末站1 座工艺站场。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 达 图2 - 1川气东送管线天然气分配示意图 f i 9 2 1n a t u r a lg a sd i s t r i b u t i o nl i s to fs i c h u a nt oe a s tg a sp i p e l i n e 2 2 川气东送管道基本参数 2 2 1 川气东送管道物理结构参数 川气东送管道干线长度1 7 0 0 k m ，属于地形起伏地区的输气管道，干线高程里程见表 2 1 。管道外径为q 1 0 1 6 m m 。按管道输送、分配天然气的要求，全线共设工艺站场2 4 座， 主要工艺站场设置情况见表2 2 2 6 。 表2 1 干线站场设置 t a b l e 2 一lt h es i t es e to ft r u n ki i n e 序号站名 里程( k m ) 站间距( 1 ( 1 1 1 )高程( i t i ) l 普光首站 03 5 2 5 1 1 5 2 梁平分输站 1 1 54 6 4 8 5 0 3 黄金清管站 1 6 52 4 8 9 l l o 4 利川压气站 2 7 51 1 3 5 9 1 0 5 5 恩施清管站 3 8 07 8 9 2 9 2 6 野三关清管站4 7 21 2 8 6 5 1 4 l 7 宜昌清管站 6 1 37 9 3 3 0 8 枝江分输站 6 4 27 7 9 1 2 2 9 潜江压气站 7 6 43 0 9 1 5 0 1 0 武汉分输站 9 1 44 2 7 1 7 9 1 1 黄梅分输站 1 0 9 33 6 2 1 3 1 1 2 怀宁分输站 1 2 2 45 1 9 0 1 7 第二章川气东送管道工程概况 序号站名里程( k m )高程( m ) 1 3 池州分输站 1 3 0 62 6 2 1 2 6 1 4宣城分输站1 4 3 2 3 7 5 4 6 1 5 十字镇分输站 1 4 7 8 3 8 9 1 0 l 1 6 湖州清管站 1 5 7 95 1 0 0 1 7 嘉兴分输站 1 6 7 92 2 1 1 8 上海末站 1 7 0 0l 表2 2 川维支线站场设置 t a b l e 2 2t h es i t es e to fc h u a n w e ib r a n c h 站名里程( k m )站间距( k m )高程( m ) 梁平分输站 o04 6 4 8 川维末站1 5 81 5 82 7 8 。3 表2 - 3 达州专线站场设置 t a b l e 2 - 3t h es i t es e to fd a z h o ub r a n c h 站名里程( k m )站间距( k m )高程( m ) 普光首站 o03 5 2 5 达化末站 8 18 13 5 0 表2 - 4 南京支线站场设置 t a b l e 2 - 4t h es i t es e to fn a n j i n gb r a n c h 站名里程( 1 ( n 1 )站间距( k m )高程( m ) 0 十字镇分输站 o3 8 9 l1 1 金坛分输站 1 1 1 2 1 6 3 南京末站 1 7 42 8 表2 - 5 常州支线站场设置 t a b l e 2 - 5t h es i t es e to fc b a n g z h o ub r a n c h 站名 里程( k m )站间距( k m )高程( m ) 金坛分输站 002 1 常州末站4 24 2 6 表2 - 6 苏州支线站场设置 t a b l e 2 6t h es i t es e to fs u z h o ub r a n c h 站名 里程( k m )站间距( k m )高程( 1 1 1 ) 嘉兴分输站o o2 苏州末站 4 84 82 2 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 2 川气东送管道设计参数 1 、气源压力及温度 普光首站天然气进站压力为8 0 9 7 m p a ( a ) ，进站温度为4 5 。 2 、管道埋深 川气东送管道一般埋深为管顶距地面1 m 。 3 、其它参数 ( 1 ) 标准状态 气体标准状态为压力1 0 13 2 5 x10 5 p a ，温度2 0 。c 。 ( 2 ) 计算工作天数 年工作天数取3 5 0 天。 ( 3 ) 设计地温 设计地温见表2 7 。 表2 7 沿线地温表 t a b l e 2 - 7g e o t e m p e t u r ea l o n gt h el i n e 年平均地最热月年平均最冷月年平 站场 温( )地温( ) 均地温( ) 普光梁平 1 8 72 3 51 3 5 梁平黄金 1 7 32 2 81 3 1 黄金利川 1 4 6 2 2 71 2 0 利川一恩施1 5 62 2 81 2 0 恩施野三关 1 5 62 2 7 1 2 0 野三关宜昌 1 5 3 2 2 41 3 1 宜昌一枝江1 8 72 2 91 4 1 枝江潜江 1 8 6 2 3 71 2 7 潜江武汉 1 8 3 2 4 01 1 7 武汉黄梅 1 8 12 4 21 1 3 黄梅怀宁 1 8 22 3 91 1 4 怀宁池州 1 8 22 4 01 1 2 池州宣城 1 7 92 3 01 1 1 宣城十字镇 1 7 72 1 81 1 2 十字镇一湖州 1 7 42 2 01 2 5 湖州嘉兴 1 7 3 2 1 51 3 5 嘉兴上海1 7 92 1 61 3 4 十字镇一金坛 1 8 52 31 2 3 金坛南京1 7 22 2 11 2 6 金坛一常州1 7 22 2 51 2 4 9 第二章川气东送管道工程概况 年平均地 最热月年平均最冷月年平 站场 温( )地温( )均地温( ) 普光梁平 1 8 72 3 51 3 5 梁平黄金 1 7 32 2 81 3 1 黄金利川 1 4 62 2 71 2 o 利川恩施1 5 62 2 81 2 o 恩施一野三关 1 5 62 2 71 2 o 野三关一宜昌 1 5 3 2 2 41 3 1 宜昌枝江 1 8 7 2 2 91 4 1 枝江潜江 1 8 62 3 7 1 2 7 潜江武汉 1 8 3 2 4 01 1 7 武汉黄梅 1 8 1 2 4 21 1 3 黄梅怀宁1 8 22 3 91 1 4 怀宁池州 1 8 22 4 o1 1 2 池州宣城1 7 92 3 o1 1 1 嘉兴苏州 1 7 5 2 2 41 2 3 梁平川维 1 8 4 2 3 51 2 8 普光达化 1 8 42 3 71 2 8 ( 4 ) 总传热系数 结合普光宜昌段多山区，宜昌上海段多水田或者平原耕地，传热系数选取如下： a 普光宜昌段：1 7 5 w m 2 k ； b 宜昌上海段：2 1 4w m 2 k 。 ( 5 ) 管内壁粗糙度 管道内壁不设内涂层时粗糙度取3 0 9 m ，设内涂层时粗糙度取1 0 9 r e 。 ( 6 ) 设计输量 干线及各支线设计输量：12 0 xl0 8 m 3 a ； 达州专线设计输量：3 0 x1 0 8 m 3 a 。 ( 7 ) 站内压降 压气站站内压降取0 2 m p a 。分输站、清管站在正常输气工艺中，干线天然气均 经旁路越站输送，工艺计算不考虑站内压降损失。 ( 8 ) 末站及分输站压力要求 因各下游用户的用气协议尚未签署，各末站及分输站压力要求暂按表2 8 考虑。 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 3 气源组分及物性参数 表2 - 8 各末站及分输站供气压力 t a b l e 2 - 8p r e s s u r e so fg a ss u p p l y 站场名称供气压力( m p a ) 梁平分输站 7 8 0 川维末站3 6 4 0 达化末站4 1 4 5 武汉分输站 4 o 4 5 怀宁分输站4 o 4 5 池州分输站 4 0 4 5 宣城分输站4 o 4 5 金坛分输站4 8 5 6 3 南京末站 4 o 4 5 常州末站4 0 4 5 苏州末站 4 0 , - - 4 5 嘉兴分输站 4 0 5 , - - 一6 3 上海末站4 0 4 5 本工程气源来自普光气田天然气净化厂出来的净化天然气，天然气组分和物性参数 见表2 9 、表2 10 。 表2 9 气源组分 t a b l e 2 - 9t h ec o m p o s i t i o no fg a ss u p p l y 摩尔分率 组分分子量 ( t 0 0 1 ) h 2 2 0 1 60 0 2 5 4 6 7 n 2 2 8 0 1 40 7 0 5 6 8 5 c 0 2 4 4 0 1 l2 0 2 9 0 9 h 2 s 3 4 0 8 6 m g m 3 c o s6 0 0 7 5 0 0 0 2 5 5 9 h 2 0 1 8 0 1 60 0 0 3 5 8 c h 4 1 6 0 4 39 7 0 5 8 c 2 h 6 3 0 0 7 o 】5 2 1 8 5 c 3 h 8 4 4 0 9 70 0 1 0 11 3 c h 3 s h ( 甲硫醇) 4 8 1 0 70 0 0 0 4 9 2 c 2 h s s h ( 乙硫醇) 6 2 1 3 40 0 0 0 0 3 6 9 h e 4 0 0 30 0 12 7 9 5 第二章川气东送管道工程概况 表2 1 0 物性参数 t a b l e 2 - 1 0p h y s i c a lp r o p e r t y 物性参数指标 平均分子量 1 6 7 2 水露点( ) 1 5 ( 8 0 m 【p a ) 比热( k j k g k ) 2 6 8 粘度( c p ) o 0 1 3 7 导热系数( w m k ) 0 0 4 3 1 压缩因子o 9 1 2 2 2 4 川气东送管道用户参数 表2 1 1 用户参数 t a b l e 2 1ig a sv o l u m e so fu s e r s 2 0 0 8 年底2 0 0 9 年 分输站点远期 亿方亿方 川维末站 2 02 l 武汉分输站 581 0 黄梅分输站 255 怀宁分输站 335 池i 1 分输站 0 50 5 2 宣城分输站1 51 53 嘉兴分输站 15 1 82 5 上海末站 2 84 57 0 南京末站 1 01 32 0 常州末站 335 苏州末站 225 输气总量 9 01 2 0 1 5 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章计算模型与软件介绍 3 1 模拟计算模型 3 1 1 气体管流的基本方程 ( 1 ) 连续性方程 a ( v a p ) + a ( a p ) ：0 ( 2 ) 动量方程 亟型+篆+昙(2)=一gp石dsat一吾导户叙苏” 7 出d2 广 ( 3 ) 能量方程 一署c p v a ) = 昙 c p 彳，( + 导+ 伊 + 昙 c p v a ，( 办+ 导+ 黟 ( 4 ) 状态方程伊p ( p ，r ) ( 5 ) 内能方程 = u ( p ， 丁) ( 6 ) 焓方程h - = _ h ( p ，丁) 式中：p 气体的绝对压力，p a ： r 气体的绝对温度，k ； 卜气体密度，k g m 3 ； 1 ，气体流速，k g s ： a 管道横截面积，s 2 ： ”单位质量气体的内能，j k g ； h 单位质量气体的热焓，j k g ； 卜距管段起点的距离，m ： t 一描述流动过程的时间，s ； j 管段上各横截面处的高程，m ； g 重力加速度，m s 2 ； 彳管段的水力摩阻系数； 9 在 o ，x 】管段上，管内气流向周围环境的散热流量，j k g 。 以上6 个方程刚好包括p 、t 、p 、，、u 、h 这6 个未知函数，因此从求微分方程通 1 3 第三章计算模型与软件介绍 解的角度看，这个方程组是封闭的。该方程组通常称为气体管流的基本微分方程组1 1 6 1 。 3 1 2 初始条件和边界条件 瞬变过程的初始条件是指在所研究时间段的起始时刻系统所处的状态。起始时刻原 则上可以设定在流动过程中的任意时刻，但为了便于确定初始条件，通常取所研究的瞬 变过程的开始时刻作为起始时刻，此时瞬变过程的初始条件就是瞬变开始之前的稳定流 动状态。边界条件是指在整个瞬变过程中系统边界处的流动状态，在一般情况下它是时 间的函数。以上基本微分方程组描述了气体在管内流动的普遍规律，但对于一个具体的 输气管道瞬变过程，其流动状态的具体变化规律还取决于系统的初始条件和边界条件。 下面是干线输气管道系统运行时的一些常见边界条件 1 6 l ： ( 1 ) 干线输气系统各进气点的压力和温度取给定值或给定的时间函数。 ( 2 ) 干线输气系统的分气点或终点的供气流量取给定值或给定的时间函数。 ( 3 ) 干线输气系统的分气点或终点的供气压力取给定值或给定的时间函数。 ( 4 ) 压气站的运行特性及其控制方式。压气站的运行特性取决于其中开启的压缩 机的运行特性及压缩机的组合方式。离心压缩机的运行特性包括压比一转速一入口体积 流量特性方程、效率一转速一入口体积流量特性方程、功率一转速一入口体积流量特性 方程及出口温度方程。压气站的控制方式主要有以下几种形式：转速控制、功率控制、 出站压力控制、进站压力控制、压比控制。 ( 5 ) 节点联系方程，其描述了系统内部各部分( 或子系统) 在交界点处的流动状 态参数之间的关系，例如节点流量平衡，节点处上、下游截面之间的压力、温度关系。 除了初始条件和边界条件外，在输气管道系统瞬变分析或模拟中还要涉及系统运行 的约束条件，例如管道终点的允许最低压力、压气站进口的允许最低压力、压气站出口 的允许最高压力、压缩机的喘振流量和滞止流量、压缩机的转速范围和最大功率等。在 瞬态分析过程中，如果在某一时刻某一约束条件未被满足，则表明此时系统的工况已超 出正常范围。在这种情况下，欲使系统维持正常运行，必须对其采取适当的调节措施。 3 2s t o n e rp i p e l i n es i m u l a t o r ( s p s ) 简介 该系统为一套离线系统，可适用于输油( 气) 管道。 长输管道模拟软件，就是用数学模型对长输管道的水力、热力工况、流体性质和过 程控制系统进行描述，通过数值计算方法求解这些数学模型，从而获得管道运行过程中 的工况动态变化规律。 1 4 中国石油丈学( 华东) 硕士学位论文 3 2 1s p s 的工艺流程操作界面 图形界面类似于s c a d a ，直接与s p s 模拟软件进行双向通讯，流程图可以根据模拟 运行结果，用不同颜色动态显示站内设备的运行状态，油流在站内管道的走向及动态显 示运行参数等。同时，可以用鼠标进行各种流程的操作或切换，如压缩机( 离心泵) 的启 停或阀门的开关操作。 3 2 2 管道模拟器的组成【l 7 】 管道模拟器( p i p e l i n es i m u l a t o r 简称p s i m ) 由四部分计算机程序组成，它们分别是： 预处理器程序( t h ep r e p r o c e s s o rp r o g r a m 简称p r e p r ) ，瞬态模拟程序( t h et r a n s i e n t s i m u l a t i o np r o g r a m 简称t ra n s ) ，后信息处理( t h ep o s t - p r o c e s s i n g 简称g r a f r ) 、共用存储 程序( t h es h a r e d m e m o r yp r o g r a m 简称t p o r t ) 。 管道模拟器( p s i m ) 是一种先进的瞬态水力模拟软件，用户可以用它交互式地模拟管 网中流动的单一流体、批量输送和单相混合流动，还可以模拟各种管道和设备的操作特 性，及预测发生各种事故( 如管道破裂、设备故障和其它工况变化) 后发生的结果及操作 人员的响应。管道模拟器可以模拟液体( 包括液柱分离和不满流) 管道，也可以模拟气体 管道，但不能模拟两相流。 预处理器程序( p r e p r ) 中按要求输入所要编制的管道系统的所有管件和设备的特性 参数，并产生一个用于瞬态计算的初始点。同时，记录再起动( r e s t a r t ) 文件的所有数 据，提供给瞬态模拟。还提供多种类型的输入错误诊断并产生错误诊断报告。 瞬态模拟程序( t r a n s ) 使用由预处理器( p r e p r ) 产生的初始值和模拟控制资料来进 行瞬态模拟。瞬态模拟是通过一系列复杂计算预测整个网络许多变量的动态变化。运行 交互式命令，用户在模拟期间对所想了解的变量可以任意时间地改变变量和模型，也可 以设置、观察参数的时间和距离点。在模拟期间t r a n s 在所要求的时间间隔内产生几种 输出形式来显示每个网络元件的重要变量值。 伴随t r a n s 模拟，同时按要求产生硬拷贝报告、趋势图和纵断面图。趋势图是网络 中某点对时间的变化值的报告或图表( 如控制阀上游在一定时间范围内的流量) ，纵断 面图是一定值对距离的报告或图表( 如管段的压力纵断面图) 。报告和图表的形式由 i n g r a f 文件中的子目录的设定来控制。 共用存储程序与正在运行的t r a n s 或原先创造的r e v i e w 文件相连。如果与正在运 行的t r a n s 相连，t p o r t 提供另外的交互命令。所有的标准t r a n s 命令由t p o r t 产生。 1 5 第三章计算模型与软件介绍 t p o r t 能够用来回顾一个完整模拟的模拟结果。 3 2 3 模拟结果的显示 运行过程中结果的显示可以有多种方法，使操作者对管线模拟结果和各种设备运行 状态能全面了解【1 7 1 。 ( 1 ) 管道纵断面图( d i s t p l o t ) ，曲线显示。横坐标为距离，纵坐标为高程、流量、 压力、温度等为管线运行参数，它可以显示任意一段管线间所有点的管线运行参数随时 间的变化情况。 ( 2 ) 时间趋势图( t i m e p l o t ) ，曲线显示。横坐标为时间，纵坐标为流量、压力、 温度等管线运行或设备运行参数，它可以显示管线任意一点或设备某运行参数随时间的 变化情况。 ( 3 ) 设备报告( r e p o r t ) ，数字显示。它可以把某一类设备( 如：泵、压缩机、闸 阀、调节阀、高低压泄压阀、管线等) 的运行参数实时地显示出来。 ( 4 ) 查看命令( s h o w ) ，数字显示。它可以把某单个设备的全部运行参数及状态实 时地显示出来。 ( 5 ) 后处理文件，它可以把管线或设备的历史运行参数以数据报告形式显示和打 印出来。 3 2 4 预处理器程序的编制 根据设计的输气管线沿线设置的压缩机站、清管站、分输站和配气站的情况，设计 出各站的流程图，针对各个站的设备布置，把设备按类型进行编设备名，每个设备名不 能重复，并在其前后设定结点号，该结点号表明设备连接的顺序。各种设备的模型是不 同的，其中数据的选定，需要根据管道工艺、各种设备的逻辑关系进行选择，数据准确 与否是能否真实模拟输送过程的关键因素。 该模型要描述的主要内容有： ( 1 ) 管道工程参数，其中包括管道长度、管径、壁厚、粗糙度、沿线高程、管道 埋深等； ( 2 ) 管道站场设备，包括压缩机( 输油泵) 、原动机的