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建立能源投入的基础支持数据库,利用区域间投入产出表,构建区域间能源投入产出模型[10]。仿真模型建立了天然气的日输入气量和不同区域管段的输入气量,模拟输出不同天然气用户分配的管输气量、最高及最低边界压力,通过边界压力是否满足用户需求,判断是否需要对输入和调度进行调整,如表1、表2所示:
表 1 仿真边界条件设置及模拟参数值
Table 1. Simulation boundary condition settings and simulation parameter values
一次气源 日气量/(104 m3·d−1) 合计 输向DEF管网 输向AC管网 输向B管道 气源1 4481(≤8.9 MPa) — 4271 210
(临时)气源2 2177(8.9 MPa) 2200
(7.08 MPa)— 2503 气源4 2526(8.85 MPa) — 气源3 300(7.0 MPa) — — 300 气源5 2000(7.02 MPa) 2000 — — 气源6 1594(≤9.0 MPa) 1594 — — 气源7 3241 2700
(6.98 MPa)541
(8.9 MPa)— 合计 16319 8494 4812 3013 表 2 仿真边界条件下输出结果
Table 2. Output results under simulation boundary conditions
用户负荷区 高负荷
下日需
求气量/
(104 m3·d−1)气源输入量/
(104 m3·d−1)计算最
高边界
压力/MPa计算最
低边界
压力/MPa负荷区
压力需
求/MPaAC区域 6430 4812 8.9 4.5 4.8 B区域 3090 3013 8.7 4.48 4.5 DEF区域 10563 8494 8.7 5.5 4.5 合计 20083 16319 — — — 由表1、表2可知,从供需上看,在迎峰度夏的工况情况下,Z区域管网的市场需求量大于资源输入量,高负荷全时,该区域总用气需求量约20083万方/d,但是总输入气量仅16319万方/d,缺口达3764万方/d。从运行压力上看,如果在气源7支援气流方向d下,AC区域的气量可以得到弥补,但是由于在A区域的大量提气,导致C区域的电厂压力不足,往往无法满足C区域4.8 MPa的边界压力要求。若B区域管道沿线电厂同时用气高峰,仅输送气源2、3、4难以满足B区域末端电厂压力需求(≥4.5 MPa),需从气源1转供部分资源至B区域才能保证供气压力。DEF区域虽然在压力上暂不存在输气瓶颈,可以满足沿线电厂的高峰用气,但当新增电厂如果要求压力不低于5.8 MPa时,需要调整气源5、7的接入气量和运行压力。
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根据区域管网实际运行中的资源市场数据,同时结合输气能力参考边界条件,设置仿真模型的边界条件参数和模拟参数值,见表3、表4:
表 3 仿真边界条件设置及模拟参数值
Table 3. Simulation boundary condition settings and simulation parameter values
一次气源 日气量/(104m3·d−1) 合计 输向DEF管网 输向AC管网 输向B管道 气源1 4166(≤8.9 MPa) − 4166 − 气源2 1520(8.5 MPa) 2700(8.4 MPa) − 1346 气源4 2526(8.53 MPa) − 气源3 0 − − − 气源5 2400(7.02 MPa) 2400 − − 气源6 1420(≤9.0 MPa) 1420 − − 气源7 3634(≤8.9 MPa) 3100(7.91 MPa) 534(8.9 MPa) − 合计 15666 9620 4700 1346 表 4 仿真边界条件下输出结果
Table 4. Output results under simulation boundary conditions
用户负荷区 高负荷
下日需
求气量/
(104 m3·d−1)气源输入量/
(104 m3·d−1)计算最
高边界
压力/MPa计算最
低边界
压力/MPa负荷区
压力需
求/MPaAC区域 4700 4700 8.9 4.2 4.8 B区域 1346 1346 8.7 7.2 4.5 DEF区域 5124 9620 8.7 6 4.5 合计 11170 15666 — — — 由表3、表4可知,从供需上看,在冬季保供的工况情况下,Z区域管网的市场需求量小于资源输入量。该区域总用气需求量约11 170万方/d,但是总输入气量达15 666万方/d,仍有余量4 496万方/d,可实现向区域外供气。从运行压力上看,如果气源7气流全部北上,C区域的电厂压力不足问题依然存在,往往无法满足C区域4.8 MPa的边界压力要求。但是B区域管道沿线压力足够,能够保证供气平稳。DEF区域在供气量和压力上暂不存在输气瓶颈,每天仍有4 496万方气可以支援区域外。但是DEF区域,如果在输送区域外气量增加的情况下,将面对气源6、7在D区域相互制约的问题,该问题需要重新调整优化6、7的出气能力。
Analysis and Suggestions on Hydraulic Calculation of Regional Natural Gas Pipelines Under Different Working Conditions
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摘要:
目的 管道水力计算是天然气输配系统的重要组成部分,运用该理论可以分析管道管径与流速、压力降以及燃气密度等之间的关系,贯穿于天然气管道建设和管道运营的全生命周期。管道水力计算对管道输配的设计优化和运行调度有重要影响,文章旨在对某区域长输天然气主干管道水力进行模拟计算研究和分析,以期为该区域主干管道建设和运行优化等实践工作提供参考依据。 方法 在现有的区域管网中,利用PIPELINE STUDIO软件模型计算,模拟不同工况下该区域主干管道运行状况,聚焦“迎峰度夏”和“冬季保供”两个工况的极限条件,及时发现管线运行中存在的问题,分析存在的主要输气瓶颈。 结果 研究表明:无论是“迎峰度夏”还是“冬季保供”,该区域现状管道系统存在输气瓶颈,需要优化调整管道运行调度、管输流向和水力压力,进一步发挥区域管网最大输气能力。 结论 通过分析不同极限工况下的输气能力,提出优化运行、互联互通、技术改造方案,能够消除管输瓶颈,保证区域管网安全高效运行,满足市场用户变化的用气要求。 Abstract:Introduction Pipeline hydraulic calculation is an important component of the natural gas transmission and distribution system. Applying this theory allows for the analysis of relationships between the pipeline diameter, the flow velocity, the pressure drop, and the gas density. It plays a crucial role throughout the entire lifecycle of natural gas pipeline construction and operation. Pipeline hydraulic calculation has an important impact on the design optimization and operation scheduling of pipeline transmission and distribution. This article aims to simulate and analyze the hydraulic calculation of a long-distance natural gas main pipeline in a certain region to provide reference data for practical works such as the construction and operation optimization of the main pipeline in that region. Method In the existing regional pipeline network, the PIPELINE STUDIO software model was used to calculate and simulate the operation status of the main pipeline in the region under different working conditions. The focus was on extreme working conditions, such as "peak demand in summer " and "supply guarantee in winter", aiming to identify potential issues in pipeline operation and analyze the main gas transmission bottlenecks. Result The research has shown that whether the working condition is of "peak demand in summer" or " supply guarantee in winter", the current pipeline system in the region has gas transmission bottlenecks, and it is necessary to optimize and adjust the pipeline operation scheduling, the gas flow direction, and the hydraulic pressure to further maximize the gas transmission capacity of the regional pipeline network. Conclusion By analyzing the gas transmission capacity under different extreme working conditions, it is possible to propose plans in optimized operations, interconnections, and technological improvements, which can eliminate pipeline bottlenecks, ensure the safe and efficient operation of regional pipeline networks, and meet the changing gas consumption requirements of market users. -
Key words:
- regional pipelines /
- hydraulic calculation /
- model /
- gas transmission bottleneck /
- operation scheduling
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表 1 仿真边界条件设置及模拟参数值
Tab. 1. Simulation boundary condition settings and simulation parameter values
一次气源 日气量/(104 m3·d−1) 合计 输向DEF管网 输向AC管网 输向B管道 气源1 4481(≤8.9 MPa) — 4271 210
(临时)气源2 2177(8.9 MPa) 2200
(7.08 MPa)— 2503 气源4 2526(8.85 MPa) — 气源3 300(7.0 MPa) — — 300 气源5 2000(7.02 MPa) 2000 — — 气源6 1594(≤9.0 MPa) 1594 — — 气源7 3241 2700
(6.98 MPa)541
(8.9 MPa)— 合计 16319 8494 4812 3013 表 2 仿真边界条件下输出结果
Tab. 2. Output results under simulation boundary conditions
用户负荷区 高负荷
下日需
求气量/
(104 m3·d−1)气源输入量/
(104 m3·d−1)计算最
高边界
压力/MPa计算最
低边界
压力/MPa负荷区
压力需
求/MPaAC区域 6430 4812 8.9 4.5 4.8 B区域 3090 3013 8.7 4.48 4.5 DEF区域 10563 8494 8.7 5.5 4.5 合计 20083 16319 — — — 表 3 仿真边界条件设置及模拟参数值
Tab. 3. Simulation boundary condition settings and simulation parameter values
一次气源 日气量/(104m3·d−1) 合计 输向DEF管网 输向AC管网 输向B管道 气源1 4166(≤8.9 MPa) − 4166 − 气源2 1520(8.5 MPa) 2700(8.4 MPa) − 1346 气源4 2526(8.53 MPa) − 气源3 0 − − − 气源5 2400(7.02 MPa) 2400 − − 气源6 1420(≤9.0 MPa) 1420 − − 气源7 3634(≤8.9 MPa) 3100(7.91 MPa) 534(8.9 MPa) − 合计 15666 9620 4700 1346 表 4 仿真边界条件下输出结果
Tab. 4. Output results under simulation boundary conditions
用户负荷区 高负荷
下日需
求气量/
(104 m3·d−1)气源输入量/
(104 m3·d−1)计算最
高边界
压力/MPa计算最
低边界
压力/MPa负荷区
压力需
求/MPaAC区域 4700 4700 8.9 4.2 4.8 B区域 1346 1346 8.7 7.2 4.5 DEF区域 5124 9620 8.7 6 4.5 合计 11170 15666 — — — -
[1] 华贲. 从战略高度审视中国天然气发电, CHP和CCHP [J]. 南方能源建设, 2015, 2(2): 1-8. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.02.001. HUA B. Regarding natural gas power, CHP & CCHP at the strategic height [J]. Southern energy construction, 2015, 2(2): 1-8. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.02.001. [2] 温凯, 焦健丰, 袁运栋, 等. 基于瞬态仿真的天然气管道动态管存分析 [J]. 油气与新能源, 2022, 34(5): 122-133. DOI: 10.3969/j.issn.2097-0021.2022.05.019. WEN K, JIAO J F, YUAN Y D, et al. Dynamic storage analysis on natural gas pipeline based on transient flow simulation [J]. Petroleum and new energy, 2022, 34(5): 122-133. DOI: 10.3969/j.issn.2097-0021.2022.05.019. [3] 张夏平. 天然气网络对含新能源电力系统短期调度运行影响 [J]. 南方能源建设, 2019, 6(1): 1-7. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2019.01.001. ZHANG X P. Impact of natural gas system on short-term scheduling with volatile renewable energy [J]. Southern energy construction, 2019, 6(1): 1-7. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2019.01.001. [4] 国家能源局. 石油天然气“全国一张网”建设实施方案 [R]. 北京: [s. n. ], 2023. National Energy Administration. Implementation plan for the construction of the "national one network" for oil and natural gas [R]. Beijing: [s. n. ], 2023. [5] 陈利琼, 高茂萍, 王力勇, 等. 极限工况下的管网“互联互通”改进方案 [J]. 天然气工业, 2020, 40(2): 122-128. DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2020.02.014. CHEN L Q, GAO M P, WANG L Y, et al. An improvement scheme of "interconnected" pipeline network under extreme working conditions [J]. Natural gas industry, 2020, 40(2): 122-128. DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2020.02.014. [6] 杨桓, 张理. PIPELINE STUDIO软件在管网模拟分析中的应用 [J]. 天然气勘探与开发, 2015, 38(3): 91-93. DOI: 10.3969/j.issn.1673-3177.2015.03.021. YANG H, ZHANG L. Application of PIPELINE STUDIO to simulation and analysis of pipe network [J]. Natural gas exploration and development, 2015, 38(3): 91-93. DOI: 10.3969/j.issn.1673-3177.2015.03.021. [7] 刘燕宁. 关于长输天然气管道水力计算的分析 [J]. 化工管理, 2018(18): 107. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2018.18.083. LIU Y N. Analysis on hydraulic calculation of long distance natural gas pipeline [J]. Chemical enterprise management, 2018(18): 107. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2018.18.083. [8] 马钧. 关于长输天然气管道水力计算的分析 [J]. 化工管理, 2016(35): 180. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2016.35.154. MA J. Analysis on hydraulic calculation of long distance natural gas pipeline [J]. Chemical enterprise management, 2016(35): 180. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2016.35.154. [9] 李猷嘉. 燃气管道水力计算公式的分析与比较 [J]. 煤气与热力, 2000, 20(5): 323-326, 330. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4416.2000.05.001. LI Y J. Analysis and comparison on practical flow equations [J]. Gas & heat, 2000, 20(5): 323-326, 330. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4416.2000.05.001. [10] 陈晖. 基于投入产出模型的区域间能源流分析方法研究 [J]. 南方能源建设, 2015, 2(1): 26-31. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.01.005. CHEN H. Research on interregional energy analysis with input-output model [J]. Southern energy construction, 2015, 2(1): 26-31. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.01.005.