1中山大学工学院,广东广州510006,2中山大学BP液化天然气中心,广东广州510006
摘要●,为了提高天然气管网供气的可靠性和安全性,多气源同时接入跨区域大型管网的混输格局逐步形成。由于不同气源的气质以及供应形式存在差异=,而且下游用户对热值波动的敏感度不同•,对下游用户的计价原则也不同,因此提出合理的混输管网供气方案,实现城市管网公司及下游终端用户的利益均衡是急需解决的技术难题▪◆。基于中山大学BP液化天然气中心研发的燃气混输管网动态仿真平台◁•▼,对某市高压混输管网进行仿真模拟,主要针对管网分开输送方案和多气源相互调配方案两种混输供气方案进行对比分析模拟,通过模拟两种方案中下游终端用户的热值动态响应情况△,分析热值/华白指数波动对下游终端用户的影响,以及不同热值气源与各类下游用户的对应匹配情况。,表4,图9,参5,
随着我国天然气管网的互联互通以及天然气气源的日趋多元化▷■,多气源接入同一管网的混输格局逐步形成。目前我国已形成的典型的混输管网有以北京为代表的环渤海圈地区、以上海为代表的长江三角洲地区以及以广州为代表的珠江三角洲地区。面对复杂的气源,制定既能满足各类终端用户的要求▽▼•,又同时兼顾城市燃气公司利益的合理的供气方案,是急需解决的问题•。各地区应根据自身管网结构以及实际气源供应
我国目前的天然气气源种类繁多,有以陕甘宁气、塔里木气和成都气为代表的国内管道气,以缅甸、土
库曼斯特和哈萨克斯坦为代表的进口管道气,以澳大利亚、卡塔尔和马来西亚为代表的进口LNG,以及以新疆广汇为代表的国产LNG。预计到2015年●,进口LNG的依存度将达到31…▲,。由于天然气的产地及生产工艺的不同▽,各气源的组分和气质特性存在着差异,尤其是管输天然气和进口LNG☆▪•,我国目前多种气源的热值和华白指数的变化范围分别为36•.3=,43.3MJ/m3和45.9,53.5MJ/m3[1]。
天然气气质和组分的波动直接影响燃烧设备的燃烧特性,对终端用户的系统运行以及产品质量造成不利影响[2]。同一供气系统中不同类型的终端用户对气质波动的敏感度不同。民用和商业燃具、大部分工业燃烧器和内燃机等一般燃具对热值波动不敏感,允许华白指数波动±10△●=,。对于低排放燃烧设备,如D LN 燃气轮机和高效精控工业燃烧器,对燃气气质变化的允许范围比较窄…▲。华白指数的增大将导致CO排放量的增加,英国的燃具试验计划和美国燃气工艺研究院研究指出,在华白指数比较高的燃气中掺混2,(4)的氮气,可有效地降低和控制燃烧的CO排放量[3] 。因此对于比较敏感的用户△•▲,应根据具体情况做特殊处理◇◁,满足终端用户的要求•▷,确保管网安全、高效和低排放的运行。
由于进口LN G直接或间接采取能量计量和计价进行交接和结算▼▼…,而管道气采用传统的体积计量方式,热值相对于进口LNG也比较低•□▪。天然气终端用户主要是民用、商业、工业和电厂4大类△。现行制定气价的基础是气量而不是热值,但对于对热值要求比较高的用气大户已经逐渐试验热值计价。因此将热值较高的进口LN G供应给以热值计价的用气大用户-,热值较低的管道气供应给以体积计价的居民商业用户,最终实现城市管网公司和下游用户的利益均衡。
由于多气源混输管网的复杂性,实现同一供气系统中的天然气热值和华白数的统一是解决问题的根本途径[4]●。具体的解决方案有增热法、降热法、管网隔离分开供应和多气源调度4种方式。前两种是对气质进行调整处理=☆,一般是在管网调压站的高压侧或中压侧掺混LPG,增热•▼,或空气☆◁,降热,[5]。后两种是输配管网中的调度管理◁★△,仅凭经验无法估计管网各点的热值情况■,尤其是气源交接点。 以下针对管网隔离分开供应
和多气源调度两种供气方案,分别进行管网仿真模拟,分析各气源的供应区域□,燃气热值/华白指数波动情况。
燃气混输管网动态仿真平台是基于KingSCADA 工控组态软件▪○…,在动态实时仿真模块的基础上,嵌入各种设备模型,主要针对大型燃气管网系统进行动态仿真模拟。采集某市次高压管网A和B两段管道●○,图1、图2,全天24个时刻点的瞬时压力和瞬时流量●,筛选出10个时刻点在该平台上模拟计算,验证该平台计算
两段管道计算参数,燃气密度0.66 kg/m3,钢管内壁当量绝对粗糙度为0.2,地表温度15℃。其中A段管道总长104 km,管径350 mm•■•,门站1为进气站,门站2▷•、3◁●、4为出气站。 B段管道总长28 km,管径350 mm☆☆◇,门站1为进气站◇●,门站2、3和加气站为出气站,表1◆…、表2▽,☆▪。
A▽、B两段管道模拟计算值与现场采集的实测值相差不大,气源进气站的出站瞬时流量的最大相对误差8.5,,平均误差3.9,…,图3○◁,图6,。两个门站的进站压力的最大相对误差6.7,,平均误差1.43•◇•,。 由于现场采集的是该时刻瞬时压力和瞬时流量,次高压管道相对较长,流量和压力变化在时间上有一定的延
迟性。模拟计算值对比实测值的误差范围均在工程应用允许值之内▷。 由于管道瞬时数据具有准稳态特性○,动态计算均接近稳态值,稳态计算和动态计算的准确性同时获得验证,因此该燃气混输管网动态仿真平台的模型和计算方法是可靠的…。
2.2仿真平台模拟分析市高压混输管网不同区域的门站用来接收不同气源来气,主要接气点的地理位置具有南北对称的点○●○,从北到南依次划分为A■、B、C区□■•,图7▽▲=,。A区门接收陆气,气源1◆,,C区门站接收LN G,气源3,,B 区门站接收LN G,气源2▲▷,。根据各气源的组分和燃烧特性参数,表3,▪▼,最富的是气源2,最贫的是气源1★▷■,高位热值分别为42◁◇◁.165 MJ/m3和37=.858 MJ/m3▲。3 气源进气站瞬时流量对比(A)
表3 该市气源组分,体积分数▽=,和燃烧特性参数□,计算基准,20℃,101.325 kPa,
预计2015年该市的用气量为45×108 m3/a◁□☆,而气源1的供应量为30×108 m3/a,占总用气量的67•,=△▲。根据各场站的地理位置和设计能力=,分配各场站的高小时供气量,按照各类用户的用气小时不均匀系数定24h各时刻的供气量◆○。针对多气源调度▽,方案1••▪,和管网隔离分开供应,方案2,这两种供气方案进行仿真模拟,主要分析各气源的供应区域□△◆,燃气热值波动情况▪◇•,模拟得到两种供气方案管网中典型场站的高位热值日波动情况,图8、图9••▼,◇◁▲。 12个典型场站根据地
岛◆”位于C区△■•,其余的场站位于B区□。 图8 管网中典型场站的高位热值日波动情况,方案1,
37.858 MJ/m3不变,属于陆气的供应区域,C区的高位热值为介于41△▲▷.706,42.165 MJ/m3之间某个值,属于LNG的供应区域☆,而B区大部分区域的高位热值在A区和C区高位热值之间的某个值上下波动,属于陆气和LNG混合供应。 B区的用户热值对各气源流量变化比较敏感,如果气源流量不稳定将导致中心城区的热值出现较大的波动,但混合供应区管网的可靠性相对较强=□•,可以通过调度各气源来满足用户的用气量需求•。
位于B区的“火村”处于陆气和LN G的交接点,方案1中是由A区门站接入的陆气供应,此场站需向电厂等用气大用户供气,则应尽可能供应LNG气化气,因此方案2在“火村…■▪”与陆气供应的A区连接的两段管道上设置隔断阀☆▽,使管网中的LNG和陆气分开供应。根据方案2的模拟结果,图9…-◁,,B区的高位热值以隔断阀为界▽★,隔断阀以北位于A区的陆气供应区域内,而隔断阀以南位于LN G的供应区域,因此“火村□”由LN G供应◆,实现了将高热值的LN G供应给以热值计价的用气大用户的目标●▲◆,满足城市管网公司的利益要求■▽▲。 由于方案2通过隔离管网…=■,使得陆气和LNG分开供应独立成网,因此管网中各用户分别由LN G或陆气其中一种气源供应•■,热值无大的波动,相对稳定。方案1与方案2的热值供应区域对比如表4…★□。
多气源调度方案中多种气源可以随时相互调度◁☆,增强了管网的可靠性…◆◁,但是多气源调度方案中各气源的流量变化对混合供应区的热值波动影响较大…○,在各气源的流量相对恒定的情况下◁▲,可考虑使用此方案。管网隔离分开供应方案管网中热值波动不大,相对稳定○◇,如果需要向某个特定区域供应特定的气源-•,可以考虑使用此方案,如该市供气给“火村”场站,通过管网隔离实现由高热值的LN G供气=,实现了用户和城市燃气公司的利益均衡,比方案1更优。 由于管网隔离分开供应方案是各自独立成网○,整个管网的可靠性和安全性较差•。混输管网系统相当复杂,最终的供气方案应在管网可靠性和安全性的前提下多方面考量,实现用户和城市燃气公司的利益均衡。
[1] 郭开华,王冠培…,皇甫立霞•-▼,等中国天然气气质规格及互换性标准问题[J]天然气工业(2011)31 (3)▪☆…, 97-101
[2] 李猷嘉燃气质量变化对终端用户的影响——当今液化天然气质量与互换性研究进展论述之一[J]城市燃气(2011 )7,▼,4-15
[5] 李猷嘉燃气质量管理方法与实践——当今液化天然气质量与互换性研究进展论述之三[J]城市燃气(2011 )9,…▪,4-19
