Pipeline Studio软件在宜川县燃气管网
水力计算中的应用探讨
宋欢欢
陕西城市燃气产业发展有限公司 生产技术管理部
摘要：城镇燃气输配管网运行过程中，随着市场发展用户增加，用气量的季节、日和小时不均衡变化等原因，会引起整个输配管网运行参数的变化，严重会造成下游用户大面积用气中断，造成不必要的损失，产生不良社会影响。此类问题在宜川县燃气输配过程中尤为明显。文章应用Pipeline Studio软件对宜川县燃气输配管网进行水力计算、模拟，找出现阶段输配管网存在问题提出相应改造措施。同时根据后期市场发展趋势，对新增供热站、大型锅炉等用户后的管网进行预测、模拟，结合城区地形、投资情况、施工难易程度等提出后期管网优化建议，为后期管网改造提供理论依据。
关键词：Pipeline Studio软件；宜川县；燃气输配管网；模拟；优化
城镇燃气输配管网是整个天然气储运流程中的最后一环，是连接上游气源和下游用户的关键元素。管网能否安全、平稳运行直接影响下游用户的平稳用气。随着管网运行年限增加、下游用户数量增加及用气量的不均衡变化等，宜川县燃气管网会处于异常工况运行，尤其在冬季用气高峰期，管网末端用气压力不足，严重时造成用户停气。文中用Pipeline Studio软件建立宜川县燃气输配管网模型，对现有管网、及后期用户发展情况进行模拟、分析，并提出相应的优化措施，为管网运行提供有力依据。
1、宜川县城区管网现状
宜川县燃气管线设计压力0.4MPa,运行压力0.15—0.4MPa。用户共计10578户，为便于统计各用气点气量，将用户分为双眼灶、双眼灶+热水器、双眼灶+壁挂炉、商业餐饮及锅炉五类。
城区管网特点如下：
1、管网沿河呈Y型分布，主干线部分管径偏小（小于下游支线管径）；城区地形复杂，高低起伏，地下管线走向不清晰；管网基础数据缺失。
2、用户以居民为主，冬夏用气量波峰波谷相差过大；用户分散，管网复杂；用户用气分布不均匀，集中在管网东北向，此处供气压力较大。
3、进入冬季用气高峰期，管网末端用户普遍压力不足。 2、基础数据处理及分析
由于宜川县燃气管网基础数据缺失，且城区地形复杂，用户分散，故作如下假设，以简化管网模型。
该县城双气源供气，由两个油田不同单井供气，天然气气质洁净，符合规范要求。在此认为两气田气井组分一致。
2、将同一管径直管段上100米范围内气量小于50方的用户进行合并，合并为一个用气节点。
3、将末端用户前长度小于50米的支线简化为节点，便于模型建立。此节点前管道长度×（1.1—1.2）的系数。
4、管网支线较多，且基础数据不全，对相同使用年限的相同管材、管径的管道，摩擦系数选用相同的数据。
5、不考虑温度对流体运动及状态的影响。
3、管网水力计算 3.1验证软件适用性
由于管网基础数据缺失，需要通过实际运行数据来反算确定一部分管网参数，比如管道内壁摩阻系数。
以城区管网出站至滨河花园住宅小区段干线为例：出站0.35MPa,末端压力0.31MPa，Q=3700m3/h，管道规格Φ159，长度1680米，选择Colebrook[3]方程，求此段管道内壁摩阻系数。经过试算，当ε=0.0024时，模拟参数与实际数值一致。其他管道内壁摩阻系数以此方式反推求得[1]。
通过模拟计算，得到第2节中假设及选择相关气体方程，适用于宜川县燃气管网，该软件可用于城区管网的水力计算及模拟。
3.2水力计算
城区管网以供气元件、用气元件和管道元件为主，城镇管网简化为图3-1。由一个供气元件，97段管段，及若干用气元件组成[2]。在模型中输入管道长度、管径、壁厚、粗糙度及节点长度等参数，输出参数见表3-1。（文中表格只对管道内气体流速超过20m/s的管段参数进行列举。）
图3-1 城区管网模型图
表3-1 管网模型输出参数 名称 Pipe0027 Pipe0028 Pipe0048 Pipe0050 Pipe0051 Pipe0053 Pipe0054 Pipe0055 Pipe0056 Pipe0057 Pipe0058 Pipe0059 Pipe0066
起点压力 MPa 1.04283 1.0161 0.951689 0.931453 0.773407 0.575025 0.487098 0.401974 0.364044 0.364044 0.35484 0.341739 0.320782 末端压力 MPa 1.0161 0.951689 0.931453 0.773407 0.575025 0.487098 0.401974 0.364044 0.319161 0.35484 0.341739 0.320782 0.302207 末端流速 m/s 26.8197 27.9238 34.4658 40.6833 52.5237 48.5617 55.3333 57.2444 37.2718 24.0803 23.8623 24.0589 21.7979 压力降 MPa 0.02673 0.064411 0.020236 0.158046 0.198382 0.087927 0.085124 0.03793 0.044883 0.009204 0.013101 0.020957 0.018575
Pipe0068 0.302207 0.150652 84.3881 0.151555 管网内各用气点均按照规范要求设计气量输入，此时储配站最大小时气量12506m3/h。设定管网最末端用气点要求最低压力为0.15MPa，经过水力计算出站压力为1.221525MPa（见表3-1），超过管网设计压力0.4MPa。
从表3-1看出，Pipe0027,0028,0048,0050,0051,0053—0059,0066和Pipe0068等14条管线气体流速大于20m/s，甚至远超过城镇燃气规范要求的经济流速范围。（《聚乙烯燃气管道工程技术规程》规定不宜超过20m/s）。
如果要满足设计流量12506m3/h，需要对管网进行改造以降低以上14条管道流速和压降，使出站压力不大于0.4MPa。
4、优化（改造）方案提出及计算
在现有用户数量下，城区最大用气量为12506m3/h，管网运行压力较大，需要对管网进行改造，以缓解现有管网压力。针对存在问题，提出三种改造方案，（1）管网整体成环；（2）管段扩容；（3）管网局部成环+局部扩容。
通过不同方案进行模拟，对比三种不同的改造方案：
方案一极大程度缓解了城区管网运行压力，环状管网也是城市燃气管网发展的必然趋势。结合该县县城地形地貌，此方案新建管道需穿越城区内山体，施工难度大，投资高，经济性较差。
方案二对现有管网中输送压力过高的管道进行扩容改造，改造后能局部缓解管网压力，但仍有部分管网流速过大，需要进一步改造。从现有管网运行来看，问题管段主要集中在县城中心部位，人口密度大，管位紧张（或无管位），此方案难以实施，或实施过程中会造成大面积用户停气，不推荐采用。
方案三在城区管网外围新建或利用已建管道，与原有管网局部成环，同时对县城中心个别管段进行重点改造。此方案可基本满足现有用户用气需求，改造管段施工难度相对较低，容易找到合适的管位，且不会造成城区大面积用户停气。建议采用方案三对某县城区管网进行改造。此方案模拟结果见表4-1。
表4-1 管道局部成环+扩容计算表 名称 Pipe10 Pipe11 Pipe0034 Pipe0035 起点压力 MPa 0.256518 0.284167 0.172234 0.160126 末端压力 MPa 0.284167 0.298653 0.160126 0.137953 终点流速 m/s -20.8189 -19.5177 21.7936 20.1165 压降 MPa -0.027649 -0.014486 0.012108 0.022173 从表4-1可看出，经方案三改造后，管网运行压力显著降低，仍有4段管道流速偏大，可在此方案基础上结合现场情况对重点管段进行改造。
5、管网后期运行工况水力计算 5.1管网后期发展工况模拟
新增宜川中学锅炉80吨，及鸭湾供热站80吨锅炉（该供热站共120吨锅炉，已投运40吨。），后总气量达到25306m3/h，经模拟计算，要满足管网末端最低运行压力0.15MPa,起点压力需要达到0.55MPa，且全计算管网97条管道中有28段流速超过20m/s，最高流速达到60.4m/s,远超过管网输送能力。结果见表5-1。
表5-1 后期用户管网计算表 名称 Pipe1 Pipe2 Pipe3 Pipe6 Pipe7
起点压力 MPa 0.550565 0.380094 0.333326 0.310836 0.328011 末端压力 MPa 0.380094 0.333326 0.301672 0.328011 0.351699 末端流速 m/s 30.5415 32.5172 26.9319 -27.576 -29.0443 压降 MPa 0.170471 0.046768 0.031654 -0.017175 -0.023688
Pipe8 Pipe9 Pipe10 Pipe11 Pipe0026 Pipe0027 Pipe0028 Pipe0048 Pipe0050 Pipe0051 Pipe0053 Pipe0054 Pipe0055 Pipe0057 Pipe0058 Pipe0059 Pipe0065 Pipe0066 Pipe0068 Pipe0121 Pipe0122 Pipe0123 Pipe0125 0.351699 0.390135 0.420015 0.459058 0.301672 0.297748 0.291888 0.277899 0.276137 0.26332 0.249832 0.24417 0.239324 0.23735 0.226497 0.210903 0.207599 0.185433 0.162671 0.154769 0.186596 0.301672 0.237139 0.390135 0.420015 0.459058 0.479229 0.297748 0.291888 0.277899 0.276137 0.26332 0.249832 0.24417 0.239324 0.23735 0.226497 0.210903 0.185433 0.162671 0.162671 0.154769 0.186596 0.215172 0.256991 0.215172 -28.6863 -30.3346 -29.1556 -28.646 28.1645 28.3323 28.8979 24.7036 25.5063 26.3692 22.9329 22.7953 22.1866 30.7341 30.9465 32.2383 60.4037 29.8555 25.0228 -34.8483 -31.6827 28.3896 26.6087 -0.038436 -0.02988 -0.039043 -0.020171 0.003924 0.00586 0.013989 0.001762 0.012817 0.013488 0.005662 0.004846 0.001974 0.010853 0.015594 0.02547 0.044928 0.022762 0.007902 -0.031827 -0.028576 0.044681 0.021967 5.2后期优化方案 5.2.1局部改造
在第4节方案三改造基础上，增加宜川中学80吨锅炉，计算结果见表5-2。
表5-2 新增中学锅炉计算表 名称 Pipe1 Pipe2 Pipe0035 Pipe0097 起点压力 MPa 0.346425 0.234104 0.160126 0.275578 末端压力 MPa 0.234104 0.204952 0.137953 0.265588 末端流速 m/s 21.7248 20.5657 27.1164 23.0725 压降 MPa 0.112321 0.029152 0.022173 0.00999 通过计算可看出，新增宜川中学80吨锅炉后，改造管网可基本满足管网运行要求，其中有4处流速偏大，以上4处位于管网起点端
和末端，人口密度小，可根据实际情况对其进行改造扩容。若供热站120吨锅炉全部用气，管网无法负荷。
5.2.2新增供气点
管网局部改造无法满足供热站锅炉和某中学锅炉同时用气，可考虑在鸭湾供热站附近新增LNG气化撬，给供热站单独供气，计算结果见表5-3。
表5-3 新增供热站LNG气化撬计算表 名称 Pipe1 Pipe2 Pipe3 Pipe8 Pipe9 Pipe10 Pipe11 Pipe0034 Pipe0035 Pipe0097 起点压力 MPa 0.346425 0.234104 0.204952 0.204988 0.223126 0.240036 0.263259 0.172234 0.160126 0.275578 末端压力 MPa 0.234104 0.204952 0.187226 0.223126 0.240036 0.263259 0.275578 0.160126 0.137953 0.265588 末端流速 m/s 28.7248 29.5657 22.8647 -23.3459 -27.2553 -26.9851 -26.8936 27.7936 27.1164 23.0725 压降 MPa 0.112321 0.029152 0.017726 -0.018138 -0.01691 -0.023223 -0.012319 0.012108 0.022173 0.00999 此方案与5.2.1方案模拟结果一致，对流速较大管段局部改造即可。考虑到后期用户发展情况，对以上4处管道进行扩容。
5.2.3修建供气专线
在原有管网基础上，沿南河修建一条DE315供气专线，供热站，管线全长约4km，经计算模拟，管网运行工况见表5-4。新建供气专线后仍有部分管段流速偏大，可对这些管段分步骤分阶段进行改造，以满足整个城区用气需求。
5.3小结
对比三种不同的改造方案，可发现三种方案均可改善管网运行状况，减小管网运行压力，同时存在问题的管段基本一致，因此须在各
自改造方案前提下对局部进行扩容改造。结合管网实际运行情况及后期用户发展，将问题管段整体扩容至DE315，计算结果见表5-4。
表5-4 新建供气专线计算表 名称 Pipe1 Pipe2 Pipe12 Pipe14 Pipe0020 Pipe0021 Pipe0034 Pipe0050 Pipe0051 Pipe0080 Pipe0097 起点压力 末端压力 末端流速 0.534045 0.443352 0.435131 0.435131 0.351607 0.247215 0.41748 0.420963 0.214927 0.172381 0.435131 0.443352 0.421809 0.352548 0.351607 0.247215 0.23403 0.411256 0.214927 0.179868 0.155931 0.414035 19.6443 19.348 25.6778 23.5385 16.784 14.9264 14.1014 83.4216 30.0905 23.6678 25.664 压力降 0.090693 0.021543 0.082583 0.083524 0.104392 0.013185 0.006224 0.206036 0.035059 0.01645 0.021096 改造管改造后流段管径 速 DE315 14.7151 16.2022 1.59738 6.09287 5.66296 5.66483 2.30148 19.377 4.08932 1.96225 13.1966 DE315 DE315 DE315 DE315 DE315 6、结论及建议
（1）考虑到投资、施工难易程度、城区地形、后期用户发展等实际情况，推荐采用管网局部成环加关键部位重点改造方案，对宜川县城区管网进行改造。此方案相对其他方案投资较低，城区内改造部位较少施工难度较低，改造部位大多处于管网外围，不会造成大面积用户停气。
（2）对于后期发展用户，结论（1）提出的改造方案基本可满足宜川中学增加的80吨锅炉用户，在此基础上，对个别部位进行扩容扩建改造，即可满足用气。
（3）鸭湾供热站位于管网最末端，目前运行40吨锅炉一台，改造后可满足用气。若后期增加另外80吨锅炉，管网整体流速偏大，无法满足用气，可考虑在该供热站就地增加一台气化量6400m3/h的LNG气化撬，减小储配站供气压力，减小城区管网输送压力。
（4）新建供气专线，以满足供热站用气需求，此段新建管道沿南河敷设，施工期间不会造成城区大面积停气，但施工难度大，投资高，可依据实际情况分阶段施工。
（5）改造后管网可基本满足新增用户及供热站用气，从长远来看，建议增加LNG调峰站，从城区东部补充气量，双气源供气。并考虑将两个供气点与城区管网连接成环，形成整体环状管网，从根本上缓解城区中心部位管网运行压力。
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