浙江省多氣源混合天然氣管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)仿真研究

朱文君，程 佳，吳煥芬，黃震威

（1.中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310013）

目前，國際上通用的天然氣管網(wǎng)模擬仿真軟件主要以美國科學(xué)軟件公司（簡稱SSI）推出的天然氣集輸管網(wǎng)瞬態(tài)模擬軟件TGNET和美國Stoner公司開發(fā)的用于氣體穩(wěn)態(tài)管網(wǎng)設(shè)計(jì)的軟件SWS和模擬長輸管道動(dòng)態(tài)工況的軟件SPS［1］為主，兼有英國ATMOS公司開發(fā)的ATMOSTM GSIM 軟件［2］和美國 Modisette Associates、All American Pipeline［3］等公司研發(fā)的相關(guān)天然氣管網(wǎng)模擬仿真軟件.國內(nèi)還有如李長俊等人自行研制的氣體管道靜、動(dòng)態(tài)仿真軟件EGPNS［4］等.該類仿真軟件多通過模擬各管網(wǎng)的正常工作狀態(tài)，以確定最佳的管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，多僅關(guān)注了管道沿線的工況參數(shù)，尤其是壓力的變化，而沒有天然氣的組分?jǐn)?shù)據(jù).Fluent是一個(gè)用于模擬和分析幾何區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象的專用軟件［5］，關(guān)注流場，通過使用Fluent仿真可以獲得混合天然氣在各交界管段的混合情況和出口的組分信息.

對(duì)于浙江省來說，其天然氣一期主干線主要有西氣、川氣和東氣三大氣源.不同的氣源天然氣組分含量不同，在不同的工況下氣流方向不斷發(fā)生變化，由東西北三個(gè)方向進(jìn)入我省后，混合情況復(fù)雜，給我省天然氣能源監(jiān)測帶來了一系列困難.為了了解浙江省天然氣管網(wǎng)多氣源不同氣質(zhì)天然氣混合的情況，關(guān)注不同出口處天然氣的不同氣質(zhì)的組分分布，得到管網(wǎng)中未安裝氣質(zhì)測定設(shè)備的那些地方的有關(guān)天然氣氣質(zhì)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量跟蹤［6］，本文利用Fluent流體仿真軟件，對(duì)浙江省管網(wǎng)的不同氣質(zhì)天然氣混合情況進(jìn)行模擬計(jì)算.

1 網(wǎng)格劃分

在現(xiàn)實(shí)生活中，浙江省天然氣管網(wǎng)模型十分復(fù)雜［7］，如圖1.因?yàn)楣芫W(wǎng)過長、管徑相對(duì)較小，如果對(duì)整個(gè)管網(wǎng)采用1∶1仿真會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量巨大計(jì)算時(shí)間較長，收斂困難.

為了保證在收斂的同時(shí)得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，本文對(duì)該管網(wǎng)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化：由于是進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，對(duì)狀態(tài)時(shí)間要求不高，且在一定長度的管道里已經(jīng)可以保證不同氣質(zhì)的均勻混合，所以根據(jù)浙江省天然氣管網(wǎng)規(guī)劃圖，按照浙江省天然氣一期主干線線路，保持管徑300mm不變，將管長以實(shí)圖1∶4000縮小，使用AutoCAD軟件生成數(shù)值模擬的二維模型圖，導(dǎo)入Gambit進(jìn)行計(jì)算區(qū)域離散化，劃分網(wǎng)格.

圖1 浙江省天然氣管網(wǎng)規(guī)劃圖Figure 1 Natural gas pipeline network plans in Zhejiang province

經(jīng)過簡化合并，該模型共劃分了3個(gè)進(jìn)氣口，11個(gè)出氣口，如圖2.3個(gè)進(jìn)口分別為進(jìn)氣口1長興站的西氣，流量為69.3m3／s；進(jìn)口2秀洲站的川氣，流量為46.3m3／s；進(jìn)口3春曉站的東氣，流量為19.25m3／s.11個(gè)出氣口分別為出口1湖州站、出口2安吉站、出口3余杭站、出口4桐鄉(xiāng)站、出口5海寧站、出口6嘉興站、出口7蕭山站、出口8紹興站、出口9上虞站、出口10余姚站和出口11鎮(zhèn)海站.因?yàn)楣荛L過長網(wǎng)格數(shù)量過大，無法一次性生成網(wǎng)格，因此將整個(gè)管網(wǎng)圖分為各小管段依次劃分，共生成網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)約410多萬個(gè).網(wǎng)格類型為四邊形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用平鋪方式劃分.

圖2 仿真模型Figure 2 Simulation model

2 參數(shù)計(jì)算與仿真模型

2.1 參數(shù)計(jì)算

2.1.1 體積分?jǐn)?shù)、摩爾分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的換算

在計(jì)量參比條件（t2，p2）下，如果氣體組成是以體積分?jǐn)?shù)給出，可按下式將體積分?jǐn)?shù)換算到摩爾分?jǐn)?shù)［8］，對(duì)所有的組分j而言，如式（1）：

式（1）中xj為組分j的摩爾分?jǐn)?shù)；φj為組分j的體積分?jǐn)?shù)；Zj（t2，p2）為組分j在計(jì)量參比條件（t2，p2）下的壓縮因子.

天然氣組分的摩爾分?jǐn)?shù)換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，換算公式為式（2）：

式（2）中Xmi為天然氣組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；XZi為天然氣組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mi為天然氣組分i的摩爾質(zhì)量.

2.1.2 雷諾數(shù)Re的計(jì)算

雷諾數(shù)的計(jì)算在工程上常用計(jì)算如式（3）［9］：

式（3）中Qm為天然氣質(zhì)量流量，kg／h；D 為管道內(nèi)徑，mm；μm為天然氣動(dòng)力黏度，Pa·s.

2.2 仿真模型

本文進(jìn)行Fluent仿真模擬計(jì)算的控制方程可以寫成如等式（4）的統(tǒng)一形式，如式（4）［10］：

等式（4）左邊為非定常項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)，右邊為擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng).

式中，φ為通用變量；uj為速度分量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù).

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，其主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率.k方程是精確方程，ε方程是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程.其湍流動(dòng)能方程k和擴(kuò)散方程ε分別為式（5）、（6）［11］：

式（5）（6）中，k為湍動(dòng)能，ε為耗散比，vt為流體的湍流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，G為湍流生成項(xiàng).

3 模擬計(jì)算

根據(jù)GB／T 22723—2008，天然氣測量的標(biāo)準(zhǔn)參比條件為：大氣壓力為101.325kPa，環(huán)境溫度為20℃.本論文中所用到的三個(gè)入口的不同天然氣氣質(zhì)組分?jǐn)?shù)據(jù)如表1，數(shù)據(jù)來自浙江省天然氣公司組分分析儀記錄表，通過在計(jì)量站安裝在線色譜儀，用天然氣采樣器采集天然氣樣本，上傳公司，得到數(shù)據(jù).

表1 入口天然氣氣質(zhì)組分表Table 1 Natural gas composition of inlet

讀入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格質(zhì)量.根據(jù)仿真參數(shù)的求解結(jié)果，假設(shè)氣體的流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化，認(rèn)為天然氣在管內(nèi)流動(dòng)形式為穩(wěn)態(tài)定?？蓧和牧髁鲃?dòng).啟動(dòng)species transport ＆reaction方程［12］，選擇全方位自由擴(kuò)散、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，自動(dòng)激活能量方程以啟動(dòng)傳熱計(jì)算，進(jìn)一步進(jìn)行邊界條件設(shè)置.

邊界條件設(shè)為質(zhì)量流量入口.由于僅針對(duì)天然氣門站前氣體氣質(zhì)情況，不考慮加壓后的變化，所以以固定壓力設(shè)為出口.初始化全場，各方程均采用一階差分迎風(fēng)格式離散，壓力場和速度場的耦合，初次迭代采用SIMPLE方法，迭代幾步后轉(zhuǎn)為SIMPLEC方法繼續(xù)，殘差精度設(shè)為0.0001，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)多次減小亞松弛因子，經(jīng)800次迭代計(jì)算后，得到凈流出報(bào)告為0.00018kg／s，小于總?cè)肟诹髁康?.5%，可認(rèn)為迭代收斂.

觀察凈流出報(bào)告發(fā)現(xiàn)在出口3、7、8、9處混合情況不夠理想，為了得到更為精準(zhǔn)的組分混合數(shù)據(jù)，保持其它條件不變，取這幾個(gè)出口處附近管路圖進(jìn)行局部建模，重新劃分網(wǎng)格，模擬計(jì)算.局部的仿真模型網(wǎng)格圖如圖3，保持其它設(shè)置不變，繼續(xù)仿真迭代求解.

圖3 局部仿真網(wǎng)格圖Figure 3 Partial simulation grid chart

4 仿真結(jié)果

作為一次大規(guī)模長輸管道管網(wǎng)仿真模擬，由于網(wǎng)格數(shù)量巨大，管網(wǎng)過長管徑相對(duì)較小，無法形象顯示各氣源天然氣各組分在管網(wǎng)內(nèi)的分布圖.多次改變壓力、動(dòng)量等的亞松弛因子大小，控制解的收斂，采用輸出出口組分分布圖表的方法，得到各氣源混合天然氣在各出口處各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，如表2.

表2 未發(fā)生混合處各天然氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布表Table 2 Mass fraction distribution of natural gas in unmixed places %

觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，出口1、2與入口1處的天然氣分布基本一致；出口4、5、6與入口2處的天然氣分布基本一致；出口10、11與入口3處的天然氣分布基本一致，沒有發(fā)生混合.判斷產(chǎn)生該情況的原因在于：出口1、2在入口1附近，距離入口2、3較遠(yuǎn)，天然氣管道足夠長，沒有發(fā)生混合，所以該處只有入口1的氣質(zhì)起到作用；出口4、5、6由于在入口2在附近，只有入口2的氣質(zhì)起到作用；出口10、11在入口3附近，只有入口3的氣質(zhì)起到作用.在出口3、7、8、9四處，三種不同氣質(zhì)的天然氣進(jìn)行了很好充分混合，通過局部再次仿真，得到了3個(gè)混合處的不同氣質(zhì)天然氣混合情況圖，以甲烷為例，如圖4、5.觀察圖4發(fā)現(xiàn)，出口3的天然氣各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于入口1、2之間，與入口2的組分分布更為接近，主要受到入口2的影響較大；觀察圖5發(fā)現(xiàn)，出口7的天然氣各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣介于入口1、2之間，但與入口1的組分分布更為接近，受到入口1的影響較大.

進(jìn)一步觀察出口處甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，如圖6，發(fā)現(xiàn)混合已經(jīng)比較均勻.

圖6 出口3、7甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 6 Mass fraction distribution of methane in outlet 3 and 7

輸出出口3、7、8、9處的組分?jǐn)?shù)據(jù)，得到各出口處天然氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3.

表3 發(fā)生混合處天然氣各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布表Table 3 Mass fraction distribution of naturalgas in mixed places %

5 實(shí)驗(yàn)比對(duì)

通過在浙能天然氣運(yùn)行有限公司了解情況，把已布有氣相色譜儀門站的氣質(zhì)信息且已上傳到浙江省天然氣能源網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)（圖7）的站點(diǎn)氣質(zhì)組分?jǐn)?shù)據(jù)作為實(shí)際數(shù)據(jù)，與管網(wǎng)仿真結(jié)果做比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如表4.

圖7 浙江省天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)Figure 7 Natural gas pipeline system in Zhejiang province

表4 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 4 Comparison between simulation data and experimental data（mass fraction） %

通過把已采集到的安吉、下沙出口處實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真得到的該出口處的氣質(zhì)組分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)合性較好，說明通過進(jìn)行Fluent仿真來做為氣相色譜儀布點(diǎn)的依據(jù)具有一定的可行性，值得深入研究.

6 結(jié) 語

本次研究以管道上所有供氣入口測定的氣質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過利用Fluent對(duì)管網(wǎng)中天然氣混合情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，共獲得11個(gè)出口混合天然氣的氣質(zhì)數(shù)據(jù)，并與已布有氣相色譜儀門站采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，為管網(wǎng)中未安裝氣質(zhì)測定設(shè)備處的氣相色譜儀的布點(diǎn)提供了依據(jù).由于浙江省天然氣一期主干線管網(wǎng)從西到東，橫跨整個(gè)浙江省，管線很長，天然氣輸送從西入口到東出口需要耗費(fèi)一定時(shí)間，本次研究僅以穩(wěn)態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬計(jì)算，未能做到動(dòng)態(tài)反應(yīng)管網(wǎng)天然氣混合的實(shí)時(shí)特性，筆者將在進(jìn)一步的研究中繼續(xù)討論.

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