PLStudio for Gas水力计算软件及其应用_工程实践

摘要

摘要：介绍了PLStudio for Gas水力计算软件的特点及管网模拟的主要步骤。结合工程实例，探讨了该软件在天然气管网动态模拟中的应用。关键词：天然气管网；PLStudio for Gas水力计算

摘要：介绍了PLStudio for Gas水力计算软件的特点及管网模拟的主要步骤。结合工程实例，探讨了该软件在天然气管网动态模拟中的应用。

关键词：天然气管网；PLStudio for Gas水力计算软件；动态模拟；水力计算

Hydraulic Calculation Software PLStudio for Gas and Its Application

FENG Tao，WU Xinsheng

Abstract：The characteristics of hydraulic calculation software PLStudio for Gas and the main steps of pipe network simulation are presented.The application of the software in dynamic simulation of natural gas pipe network is discussed with an engineering example.

Key words：natural gas pipe network；hydraulic calculation software PLStudio for Gas；dynamic simulation；hydraulic calculation

1 软件简介

PLStudio for Gas水力计算软件是英国ESI公司推出的天然气输配管网模拟计算软件，该软件为离线型天然气管道系统稳态/动态工艺计算和运行计划模拟软件，可用于管道水力计算、运行计划安排、动态过程模拟分析等。该软件的主要功能包括：稳态水力分析、压缩机和驱动机模型详细模拟、动态水力分析、给定约束条件下的过程控制、压缩机站模拟、设备选型模拟、热力学模型详细模拟、复杂管网模拟、天然气组成和温度跟踪。

2 软件的特点

2.1 基本方程

PLStudio for Gas水力计算软件进行管网模拟使用的基本方程是一组偏微分方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。

与基本方程配套的其他方程有：①状态方程：BWRS或SAREM方程^[1]；②摩阻公式：威莫斯公式、潘汉德尔修正公式、AGA公式、科尔布鲁克公式。

此外还有与离心式压缩机、往复式压缩机、压力调节器、流量调节器、截断阀、阻尼元件等相关的配套方程。

2.2 模型元件

PLStudio for Gas水力计算软件用模型元件来表示实际的管网元件。模型元件的参数和连接关系要与实际的管网元件相符，根据实际管网元件连接情况，把模型元件连接在一起构成管网模型，此时对管网模型的计算即是对实际管网的模拟。

主要的模型元件有：管段、压力调节器、流量调解器、阻尼元件、截断阀、外部调节器等。

2.3 模型元件的约束条件和控制方式

实际管网元件中有一些是起调节或控制作用的，在PLStudio for Gas水力计算软件中，表示这类实际元件的模型元件都具备一个或一组约束条件，倒如：阀门的开度；调压器的最大出口压力、最大流量；供气气源的最大出口压力、最大流量、出口温度等。这类模型元件的约束条件中总有一个，并且只有一个是该元件运行状态的设定值。例如：为了表示某一调压站(对应模型元件为压力调节器)，指定了最小出站压力和最大流量两个约束条件，如果指定该调压站的供气量等于最大流量设定值，则出站压力不低于约束条件所规定的值，这种情况下我们可以说该调压站运行于最大流量控制方式。

在管网模拟过程中，PLStudio for Gas水力计算软件尽量使模型在满足所有约束条件的同时按指定的控制方式运行。如果按某一控制方式运行，发生了违背其他约束条件的情况，那么软件将自动切换控制方式，以便获得满足所有约束条件的结果，因此，不要指定相互矛盾的约束条件是获得收敛结果的关键。

2.4 管网模拟的主要步骤

① 根据实际管网建立管网模型

根据实际管网确定各管网元件的连接关系及参数，标明各模型元件的名称和主要约束条件。

② 数据输入

数据输入文件是一种自由格式的文本文件，使用时按规定分别在各管段输入相应的数据内容。例如：在“CONST”段输入各类缺省值；在“FLUED”段输入各气源的气体组分和参数；在“CONFIG”段输入模型元件的连接关系、参数、约束条件和控制方式；在“TREND”段输入瞬态模拟时需要改变的控制方式或约束条件；在“PRINT”段输入输出文件的内容和详细程度等。PLStudio for Gas水力计算软件界面见图1。

③ 进行稳态模拟

PLStudio for Gas水力计算软件自动把各管段划分成很小的计算段进行计算。只要模型元件参数和连接关系正确，没有相互矛盾的约束条件，控制方式合理，一般都能够得到收敛结果。

④ 进行动态模拟^[2～5]

当管网负荷变化较大，或者需要了解管网在各种调度工况和事故工况下的性能时，需要进行动态模拟，通常采用批处理方式进行动态模拟。模拟前应设置一个模拟的初态，并规定好在模拟过程中需要改变约束条件和控制方式的时间表、所要模拟的时间范围等。

⑤ 对模拟结果进行后处理

进行后处理可以生成表示模拟结果的表格、曲线或用户自定义的报告文件，按用户自定义的格式文件控制动态模拟的屏幕显示，把动态模拟求得的动态趋势按电子表格的要求输出等，以便用户对模拟计算产生的数据作分析研究。

3 软件在管网动态分析中的应用实例

① 建立管网模型

由于天然气发电厂用气负荷比较大，电厂机组启停时天然气负荷变化也比较大，所以在分析电厂运行对燃气管网运行的影响时，需要对整个管网作动态模拟。利用动态模拟可以直观计算出燃气用户的用气量和压力的动态变化规律，解决了一些常规计算方法无法解决的问题。

以北京市太阳宫天然气发电厂为例，在建立北京市天然气高压管网模型的基础上，对太阳宫电厂的两台9F机组在冬季用气高峰进行启停时的供气管道水力工况进行动态模拟计算。建立的太阳宫电厂供气管网模型见图2，高压A管道总长130km，高压B管道总长180km。

② 数据输入

根据管网实际情况，在管网模型中输入各管道的长度、管径、壁厚、粗糙度等参数。因为要进行动态模拟，所以把每个负荷点每小时用气量输入到动态水力计算表中，电厂机组的用气规律也要相应地输入到动态水力计算表中。

③ 动态计算及结果分析^[6]

计算时，作为太阳宫电厂供气气源的上游高压A调压站的约束条件为最大出口压力2.5MPa，其他边界条件为：整个管网的负荷为2010年的负荷，全网高峰小时流量为250×10⁴m³/h，电厂高峰小时流量为16×10⁴m³/h。设置衙门口门站输气能力为50×10⁴m³/h，次渠门站输气能力为40×10⁴m³/h，采育门站输气能力为80×10⁴m³/h，通州门站输气能力为80×10⁴m³/h。

将太阳宫电厂机组24小时的天然气耗量数据输入管网模型，对整个管网进行动态模拟。经计算，当电厂采用设计压力为2.5MPa、DN 500mm供气供气管道末端的压力波动范围为2.3～2.5MPa。压力波动范围满足整个输配管网正常运行的要求，也能满足电厂最低进口压力的需求。电厂供气管道末端压力变化情况见图3，其中横坐标1代表0：00—1：00，2代表1：00—2：00，依次类推。

图3的压力变化曲线可以清楚地表明电厂运行的各时间段进气管道末端压力的变化，该压力变化曲线图为工程前期制定电厂供气管道方案提供了重要的参考依据。

4 结语

目前我国城市燃气发展已进入天然气时代，在城市天然气管网的设计中，要树立稳态及动态工况的设计理念，借助成熟可靠的水力计算模拟软件进行分析和计算，并进行多方案的技术经济比较，以便提出安全可靠、经济合理、符合实际的燃气系统技术方案，提高设计质量。

参考文献：

[1] 田贯三，张增刚，江亿.城镇天然气管网水力分析数学模型与计算方法[J].天然气工业，2002，22(3)：96-98.

[2] 杨昭，张甫仁，朱强.燃气管网动态仿真的研究及应用[J].天然气工业，2006，26(4)：105-108.

[3] 李军，玉建军.不同模型燃气管道动态模拟的对比分析[J].煤气与热力，2010，30(1)：A24-A27.

[4] 高兰周，田贯三，赵自军，等.高压燃气管道非稳态流动的特征线法模拟研究[J].煤气与热力，2008，28(11)：B13-B15.

[5] 福鹏，陈敏，张秀梅，等.天然气管网储气调峰的动态仿真模拟[J].煤气与热力，2008，28(12)：B01-B04.

[6] 冷绪林，肖尉，孙立刚，等.动态模拟在燃气环网储气调峰设计中的应用[J].油气储运，2001，20(6)：16-19

(本文作者：冯涛¹ 武新生² 1.北京市煤气热力工程设计院有限公司北京 100032；2.北京燃气怀柔有限公司北京 101400)