基于软件模拟城市中压燃气管网可靠性分析

吕 凯 詹淑慧 黄 葵

（1.北京建筑工程学院，北京 100044；2.中国市政工程华北设计研究总院，天津 300070）

0 引言

在城市中压燃气管网建设中，提高管网可靠性和抗风险能力是一个不容忽视的问题［1］。笔者根据广东省某市城区中压燃气管网的规划情况，对设计工况以及事故工况下的管网状况进行软件模拟，假定事故工况为气源点因故停气和管网中较大流量的管段故障停输，对广东省某市城区的天然气中压管网的可靠性进行分析。

1 GNET软件简介

采用的GNET软件是由中国市政工程华北设计研究总院与北京赛远科技发展有限公司共同开发的燃气管网分析软件，具有便捷的操作界面，适用于管道输送的城镇燃气在不同压力级制下的环网水力分析和计算。

GNET软件的主要特点：① 管网分析计算与绘图一体化。应用软件进行管道的绘制计算，并结合绘图软件将计算结果直接标注于图形中。② 在自识别环路管网图的基础上，自动对环、管段及节点进行编号处理，自动设定管段流向。③ 采用多种方式进行原始数据输入，方式灵活，编辑方便。④ 分析结果可以图形方式、文档方式及分析过程等多种方式输出。⑤ 采用图形处理算法及迭代算法，在传统的节点方程法的基础上采用变带宽矩阵存储系数矩阵，因为系数矩阵是对称稀疏矩阵，运用变带宽技术可以节省大量的存储空间。

1.1 软件处理流程

GNET软件处理流程如图1所示。

图1 GNET软件处理流程图

1.2 中压管网水力分析的计算依据

根据城镇燃气设计规范GB50028-2006附录C规定，GNET软件在中压燃气管道单位长度的摩擦阻力损失按照下式计算［2］：

式中，p1为燃气管道起点的压力，kPa；p2为燃气管道终点的压力，kPa；l为燃气管道的计算长度，km；q为燃气管道的计算流量，m3／h；d为管道内径，mm；ρ为燃气的密度，kg／m3；T为设计中所采用的燃气温度，K；T0为273.16 K。

燃气管道为钢管，其单位长度的摩擦阻力损失按下列各式计算：

式中，Re为雷诺系数；v为0℃、101.325 kPa时燃气的运动黏度，m2／s；K为管壁内表面的当量绝对粗糙度，对钢管取0.2 mm。

2 中压管网工况及可靠性分析

根据当地规划预测，2020年广东省某市城区规划年需气量为49 245×104m3，其中居民用户用气量为 5 806×104m3／a，占年用气量的11.8%；公建商业用户用气量为5 806×104m3／a，占年用气量的11.8%；工业用户用气量为27 714×104m3／a，占年用气量的56.3%；天然气汽车用气量为7 574×104m3／a，占年用气量的15.4%；不可预见用气量为2 345×104m3／a，占年用气量的4.7%。

天然气高压管网可向该市城区中压管网供气的高中压调压站共4座，即气源A、气源B、气源C和气源D，其中设计供气能力分别为25 000 m3／h、76 699 m3／h、45 000 m3／h、20 000 m3／h，最高供气压力均为0.36 MPa。

2.1 中压管网计算模型的建立

广东省某市城区已建设中压燃气管网为461.73 km（钢管446.74 km，PE管15.99 km），其中市政管线为242.27 km，中压支管及庭院管道为219.46 km，形成了较为完善的城市中压燃气管网系统。该系统共设有4个气源点，并且形成联网调度。根据2020年广东省某市城区中压管网规划图（图2），在GNET软件中构建管网结构图，生成计算草图，并赋值管径和环流量后，即可形成计算原始文件，进行设计工况下的中压管网水利计算。笔者在计算工况的基础下对门站断气和个别管段断气两种事故工况分别进行模拟。

图2 2020年广东省某市城区中压管网规划图

2.2 设计工况计算模拟

在计算工况下，当4个气源点同时供气，并且满足用气负荷时，气源A的流量为19 147.12 m3／h，占总供气量的20.2%；气源B的流量为43 593.73 m3／h，占总供气量的48.5%；气源C的流量为16 844.62 m3／h，占总供气量的18.8%；气源D的流量为11 250 m3／h，占总供气量的12.5%。供气压力均为0.36 MPa。

2.3 事故工况计算模拟

假定某一个门站由于意外事故丧失供气能力，在计算工况的基础上取消这个气源点，通过模拟得到3个气源供气，并且满足用气负荷时，即门站断气的事故工况下，各个气源点的供气压力及流量如表1所示。

从计算工况的结果可以看出，在4个气源同时供气的情况下，环网中流量最大的3个管段的流量分别为 14 290.34 m3／h、11 771.58 m3／h 和 7 314.53 m3／h，定义这3个管段分别为管段A、管段B和管段C，其中管段A的管径为D 508×8.7 mm，管段B和管段C的管径为D 323.9×8.0 mm。在4个气源同时供气的基础上分别对管段A、管段B和管段C的管径重新设定，把这3个管段的管径设定为0，假设这3个管段分别断气，进行了3次断气模拟。从断气模拟的计算结果可以得出，在管段A、管段B和管段C分别断气的情况下，4个气源同时供气，同时满足用气负荷时，即个别管段断气的事故工况下，各个气源点的供气压力及流量如表2所示。

表1 门站断气工况下各气源点供气压力及流量表

表2 个别管段断气工况下各气源点供气压力及流量表

2.4 管网可靠性分析

2.4.1 门站断气工况分析

由表1可知，在计算工况下，气源B的供气量为43 593.73 m3／h，占4个气源供气量总和的48.5%，是4个气源中所占比重最大的气源点。通过模拟得知：若气源B断气，其他3个门站不能够完成供气任务；若气源A、气源C和气源D中的任意一个气源断气，另外3个气源可以通过压力和流量的调整完成供气任务。以气源D断气为例，在气源D断气工况下，气源C流量比计算工况下的流量增加3 425.87 m3／h，占计算工况下气源C供气量的17%；气源B流量增加8 354.22 m3／h，占计算工况下气源B供气量的16%；气源A流量增加2 274.32 m3／h，占计算工况下气源A流量的13%；气源A、气源B和气源C门站的供气压力和供气量均在额定范围之内，且增加的流量总和为14 054.41 m3／h，约等于气源D计算工况下的流量。由此可见，当气源D由于事故不能正常供气，气源D的负荷可由气源A、气源B和气源C门站承担。

在上述4种工况下，各气源供气量总和均约90 000 m3／h，气源D、气源C和气源A 3座门站，其中1座停止供气之后，其他3个气源的供气量均会有不同程度的增长，增长的总和即为断气的气源的供气量，在个别气源出现不能供气的紧急情况时，可以通过调节其他3个气源点的供气压力和流量来满足正常的用气负荷和需求。

2.4.2 个别管段断气工况分析

由表2可知，在个别管段断气工况下，气源供气量变化不大，管段断气对气源供气状况影响不大。个别管段断气工况并未对气源供气状况造成很大的影响，4个气源的供气结构和供气量基本与计算工况保持一致，终止运行管段的职能由环路内其他管段承担。以管段C断气工况为例，管段C断气后，其职能由同在环A的管段D、管段E和管段F承担。管段C及环A结构示意图如图3，图中箭头方向为计算工况下供气方向。

图3 管段C及环A结构示意图

由计算结果可知，计算工况及管段C断气工况下环A的环流量未发生变化，管段D和管段E的流量分别增加了73.4%和71.5%，管段F供气方向与计算工况相反，流量增加28.3%，即在管段C断气工况下，管段C的职能由管段D、管段E和管段F承担，通过环网和管段的调节能力可以使得管段C断气不对管网的供气能力产生影响。

2.4.3 可靠性分析

由上述分析可知，广东省某市城区的天然气中压管网抗风险能力较强。个别气源在事故工况下不能供气时，可通过调节其他气源的压力和流量完成供气任务；部分管段出现紧急状况不能够完成供气任务时，环网中其他管段可以承担中断管段的负荷。广东省某市城区中压管网在出现事故工况时可以通过气源点的调节以及环网和管段的调节能力保证供气的安全与稳定运行，为事故工况下的应急抢险赢得宝贵时间，以保证用户能够正常使用，具有较高的可靠性。

3 结论及建议

1）在多气源情况下，某气源停止供气对可靠性影响不大，其他气源可补充供气。中小城市（镇）在规划建设时应当尽量设置多个气源，提高气源的抗风险能力。

2）在管网中设置环网的情况下，某大流量管段故障停输对管网供气影响不大，环网的适应和调节能力可以确保管网正常供气。中小城市（镇）应在管网中尽量设置多个环网，可缩小事故影响范围，降低破坏力。

3）GNET软件模拟为分析提供了理论依据和数据基础，中小城市（镇）在管网建设过程中应运用模拟软件对燃气管网进行优化、完善，设置紧急预案，指导日常的运行和维护，提高管网的可靠性。

［1］詹淑慧.燃气供应［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［2］中国市政工程华北设计研究院.GB50028-2006城镇燃气设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.