燃气发展规划中储气需求的计算

张悦 张云莉 刘学智

山东一通工程技术服务有限公司

天然气作为一种清洁能源已逐步成为城市燃气的主气源，在城市燃气发展中占有非常重要的地位。然而由于各类天然气用户用气量变化的不规律性，导致天然气的耗气量随月、日、时而变化，而气源供应又是相对稳定的，难以完全按照城市用气工况来供气，为了解决供需之间的矛盾，使用户稳定用气，需设置有效的调峰手段，使燃气输配系统供需平衡。解决城市各类用户时不均匀性，目前使用较多的为长输管道储气和LNG储配站储气。本文就燃气发展规划中储气设施储气量问题进行分析，满足城市发展过程中居民、商业及部分工业用户不间断供气。

1 储气量的确定

燃气发展规划中多使用高压管道储气和储气罐储气的方式，在用气高峰时，首先采用管道储气的方式，当管道储气无法保证各类用户不间断用气时，将储气罐中的液化天然气气化、调压、计量后与中压管网对接，实现向各类用户供气。在分析储气需求时，首先对长输管道储气量进行计算分析，再根据用气量需求，求出储气罐所需要的气量。

1.1 长输管道储气量

长输管线末端是指上游管线分输站至城市门站之间的管段，该管段不仅具有输气能力，还有一定的储气能力，因此充分利用输气管段末端的储气能力，可以减少储罐的数量和脱水工作量。

长输管线输气过程中受到各种扰动，如各类用户用气的不均匀性、间断性及相关设备的启停、外界环境变化对燃气轮机的影响等。这些扰动直接导致天然流量和压力沿输气管线随时间不断发生变化。由于扰动产生的作用在高压输气过程中表现得比较明显，这就决定了对天然气长输管线的输气过程应按照不稳定流来考虑[1]。

1.1.1数学模型的建立

长输管道中流体遵循一维不稳定流动，管道中主要以流速、压力、密度、温度等物理量反映气体流动状态，基于流体动力学理论，并考虑天然气在管段中流动时与土壤之间存在换热现象和焦耳-汤姆逊效应产生的温度变化，建立了如下长输管道动态数学模型[2]：

式中：p为管道中天然气的压力，Pa；x为沿管线的距离，m；ρ为天然气密度，kg/m3；v为管段中气体流动速度，m/s；t为时间，s；g0为重力加速度，m/s2；h 为管道的高程，m；λ为水力摩阻系数；D为管道内径，m；c为气体中的声速，m/s；Z为气体的压缩因子；R0为气体常数，J/(kg/K)；T为气体温度，K；K为天然气到土壤的传热系数，W/(m2/K)；T0为环境温度，K；cp为天然气的比定压热容，J/(kg/K)；Dh为天然气的焦耳-汤姆逊系数。

边界条件：x=0，Q(0,t)=Q0；x=l，Q(l,t)=Q(t)；x=0，P(0,t)≤Pmax；x=l，P(l,t)≥Pmin。

1.1.2计算求解

文献[3]提供了基于守恒原理的Wendroff差分格式，由该差分格式建立的方程组是一个大型的非线性方程组。为了减小求解难度，在求解之前根据管道实际运行工况，对数学模型进行以下适当的简化[4]。

1）在实际的输气管道中，天然气流速不会很大（接近声速），因此可以忽略对流项。

2）流量随时间的变化不会太大，可以忽略惯性项。

3）起点与终点的高差不超过200m时，可以忽略高差带来的影响。

于是式（1）可以简化为：

联立式（2）和式（5），可以得到式（6）：

采用分离变量法对式（6）进行求解，假定

将式（7）代入式（6）得到

等号左边仅为t的函数，右边仅为x的函数，设等号左右两边同等于μ，即

结合边界条件求解得出

式（13）、（14）反映了长输管线中天然气流量、压力随时间、空间的变化情况。

1.1.3长输管道储气量的计算

由前面的分析、计算，可以计算出输气管线中流量、压力与末端流量变化之间的关系。因此，根据储气调峰原理，长输管线的储气量可以由下式计算得到：

管段末端储气量（单位m3）

式中：△Qm为管道的储气量，kg；ρ0为天然气在标准状态下的密度，kg/m3。

1.2 储气罐储气量的计算

储气罐储气能在停电、上游管道出现问题、制气或输配设备发生暂时故障时保证一定程度的供气。因此，确定储气罐的实际容积，应考虑到供气的波动、用气负荷的误差、气温等外界条件的突然变化以及储气设备的安全操作要求，储气罐的实际容积应有一定的富裕。具体计算根据以下两式进行计算。

式中：V'为所需的储气容积，m3；V为储气罐的容积；m3；Qt为 t小时中的用气量，m3；Qd为最大日用气量，m3；Q为制气能力，m3；t为一日中小时用气量大于制气能力的小时数，h。

2 实例计算

表1为某长输管道储气不稳定流实测数据[5]。按负荷曲线，储气从晚21时开始，晨7时结束。管道需保证入口流量为 56000m3/h（P0=0.101325MPa，T0=293K），储气前，管道始端压力为4.66MPa，未端压力为1.42 MPa，管内温度10℃，管内径30cm，管长132km。储气量 ΣQi=222.2×103m3。

表1晚间储气工况的实例数据

图1 管道储气计算值与实例数据对比

根据以上计算式，结合表1数据，求得管道、储气罐储气计算值，并将管道储气计算值与实例数据对比见图1。从图1可见，管道计算值与实例数据误差在10%左右，计算公式可以利用；储气罐储气量与长输管道储气量的比值最大为8.77%，最小为-60.4%。

3 结论

1）燃气发展规划中采用的储气方式大多为两种，一种是长输管道天然气储气，一种是液化天然气储配站储气。储气罐储气量与长输管道储气量的比值最大为8.77%，最小为-60.4%。

2）利用一维非稳态计算公式，推导了长输天然气管道储气量的计算公式，并通过实例验证，结果表明计算结果与实例数据的误差在10%左右。

[1] 隋元春,薛世达.沿途有分输的长输燃气管道不稳定计算[J].煤气与热力,1988,(4):25-27

[2] 唐建峰,段常贵.燃气长输管道动态模拟及末端储气研究[J].油气储运,2000,(7):24-27

[3] 李长俊,曾自强.天然气在管道系统中不稳定流动的分析[J].天然气工业,1992,(4):69-71

[4] 段常贵,杨立民.燃气长输管线分析与末段储气计算[J].煤气与热力,1997,(3):16-20

[5] 李猷嘉.长输管道末段储气量的计算与分析[J].煤气与热力,2002,22(1):8-11