TGNET在输气管道瞬态变化中的应用

TGNET在输气管道瞬态变化中的应用

陆涛1  杨江2

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司西安分公司  陕西西安 710000

摘要：传统设计主要是基于稳态工况下的设计，未考虑变负荷或事故工况对管网系统的冲击影响。本文基于TGNET软件，结合工程案例，对不同工况进行动态模拟，分析管网系统运营的稳定性和事故的响应能力，并提出相应的运维措施。

关键词：输气管道；变负荷；事故工况；动态模拟；运维措施

Application of TGNET in transient change of gas pipelines

Lu Tao1 ,Yang Jiang2

(Xi'an Branch of Shanghai Municipal Engineering Design and Research Institute (Group) Co., Ltd)

Abstract: The traditional design is mainly based on the design under steady-state conditions, and the impact of variable loads or accident conditions on the pipeline system is not considered.Based on TGNET software and combining engineering cases, this paper dynamically simulates different working conditions, analyzes the stability of pipeline system operation and the response ability of accidents, and puts forward corresponding operation and maintenance measures.

Keywords: Gas pipeline; Variable load; Accident conditions; Dynamic simulation;Operation and maintenance measures

随着经济的快速发展，城市的现代化进程越来越快，对各项配套设施要求也越来越高，尤其是天然气等清洁能源的利用。由国家能源局石油天然气司、国务院发展研究中心资源与环境政策研究所、自然资源部油气资源战略研究中心联合编写的《中国天然气发展报告（2020）》：预测2020年我国天然气消费量约3200亿立方米，比2019年增加约130亿立方米，同比增长4.2%[1]。天然气的广泛利用离不开长输管道的不断建设，截至2017年底，我国长输天然气管道总里程达到7.7万km，干线管网总输气能力超过2800亿m3/a[1]。以上数据表明，已建设的天然气长输管网规模较大，瞬态工况的发生概率也在逐年增大。但由于技术限制，较早敷设的输气管道都是基于稳态工况下设计的，并未考虑变负荷工况或事故工况[2]对管网系统的冲击影响。

当前，由于用户的多样性、用气的不均匀性[3]、用气负荷变化的周期性、季节性，存在多种非稳态工况，以及管网系统设置的紧急切断装置（如长输管道线路阀室设置的气液联动阀），由于突发事件阀门紧急关闭等工况，对管网系统适应多工况的性能提出了更高的要求。TGNET软件具有强大的动态模拟计算功能，是用于高压输气管道多工况模拟的首选仿真工具之一。本文基于TGNET软件，结合工程案例，对不同工况进行动态模拟，分析管网系统运营的稳定性和事故的响应能力，并提出相应的运维措施。

1.TGNET软件简介

TGNET是由英国ESI公司研制开发Pipe line Studio软件下的一款气体瞬态和稳态模拟软件。是经过使用证明的，历史悠久的输送气体管道离线模拟软件，能够对管道的正常工况和事故工况进行稳态和动态分析，测试和评价输气管道的设计或操作参数的设置，最终获得优化的系统性能。TGNET可以模拟单管流动和多气源、多用户的管道系统，也可以模拟其他管道设备对管道系统的影响，如压缩机、截断阀、调节阀等设备。软件具有全功能的图形界面、稳定的数字求解技术、完备的设备模拟、灵活的控制方式和多约束条件设定、温度跟踪、气体属性跟踪[3,4]等特点，已在世界得到广泛应用。

1.1 软件模拟的理论基础

气体在管道内流动，随着压力下降，密度逐渐变小，流速不断增大。管道内的气体在管道内流动时，同时，也与周围介质进行热交换，气体温度会逐步降低，在管道的未段趋近于甚至低于周围介质的温度。特别是在不稳定流动的情况下，尤其导致介质压力、流量和温度随时间在不断的变化。

因此，TGNET进行管网模拟是基于管道内介质的压力P、密度、流速v 和温度T形成的三组基本方程进行偏微分求解，三组方程分别为：质量守恒方程（连续性方程）、动量守恒方程和能量守恒方程。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

进行模拟求解时，还需确定状态方程和阻力系数公式，根据使用经验，状态方程选用BWRS[5]，阻力系数公式选用Colebrook White。

BWRS的优点：一是在很大的压力、温度范围内都很精确；二是在相变区或相变区附近也比较精确；三是可以作气体组分跟踪；四是可以处理含有较多非碳氢化合物的气体。

Colebrook White公式的优点：考虑了不同管子光滑或粗糙的内壁情况，在较宽的流动状态范围下有较好的模拟精度，适用于紊流三个区。

1.2边界条件

合理设置边界条件是模型计算收敛的必要条件[4]，TGNET提供以下几种边界条件：

（1）最大压力(supply)——最大流量(delivery)模式；

计算结果：流量(supply)——压力(delivery)

（2）最大压力(supply)——最小压力(delivery)模式；

计算结果：流量(supply)——流量(delivery)

（3）最大流量(supply)——最小压力(delivery)模式；

计算结果：压力(supply)——流量(delivery)

2.模拟分析

2.1建立模型

本文通过对“气化咸阳长输管道输配工程二期项目旬邑至马栏段 ”高压输气管道进行动态模拟，以此分析线路阀室气液联动阀突然关闭，对管网系统造成的影响。

项目背景：管道设计压力4.0MPa，管道长度为33.5km，主管道管径为D323.9，壁厚为8mm，沿线设置一处分输截断阀室，位于设计起点14.5km处，分输管径为D219.1，壁厚为6.5mm，另一处支管距设计末端2km处，管径为D168.3，壁厚为6.0mm。管道粗糙度取30μm，管道沿线共设置三处用户。气液联动阀后文简称截断阀。

图1管网模型

2.2参数设置

表1  气源点和用气点的参数设置

注：“/”表示不予设置。

2.3工况设置

表2  24小时管网工况设置

2.4稳态模拟

在进行动态模拟之前必须进行稳态模拟，验证管网模型的合理性。根据气源点和用气点的参数设定，稳态模拟结果如下：

图2管网稳态模拟

稳态模拟结果标明：管网模型设置合理，满足气源点和用气点的条件设置，为动态模拟奠定条件基础。

2.5动态模拟及分析

（1）事件1

图3  事件1中 截断阀下游压力波动和用气点1的压力波动

由事件1工况模拟表明：位于截断阀下游的三个用气点，当靠近截断阀的用气点1保证用气量不变，远离截断阀的用气点2和用气点3保证供气压力不变时，阀门关闭后，截断阀下游压力和用气点1处的供气压力变化剧烈，呈现脉冲波动，尤其是用气点1处的压力，脉冲压力的峰值是气源压力的2.2倍左右。这种工况下，对靠近截断阀处的用气点的管道强度要求高于远离截断阀的管材。

（2）事件2

图4  事件2中 截断阀下游压力波动（左）和用气点1处的流量波动（右）

图5  事件2中 用气点2处的流量波动（左）和用气点3处的流量波动（右）

由事件2工况模拟表明：当截断阀下游的用气点处压力不变时，阀门关闭后，截断阀下游压力先骤降后平稳，趋于用气点压力；管网系统内的气体在经过动态平衡后，快速向位于中间的用气点流动，最后再次形成平衡，趋于稳定。

（3）事件3

图6  事件3中 截断阀下游压力波动（左）和用气点1处的流量波动（右）

图7  事件3中 用气点2处的流量波动（左）和用气点3处的流量波动（右）

由事件3工况模拟表明：截断阀关闭后，下游压力先骤降后趋于平稳。各用气点处的压力变化与截断阀下游压力变化一致；用气点1处的流量在管网系统非平衡时刻均是骤降，向外流动；用气点2处的流量在各个非平衡时刻均是增加；用气点3处的流量在开始的非平衡时刻，先骤降，但在后续的非平衡时刻，流量均是增加。不论各用气点的流量变化是否剧烈，最后都趋于稳定。

3 结论及建议

通过分析高压输气管道气液联动阀紧急关闭后的几种工况，利用TGNET软件进行动态模拟，分析不同工况下，各用气点的压力、流量变化规律，为管网建设工作提供一定参考。通过上述模拟和分析，初步得出以下结论及建议：

（1）正常运行中的高压输气管网，突然快速关闭线路截断阀后，当调节远端用气点的供气压力不变，保供截断阀附近的用户时，靠近截断阀的用气点，供气压力变化剧烈，呈现脉冲波动，脉冲压力的峰值是气源压力的2.2倍左右。在这种工况下，建议对靠近截断阀处的管网系统进行增加管道壁厚或选用屈服强度较高的管材，以保障管网系统运营的安全性。

（2）正常运行中的高压输气管网，突然快速关闭线路截断阀后，为保障各用户的用气需求，调节供气压力不变时，管网系统两端的介质向中间用户流动，此时存在介质倒流的现象，出现管道内介质对流，产生水锤效应。在这种工况下，建议增强汇流点附近的管道强度，避免出现管道炸裂。

（3）正常运行中的高压输气管网，突然快速关闭线路截断阀后，当未进行用气调度，下游各用气点的用气量维持不变时，管网系统内的介质先向中间用户流动，然后向末端用户流动，存在中间用气点和末端用气点流量骤升的现象，在此工况中，同样存在介质倒流和水锤效应。建议增强中间用气点和末端用气点的管网系统。

（4）在管网设计中，根据保供需求，合理的增强相应管网系统的强度，是保障系统安全、稳定运营的基础。

参考文献

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