基于軟件模擬城市中壓燃氣管網可靠性分析

呂 凱 詹淑慧 黃 葵

（1.北京建筑工程學院，北京 100044；2.中國市政工程華北設計研究總院，天津 300070）

0 引言

在城市中壓燃氣管網建設中，提高管網可靠性和抗風險能力是一個不容忽視的問題［1］。筆者根據廣東省某市城區中壓燃氣管網的規劃情況，對設計工況以及事故工況下的管網狀況進行軟件模擬，假定事故工況為氣源點因故停氣和管網中較大流量的管段故障停輸，對廣東省某市城區的天然氣中壓管網的可靠性進行分析。

1 GNET軟件簡介

采用的GNET軟件是由中國市政工程華北設計研究總院與北京賽遠科技發展有限公司共同開發的燃氣管網分析軟件，具有便捷的操作界面，適用于管道輸送的城鎮燃氣在不同壓力級制下的環網水力分析和計算。

GNET軟件的主要特點：① 管網分析計算與繪圖一體化。應用軟件進行管道的繪制計算，并結合繪圖軟件將計算結果直接標注于圖形中。② 在自識別環路管網圖的基礎上，自動對環、管段及節點進行編號處理，自動設定管段流向。③ 采用多種方式進行原始數據輸入，方式靈活，編輯方便。④ 分析結果可以圖形方式、文檔方式及分析過程等多種方式輸出。⑤ 采用圖形處理算法及迭代算法，在傳統的節點方程法的基礎上采用變帶寬矩陣存儲系數矩陣，因為系數矩陣是對稱稀疏矩陣，運用變帶寬技術可以節省大量的存儲空間。

1.1 軟件處理流程

GNET軟件處理流程如圖1所示。

圖1 GNET軟件處理流程圖

1.2 中壓管網水力分析的計算依據

根據城鎮燃氣設計規范GB50028-2006附錄C規定，GNET軟件在中壓燃氣管道單位長度的摩擦阻力損失按照下式計算［2］：

式中，p1為燃氣管道起點的壓力，kPa；p2為燃氣管道終點的壓力，kPa；l為燃氣管道的計算長度，km；q為燃氣管道的計算流量，m3／h；d為管道內徑，mm；ρ為燃氣的密度，kg／m3；T為設計中所采用的燃氣溫度，K；T0為273.16 K。

燃氣管道為鋼管，其單位長度的摩擦阻力損失按下列各式計算：

式中，Re為雷諾系數；v為0℃、101.325 kPa時燃氣的運動黏度，m2／s；K為管壁內表面的當量絕對粗糙度，對鋼管取0.2 mm。

2 中壓管網工況及可靠性分析

根據當地規劃預測，2020年廣東省某市城區規劃年需氣量為49 245×104m3，其中居民用戶用氣量為 5 806×104m3／a，占年用氣量的11.8%；公建商業用戶用氣量為5 806×104m3／a，占年用氣量的11.8%；工業用戶用氣量為27 714×104m3／a，占年用氣量的56.3%；天然氣汽車用氣量為7 574×104m3／a，占年用氣量的15.4%；不可預見用氣量為2 345×104m3／a，占年用氣量的4.7%。

天然氣高壓管網可向該市城區中壓管網供氣的高中壓調壓站共4座，即氣源A、氣源B、氣源C和氣源D，其中設計供氣能力分別為25 000 m3／h、76 699 m3／h、45 000 m3／h、20 000 m3／h，最高供氣壓力均為0.36 MPa。

2.1 中壓管網計算模型的建立

廣東省某市城區已建設中壓燃氣管網為461.73 km（鋼管446.74 km，PE管15.99 km），其中市政管線為242.27 km，中壓支管及庭院管道為219.46 km，形成了較為完善的城市中壓燃氣管網系統。該系統共設有4個氣源點，并且形成聯網調度。根據2020年廣東省某市城區中壓管網規劃圖（圖2），在GNET軟件中構建管網結構圖，生成計算草圖，并賦值管徑和環流量后，即可形成計算原始文件，進行設計工況下的中壓管網水利計算。筆者在計算工況的基礎下對門站斷氣和個別管段斷氣兩種事故工況分別進行模擬。

圖2 2020年廣東省某市城區中壓管網規劃圖

2.2 設計工況計算模擬

在計算工況下，當4個氣源點同時供氣，并且滿足用氣負荷時，氣源A的流量為19 147.12 m3／h，占總供氣量的20.2%；氣源B的流量為43 593.73 m3／h，占總供氣量的48.5%；氣源C的流量為16 844.62 m3／h，占總供氣量的18.8%；氣源D的流量為11 250 m3／h，占總供氣量的12.5%。供氣壓力均為0.36 MPa。

2.3 事故工況計算模擬

假定某一個門站由于意外事故喪失供氣能力，在計算工況的基礎上取消這個氣源點，通過模擬得到3個氣源供氣，并且滿足用氣負荷時，即門站斷氣的事故工況下，各個氣源點的供氣壓力及流量如表1所示。

從計算工況的結果可以看出，在4個氣源同時供氣的情況下，環網中流量最大的3個管段的流量分別為 14 290.34 m3／h、11 771.58 m3／h 和 7 314.53 m3／h，定義這3個管段分別為管段A、管段B和管段C，其中管段A的管徑為D 508×8.7 mm，管段B和管段C的管徑為D 323.9×8.0 mm。在4個氣源同時供氣的基礎上分別對管段A、管段B和管段C的管徑重新設定，把這3個管段的管徑設定為0，假設這3個管段分別斷氣，進行了3次斷氣模擬。從斷氣模擬的計算結果可以得出，在管段A、管段B和管段C分別斷氣的情況下，4個氣源同時供氣，同時滿足用氣負荷時，即個別管段斷氣的事故工況下，各個氣源點的供氣壓力及流量如表2所示。

表1 門站斷氣工況下各氣源點供氣壓力及流量表

表2 個別管段斷氣工況下各氣源點供氣壓力及流量表

2.4 管網可靠性分析

2.4.1 門站斷氣工況分析

由表1可知，在計算工況下，氣源B的供氣量為43 593.73 m3／h，占4個氣源供氣量總和的48.5%，是4個氣源中所占比重最大的氣源點。通過模擬得知：若氣源B斷氣，其他3個門站不能夠完成供氣任務；若氣源A、氣源C和氣源D中的任意一個氣源斷氣，另外3個氣源可以通過壓力和流量的調整完成供氣任務。以氣源D斷氣為例，在氣源D斷氣工況下，氣源C流量比計算工況下的流量增加3 425.87 m3／h，占計算工況下氣源C供氣量的17%；氣源B流量增加8 354.22 m3／h，占計算工況下氣源B供氣量的16%；氣源A流量增加2 274.32 m3／h，占計算工況下氣源A流量的13%；氣源A、氣源B和氣源C門站的供氣壓力和供氣量均在額定范圍之內，且增加的流量總和為14 054.41 m3／h，約等于氣源D計算工況下的流量。由此可見，當氣源D由于事故不能正常供氣，氣源D的負荷可由氣源A、氣源B和氣源C門站承擔。

在上述4種工況下，各氣源供氣量總和均約90 000 m3／h，氣源D、氣源C和氣源A 3座門站，其中1座停止供氣之后，其他3個氣源的供氣量均會有不同程度的增長，增長的總和即為斷氣的氣源的供氣量，在個別氣源出現不能供氣的緊急情況時，可以通過調節其他3個氣源點的供氣壓力和流量來滿足正常的用氣負荷和需求。

2.4.2 個別管段斷氣工況分析

由表2可知，在個別管段斷氣工況下，氣源供氣量變化不大，管段斷氣對氣源供氣狀況影響不大。個別管段斷氣工況并未對氣源供氣狀況造成很大的影響，4個氣源的供氣結構和供氣量基本與計算工況保持一致，終止運行管段的職能由環路內其他管段承擔。以管段C斷氣工況為例，管段C斷氣后，其職能由同在環A的管段D、管段E和管段F承擔。管段C及環A結構示意圖如圖3，圖中箭頭方向為計算工況下供氣方向。

圖3 管段C及環A結構示意圖

由計算結果可知，計算工況及管段C斷氣工況下環A的環流量未發生變化，管段D和管段E的流量分別增加了73.4%和71.5%，管段F供氣方向與計算工況相反，流量增加28.3%，即在管段C斷氣工況下，管段C的職能由管段D、管段E和管段F承擔，通過環網和管段的調節能力可以使得管段C斷氣不對管網的供氣能力產生影響。

2.4.3 可靠性分析

由上述分析可知，廣東省某市城區的天然氣中壓管網抗風險能力較強。個別氣源在事故工況下不能供氣時，可通過調節其他氣源的壓力和流量完成供氣任務；部分管段出現緊急狀況不能夠完成供氣任務時，環網中其他管段可以承擔中斷管段的負荷。廣東省某市城區中壓管網在出現事故工況時可以通過氣源點的調節以及環網和管段的調節能力保證供氣的安全與穩定運行，為事故工況下的應急搶險贏得寶貴時間，以保證用戶能夠正常使用，具有較高的可靠性。

3 結論及建議

1）在多氣源情況下，某氣源停止供氣對可靠性影響不大，其他氣源可補充供氣。中小城市（鎮）在規劃建設時應當盡量設置多個氣源，提高氣源的抗風險能力。

2）在管網中設置環網的情況下，某大流量管段故障停輸對管網供氣影響不大，環網的適應和調節能力可以確保管網正常供氣。中小城市（鎮）應在管網中盡量設置多個環網，可縮小事故影響范圍，降低破壞力。

3）GNET軟件模擬為分析提供了理論依據和數據基礎，中小城市（鎮）在管網建設過程中應運用模擬軟件對燃氣管網進行優化、完善，設置緊急預案，指導日常的運行和維護，提高管網的可靠性。

［1］詹淑慧.燃氣供應［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［2］中國市政工程華北設計研究院.GB50028-2006城鎮燃氣設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2006.