基于TGNET的天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)采氣管網(wǎng)模型研究

李俊穎 廖柯熹

(西南石油大學(xué),四川成都 610500)

基于TGNET的天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)采氣管網(wǎng)模型研究

李俊穎 廖柯熹

(西南石油大學(xué),四川成都 610500)

工程中經(jīng)常采用TGNET軟件模擬不同調(diào)峰量下儲(chǔ)氣庫(kù)采氣管網(wǎng)運(yùn)行工況。本文通過介紹TGNET軟件,建立基于TGNET的天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)采氣管網(wǎng)模型,并進(jìn)行模型參數(shù)選取,為現(xiàn)場(chǎng)操作提供參考。

TGNET 儲(chǔ)氣庫(kù) 采氣管網(wǎng)

1 前言

TGNET(Transient Gas Network)軟件[1]是一款天然氣集輸管網(wǎng)瞬態(tài)模擬軟件，該軟件能夠用來(lái)模擬管道的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)。應(yīng)用該軟件能夠建立管網(wǎng)模型，并對(duì)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證[2]，此外當(dāng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況等發(fā)生變化時(shí)，可以對(duì)管線的運(yùn)行工況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作提供有力的依據(jù)[3]。

2 TGNET軟件簡(jiǎn)介

TGNET軟件的功能包括：穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)水力計(jì)算；熱力計(jì)算；壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)模型模擬；天然氣組分和溫度跟蹤等。軟件采用模型元件表示實(shí)際管網(wǎng)內(nèi)的元件，管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各元件的連接關(guān)系和運(yùn)行參數(shù)應(yīng)當(dāng)與實(shí)際管網(wǎng)系統(tǒng)中元件參數(shù)一致。當(dāng)管網(wǎng)模型內(nèi)各元件參數(shù)合理并連接正確時(shí)，才能正確表述實(shí)際管網(wǎng)，此時(shí)模擬結(jié)果應(yīng)是實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)。

TGNET的主要用途可以分為兩大類。

(1)模擬管網(wǎng)正常工況，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行方案，確定最佳改擴(kuò)建方案及最有效的操作方式。(2)應(yīng)對(duì)各種事故工況下的瞬態(tài)預(yù)測(cè)

(管道泄漏、設(shè)備失效等)，確定有效的應(yīng)急措施。

近幾年，TGNET應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明：該軟件可以快速進(jìn)行多種方案對(duì)比，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；對(duì)所研究管網(wǎng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的不同工況進(jìn)行順?biāo)矐B(tài)模擬，求得不同工況的自救時(shí)間，方便及時(shí)做出補(bǔ)救措施；找出現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)瓶頸，確定最優(yōu)改擴(kuò)建方案。

3 模型建立

對(duì)一個(gè)地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)，要通過建立模型對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)模擬和計(jì)算，本文中主要針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)地面采氣集輸管線，對(duì)其節(jié)點(diǎn)壓力進(jìn)行模擬驗(yàn)證，以及根據(jù)預(yù)測(cè)調(diào)峰量，當(dāng)采氣量發(fā)生變化時(shí)對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力進(jìn)行模擬并預(yù)測(cè)，為生產(chǎn)決策提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)地面注采氣集輸管網(wǎng)情況做如下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：地面集輸系統(tǒng)中主要的組成部分包括注采井、闊門、管線、清管站、注采氣站等。

注采井：注采氣井系統(tǒng)較為復(fù)雜，但當(dāng)我們只考慮調(diào)峰期采氣工況時(shí)，將采氣井簡(jiǎn)化為一個(gè)氣源；閥門：天然氣處理之后在外輸?shù)墓芫€前端設(shè)有閥門，這個(gè)閥門主要作用在于調(diào)節(jié)進(jìn)入管線的氣體壓力，文中主要以閥門后壓力為進(jìn)入管線壓力，所以在此不設(shè)置調(diào)壓閥門；管線：軟件本身就有管道元件，不需要做模型簡(jiǎn)化，只要輸入管道基本參數(shù)即可；清管站：清管站本身既不增加輸氣管網(wǎng)中的氣量，也不消耗輸氣管網(wǎng)中的氣量，所以把它看作是形如三通管的一個(gè)結(jié)構(gòu)，那么就可以將它看成一個(gè)整體而簡(jiǎn)化為一個(gè)大節(jié)點(diǎn)；注采氣站：將它簡(jiǎn)化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)氣量不產(chǎn)生影響，考慮到站內(nèi)壓降，可以在西采氣站與鎮(zhèn)江干線之間加一個(gè)阻力元件，模擬流體進(jìn)出站摩阻等由短管所引起的局部阻力損失，只需輸入局部阻力系數(shù)，具體取值需要根據(jù)管道輸量具體計(jì)算。

根據(jù)以上的簡(jiǎn)化，可建立儲(chǔ)氣庫(kù)地面注采氣集輸系統(tǒng)的管網(wǎng)模擬結(jié)構(gòu)。

4 模型參數(shù)選取

(1)氣體方程：確定天然氣組分后，根據(jù)天然氣組分，選擇氣體方程。一般不推薦選用Ideal、Sarem狀態(tài)方程。常用氣體模型主要為Peng狀態(tài)方程和BWRS方程。使用復(fù)雜氣體模型時(shí)，應(yīng)該同時(shí)在Simulation/Option/fluid中選用BWRS或Peng狀態(tài)方程。這兩公式屬于復(fù)雜氣體狀態(tài)方程計(jì)算式。

(2)輸氣管道設(shè)計(jì)中最重要的一部分是對(duì)輸氣管道進(jìn)行水力計(jì)算，摩阻系數(shù)則是水力計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。管道輸氣能力不僅與管道基本參數(shù)：內(nèi)徑、起點(diǎn)壓力、終點(diǎn)壓力有關(guān)，并且與管道內(nèi)流體流態(tài)及管道內(nèi)壁情況有關(guān)。TGNET軟件提供了多種計(jì)算管道流量和摩阻系數(shù)的計(jì)算公式。其中流量公式都為基本流量公式，其它許多不同形式的計(jì)算公式都是在基本流量公式中代入不同的水力摩阻系數(shù)公式推導(dǎo)出來(lái)的。因此，輸氣管道的計(jì)算公式選用合適與否，主要取決于摩阻系數(shù)公式選擇是否正確。軟件提供的5種不同方程以供選擇：AGA、Colebrook-White、Panhandle A、Panhandle B和Weymouth公式，它們各自有不同的適用范圍。

AGA公式：在紊流流速較低，摩阻系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)；流速較高時(shí)則是相對(duì)粗糙度的函數(shù)。Colebrook-Wliite 公式：軟件推薦使用的流量計(jì)算公式，該公式在紊流區(qū)的三個(gè)區(qū)：光滑區(qū)、混合摩擦區(qū)和阻力平方區(qū)都具有較高的精度。Panhandle A：適用于雷諾數(shù)在5x106～14X106范圍內(nèi)，直徑在168.3～610mm范圍的管道。Panhandle B：以雷諾數(shù)為基礎(chǔ)建立方程，適用于管徑大于610mm的管道，主要用于輸氣干線的計(jì)算。Weymouth公式：適用于管徑小、輸量不大、凈化程度差的礦區(qū)集輸管網(wǎng)和輸氣干線，在長(zhǎng)輸管道計(jì)算中已很少使用該公式。

(3)流量公式的選取取決于摩阻系數(shù)公式的選擇，摩阻系數(shù)都是由雷諾數(shù)計(jì)算公式推演的方程。因此，選擇流量公式的一個(gè)重要依據(jù)就是雷諾數(shù)。

(4)在Colebrook摩阻系數(shù)計(jì)算式中管壁粗糙度是未知的，在建立管網(wǎng)模型時(shí)需要輸入該參數(shù)，同時(shí)該參數(shù)也會(huì)直接影響到輸氣管道內(nèi)流體的力學(xué)效率。國(guó)內(nèi)各鋼管廠目前沒有檢測(cè)管壁粗糙度這一指標(biāo)，各鋼管廠的管壁粗糙度大多指制造管道的鋼板材料的表面粗糙度，而不是真正意義上的管道內(nèi)壁粗糙度，這兩者之間的差距，需要實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證。

(5)阻力元件局部阻力系數(shù)：阻力元件主要用于模擬管道中的彎頭、進(jìn)出站摩阻損失等由短管引起的局部阻力損失。該元件只要輸入一個(gè)參數(shù)——局部阻力系數(shù)，具體取值與管道輸送量有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合TGNET軟件，建立了天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)采氣管網(wǎng)骨架模型，通過對(duì)軟件模型分析，給出不同工況下采氣管網(wǎng)的運(yùn)行工況模型參數(shù)選取方法，有助于該軟件在實(shí)際工程中的應(yīng)用，提高所建管網(wǎng)模型模擬的正確性。

[1]魏美吉,等.TGNET軟件在蘇里格氣田適用性研宄[J].石油化工應(yīng)用,2009(3):17-23.

[2]楊海軍,等.TJ鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣運(yùn)行動(dòng)態(tài)分析[J].石油化工應(yīng)用,2010(9):61-64.

[3]金浩.TGNET軟件在煙臺(tái)輸氣工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].勝利油田設(shè)計(jì)院,2003(5):57.