SPS理想模型和離心模型差異影響分析

房心怡(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257000)

0 引言

SPS軟件主要用于氣體管網穩態和瞬態水力分析，是一套世界公認的用于氣體管道設計、儲氣能力分析、日常操作決策和計算分析的高精度軟件。通過該軟件可進行天然氣管道穩態計算、調峰分析和失效分析等系統的計算工作[1-2]。軟件用于壓縮機模擬的主要有理想模型和離心模型。通常在設計前期階段，只能用理想模型進行壓縮機模擬，后續階段獲得廠家提供的機芯數據后，可使用離心模型進行更為準確的模擬分析。通過對某管道核算發現，用理想模型模擬的結果與離心模型存在一定的偏差。因此，對兩個模型失效模擬的結果進行對比，分析誤差原因，并提出改進措施。

1 理想模型與離心模型的對比分析

理想模型和帶芯模型主要區別在于機芯數據。機芯數據由壓縮機廠家根據各壓氣站工況數據進行設計選型后確定，是壓縮機轉速與壓頭、效率、功率等參數相關聯的一系列數據，它界定了實際壓縮機的工作范圍[3]，根據機芯數據繪制的典型壓縮機性能曲線如圖1所示。圖中顯示離心模型的機芯數據將壓縮機的工作點限制在壓縮機最大、最小轉速工況曲線與喘振線、阻塞線、最大可用功率線構成的扇形范圍內。而理想模型沒有固定的外部限制條件，為使其工作狀態接近實際工況，通常對模型參數如最大功率、最大壓比等進行限制。限定值的選取往往結合可選機組的功率等級、壓比范圍以及工程經驗綜合確定。

圖1 壓縮機機芯數據曲線

2 結合工程實例分析

XQ管道主干線長4 159 km，管徑1 219/1 016 mm，設計壓力12/10 MPa。管道設計輸量300億立方米/年，管道沿線擬設置20座壓氣站。分別利用理想模型和離心模型從穩態設計工況、壓氣站投運方案、壓氣站失效分析等方面進行模擬分析。

2.1 穩態設計工況對比

在XQ管道總體設計階段分別利用理想模型和離心模型進行模擬，與壓縮機廠家計算數據一起進行對比分析可知：

(1)壓縮機出口溫度GE計算數據＞理想模型＞離心模型，偏差基本在2%以內，在誤差范圍之內。(2)計算功率離心模型＞GE計算數據＞理想模型，偏差基本在2%以內，在誤差范圍之內。(3)離心模型中多變效率是軟件根據廠家提供的壓縮機機芯數據得出，與GE提供的壓縮機多變效率比較接近，偏差基本在±0.5%以內，且平均值皆為86.3%；理想模型的多變效率為人為設定值85%，低于離心模型和GE提供的壓縮機多變效率，偏差范圍為0.5%～1.8%，均值為1.3%。在項目初期階段，無法獲得壓縮機機芯數據的情況下，只能用理想模型進行壓縮機模擬，可將壓縮機多變效率適當取的保守一點，建議不超過85%[4]。(4)壓縮機出口溫度各模型模擬結果較為相近，理想模型中壓縮機溫升系數默認值為1.30，用戶也可根據需要自己取值；在這里理想模型溫升系數取值為1.37，建議取值范圍1.37～1.38。

對外界因素導致整個壓氣站失效后對管道產生的后果進行分析，由表1可知理想模型和離心模型模擬的上游反應時間相差不大，但是管道的輸氣能力和對下游影響時間有一定的偏差。

表1 理想模型與離心模型失效計算結果對比

以C01站為例，對理想模型失效模擬誤差產生的原因進行分析，可知：(1)兩種模型在失效時壓氣站通過流量都會減小，但理想模型失效后的通過流量大于離心模型。通過流量減小會導致下游用戶正常用氣的同時上游供氣不足，管容減小，這是影響失效分析結果的主要因素[5]。(2)離心模型失效分析時，失效機組下游壓縮機的受限條件為機芯限定的最大轉速；理想模型失效分析時，失效機組下游壓縮機的受限條件為設定功率。離心模型多數下游壓縮機達到最大轉速時，其功率未達到理想模型設定的最大壓比和最大功率，顯然離心模型機芯數據對運行工況的限制較理想模型更為苛刻。

因此可考慮限制理想模型中壓縮機壓比，以使其模擬結果趨于真實情況，具體分析如表2所示。通過控制理想模型中壓氣站的壓比，可以為準確地模擬單座壓氣站失效的結果，模擬結果與離心模型接近。

表2 優化后理想模型與離心模型失效計算結果對比

3 結語

綜上所述，對SPS理想模型模擬天然氣長輸管道的建議如下：

(1)穩態計算中，設計工況下理想模型和離心模型與廠家返回數據差距不大。但是在壓縮機效率相同的條件下，理想模型計算功率較低，因此在設計前期，需留下一定的設計余量，根據XQ管道模擬經驗，建議取值不超過85%；理想模型中壓縮機溫升系數默認值為1.30，用戶也可根據需要自己取值，建議取值范圍 1.37～1.38。

(2)離心壓縮機不光受到壓縮機最大可用功率的限制，還受到喘振流量、阻塞流量、最高轉速、最低轉速的限制，因此壓縮機的適應性不如理想模型。在逐年投運工況中要綜合考慮這些因素來確定壓縮機開機方案。

(3)在模擬壓縮機單站失效工況時，建議在可研階段提前與壓縮機廠家溝通，獲取初步機芯數據，利用離心模型進行機組失效分析。若沒有機芯數據，可增加壓縮機壓比等限制條件，獲得與離心模型較為接近的模擬結果，建議壓比范圍1.15～1.70。