燃?xì)怆娬九c天然氣管網(wǎng)耦合特性研究

1、燃?xì)怆娬九c天然氣管網(wǎng)供耦合特性研究楊文止黃葆華丁常富劉蔚蔚薛亞麗12123(1國電蚌埠發(fā)電有限公司安徽 蚌埠233000, 2華北屯力科學(xué)研究院有限責(zé) 任公司汽輪機(jī)所，北京100045, 3清華大學(xué) 熱能工程系，北京100084)摘要：近兒年我國天然氣發(fā)電迅猛發(fā)展，燃?xì)怆娬具\行與城市天然氣管網(wǎng)相互 影響和互制約的問題在北京、上海、四川等犬然工業(yè)發(fā)展較早的地區(qū)有所顯現(xiàn)。 文章針對上述問題，對城市外環(huán)的高壓天然氣管網(wǎng)建立了等溫不穩(wěn)定流動模型， 并口將燃?xì)怆娬咀児r運行時的燃料消耗特性模型作為動態(tài)邊界條件引入，然后 采用特征線法對其聯(lián)立求解，從而分析燃?xì)怆娬具\行與天然氣管網(wǎng)供氣方式z間 的關(guān)系。最后

2、得出采用定流不定壓供氣方式，依靠城市外環(huán)高壓天然氣管網(wǎng)的儲 氣特性提前供氣，可以有效的降低燃?xì)怆娬具\行對上下游節(jié)點造成的壓力沖擊。關(guān)鍵詞：燃?xì)怆娬?天然氣管網(wǎng)運行供氣方式特征線法study of the coupling characteristic on gas powered plant and natural gas networkwenzheng-yangl baohua-huang2 changfu-dingl weiwei-liu2yali-xue3(1.north china electric power university,energy and power engineeri

3、nginstitute,heibei.baoding 071003 2.north china electric power research institute,steam turbineinstitute,bijingl 00045,3-tsinghua university,beijingl 00084)abstract: in recent years, natural gas power generation has growth rapidly in our country. gas powered plant and natural gas network are mutual

4、influenced and restricted in beijing, shanghai and sichuan province where natural gas industry developed earlier than other region. aiming at these problems, this paper set up isothermal transient flow mode for the high pressure gas pipeline, and lead in fuel consumption characteristic mode as the d

5、ynamic boundary which mode ofldesigned condition of gas-powered plant .then, this paper solve the mode with characteristic line method and analysis the relation between gas-powered plant and natural gas network supplying mode finally,this paper get a conclusion that supply time earlier than the need

6、 time and reserve natural gas in pipeline network for gas-powered plant can reduce the impact caused by gas-powered plant run.key words:gas-powered plant; natural gas network ; operation; supplying mode; characteristic line method1引言隨著全世界范圍內(nèi)天然氣探明儲量的增加、燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù) 壓力的增強，天然氣發(fā)電迅猛發(fā)展。在我國，天然氣發(fā)電作為一種清潔能

7、源，對于優(yōu)化 能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境壓力、增強電網(wǎng)調(diào)峰能力具有明顯優(yōu)勢。另外天然氣發(fā)電作 為我國天然氣市場發(fā)展的依托，在我國天然氣工業(yè)發(fā)展屮扮演著重要角色。除此 z外，天然氣發(fā)電技術(shù)還直接或間接的帶動燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)、lng船舶制造技術(shù)、 清潔煤技術(shù)、城市集中制冷技術(shù)等的發(fā)展。燃?xì)怆娬揪哂羞\行靈活和啟停 迅速的技術(shù)特點。但是，燃?xì)怆娬景凑{(diào)峰方式運行時，燃?xì)夤芫W(wǎng)必須具備較大的 供氣靈活性。而天然氣電站“照付不議”合同屮一般將年合同氣量按365天平均分 割到每日供氣量1,對超過日合同的氣量不作保證。由于供氣方式無法按發(fā)電 需求供氣，及電網(wǎng)調(diào)峰具有較強的吋段性，從而使燃?xì)怆娬窘?jīng)常處于有氣吋無電 可發(fā)、發(fā)電時

8、無氣可用的兩難境地。除此之外，燃?xì)怆娬镜目焖偕?fù)荷還會還會 對燃料氣源造成影響7。因此，城市能源管理部門希望電力調(diào)度和燃?xì)庹{(diào)度互 通信息，建立聯(lián)合調(diào)度機(jī)制。燃?xì)怆娬緦μ烊粴獾膲毫σ蟾?、用氣量?,所涉及的系統(tǒng)龐雜，很難在實 際系統(tǒng)屮進(jìn)行試驗研究。所以，借助數(shù)學(xué)模型研究燃?xì)怆娬菊{(diào)峰運行與天然氣管 網(wǎng)之間的相互制約關(guān)系，對于指導(dǎo)燃?xì)庹{(diào)度和屯力調(diào)度協(xié)調(diào)運行，以及保障城市 能源安全供應(yīng)有著重要的意義。2燃?xì)怆娬九c天然氣管網(wǎng)耦合模型的建立2天然氣管網(wǎng)模型2.1.1等溫不穩(wěn)定流動的數(shù)學(xué)描述能夠描述等溫不穩(wěn)定流動的方程分別為運動方程、連續(xù)性方程、氣體狀態(tài)方程。 工程上經(jīng)常忽略某些對計算結(jié)果影響不大的項，如

9、對流項只有在燃?xì)饬魉俳咏?速時才冇意義。在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中，由于其標(biāo)高值不太大，所以運動方程屮的重 力項一般也可以忽略不計。綜上，三個方程可簡化如下：2 （ w） p w（式 1）t xd2（w） 0（式 2） t xpzrt a2（式 3）3 式屮： 為氣體密度kg/m； w為氣體的流速m/s； t為吋間變量s； x為 沿管長變a為氣體波速m/s；化d為管道內(nèi)徑im為水力摩阻系數(shù)；p為管道中氣體壓力pa；z為氣休壓縮系數(shù)；t為氣體溫度k； r為氣體常數(shù)j/（kgk）；2.1.2特征線方程的建立上述模型可以采用各種數(shù)值解法，借助計算機(jī)來進(jìn)行有效分析。目前，較為成 熟的數(shù)值解法主要有兩類，即特征

10、線法和隱式有限差分法。特征線法是針對系統(tǒng) 的各節(jié)點和管道內(nèi)部網(wǎng)格點獨立建立相應(yīng)的低維非線性代數(shù)方程組，單獨運算， 避免了采用隱式有限差分法求解高維非線性方程組。但是其時間步長和管段步長的比值必須滿足courant-lewy 穩(wěn)定條件的限制，即t（式4）運用特征線法，可將（式1）、（式2）、（式3）化為下列形式3：xa21dpl amm 0 2adta2dap（5式）dx （式 6）adt21dpldm amm0（式7）adtadt2da2pcdx a（式 8） dt式屮：m wa,m為天然氣的質(zhì)量流量kg/s； a為燃?xì)夤艿罊M截面積m；這樣就把原來兩個偏微分方程變化成了兩個常微分方程，但是每個

11、方程都冇一 個約束，即只冇當(dāng)相應(yīng)的方程（6）和（8）成立時，方程（5）和（7）才成立，即每個相 容方程只有在特征線上才成立。2.1.3模型的求解對于氣體等溫流動，可以近似認(rèn)為波速為常數(shù)5,壓縮因了隨天然氣壓力p變 化。在計算中，將管道沿長度方向劃分為n等份，毎一等份的長度為x,時間間隔為 xa,如圖1：對于分支管道連接點，將連接點視為它們的共同邊界，并11忽略局部阻力的差 別，則各端點壓力相等。同時，根據(jù)流入流出節(jié)點流量z和為0,得：m1m2m3 0（式 9）式屮ml、m2、m3分別為管段1、2、3的質(zhì)量流量。待燃?xì)夤芫W(wǎng)中的邊界條件確定，使方程組封閉后，就可以采用迭代解法對模型 進(jìn)行求解to將

12、天然氣假設(shè)為理想氣體計算會產(chǎn)生較大誤差，不能滿足工程實際需求4, 國加利福尼亞天然氣協(xié)會（cnga）推薦的公式：2z 1（式 10 ）61.7855.07210p101t3.825式中：p為氣體壓力（絕）mpa；為氣體的相對密度；該式適用于=0.550.7, p=06.89mpa, t=272.2333.3k 的天然氣。2.2燃?xì)怆娬灸Ｐ徒矚廨啓C(jī)矗動態(tài)燃料消耗模型除應(yīng)考慮熱平衡外，還需考慮轉(zhuǎn)動部件的慣 性，氣道壁而的熱慣性，氣室容積效應(yīng)等的影響。此外，動態(tài)特性還與機(jī)組的控 制系統(tǒng)密切相關(guān)。機(jī)組在偏離設(shè)計工況下運行時，其循環(huán)效率就會發(fā)生變化，而穩(wěn)態(tài)模型其實質(zhì) 是能量平衡方程，故燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電

13、功率與燃料供應(yīng)量可以用一個非線性關(guān)系來 表示，如卜式：pg （e）*lhv*e（式11） pg是燃機(jī)功率mw, e是燃機(jī)的燃料供應(yīng)量kg/s,是燃?xì)廨啓C(jī)效率，lhv 是天然氣的低位發(fā)熱量j/kgo燃?xì)廨啓C(jī)效率與燃料供應(yīng)量通常呈二次方的關(guān)系6,所以，燃機(jī)功率與燃料供 應(yīng)量呈三次方關(guān)系，可用下式描述：pg kle3k2e2k3ek4(式 12)其屮，ki、k2、k3、k4是與燃?xì)廨啓C(jī)特性有關(guān)的參數(shù)。通過對實際數(shù)據(jù)的擬 合就'0.00267. k4四個特性參數(shù)分別為：k2、k3、可以得到以上四個參數(shù)，0.13972、1& 18346、40.97022。3燃?xì)怆娬具\行與城市天然氣門站供

14、氣方式分析某城市外環(huán)高壓天然氣管網(wǎng)及燃?xì)怆娬镜牟贾萌鐖D2所示：圖2外環(huán)天然氣管網(wǎng)及燃?xì)怆娬静贾胊為城市門站，b、c、d為分輸點，分別與下一壓力級制的天然氣管網(wǎng)相連, 該枝狀管網(wǎng)的設(shè)計最高壓力為4mpa,為滿足下一壓力級制的要求，d點的壓力 必須高于27mpa。ab、bc、cd 段分別長 30km、30km、40km,管徑 d 為 0.8m。該城市使用的犬然氣主耍參數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))見表1：表1天然氣物性參數(shù)3定壓不定流和定流不定壓供氣方式的比較燃?xì)怆娬疽?mw/min的升負(fù)荷速率升至100%負(fù)荷后保持滿負(fù)荷狀態(tài)運行。城 市門站a分別采用定壓不定流和定流不定壓的供氣方式供氣；b、d的分輸氣量 假設(shè)不

15、變；c點的發(fā)電用氣隨燃?xì)怆娬矩?fù)荷的變化而變化，非發(fā)電用氣假設(shè)不變, 通過上述數(shù)學(xué)模型模擬燃?xì)夤芫W(wǎng)中壓力和流量的變化情況。圖3表示的是門站a 的供氣量隨吋間的變化關(guān)系曲線。定壓不定流供氣方式下，燃機(jī)從0吋刻開始升 負(fù)荷；定流不定壓供氣方式還分為兩種：(1)門站a供氣與燃?xì)怆娬居脷馔耆?同步；(2)燃?xì)怆娬旧翝M負(fù)荷后門站a開始供氣，供氣量與電站滿負(fù)荷用氣 量對應(yīng)，該供氣過程忽略了燃?xì)怆娬旧?fù)荷過程的燃料消耗量；圖4表示的是燃 氣電站上游分輸點b在圖3所示的三種供氣方式下的壓力變化情況；圖5表示 的是燃?xì)怆娬鞠掠畏州旤cd在圖3所示的三種供氣方式下的壓力變化情況。flowrate (kg/s)020

16、406080100time (min)120140160180圖3 a點流量隨吋間的變化關(guān)系曲線6pressure (pa)time (min)圖4 b點壓力隨時間的變化關(guān)系曲線6pressure (pa)time (min)圖5 d點壓力隨時間的變化關(guān)系曲線模型模擬計算三種供氣方式下b、d點的壓力在第180分鐘時與初始壓力值對 比的變化情況見表2：表2 180分鐘時三種供氣方式f b、d點的壓力變化情況模擬結(jié)果表明：(1)燃?xì)怆娬菊{(diào)峰運行時，城市門站按照燃?xì)怆娬居脷庖?guī)律供 氣的方式與門站定壓不定流供氣方式相比，前者對上、下游節(jié)點造成的壓力波動 較小。(2)燃?xì)怆娬菊{(diào)峰運行對下游造成的壓力波動

17、比上游節(jié)點大。(3)燃?xì)怆?站的用氣比例較大時，忽略過程耗量的供氣方式會對上、下游節(jié)點造成較大的沖 擊。3.2供氣時間分析比較燃?xì)怆娬疽?mw/min的升負(fù)荷速率升至100%負(fù)荷后運行兩小時，然后乂恢復(fù) 到初始負(fù)荷。城市門站a分別采用提前30分鐘，同步和推遲30分釗三利|供氣 方式供氣，按電站滿負(fù)荷用氣量供氣2小時后降至初始供氣量，英余邊界條件變 化情況如3.1節(jié)所述。圖6表示的是燃?xì)怆娬旧嫌畏州旤cb在上述三種供氣方式 下的壓力變化情況；圖7表示的是燃?xì)怆娬鞠掠畏州旤cd在上述三種供氣方式 下的壓力變化情況。pressure (pa)650100150time (min)200250圖6 b點壓

18、力隨時間的變化關(guān)系曲線6pressure (pa)time (min)圖7 d點壓力隨時間的變化關(guān)系曲線在模擬的4個小時過程中，b、d點的平均壓力見表3：表3模擬時間段內(nèi)b、d點的平均壓力在模擬的4個小時過程屮，b、d點與初始壓力值相比的最大壓差見表4：表4模擬時段內(nèi)b、d點壓力與初始值相比的最大壓差模擬結(jié)果表明：(1)城市門站采用捉前供氣方式時上下游節(jié)點平均壓力最高， 采用推遲供氣方式時上下游節(jié)點平均壓力最低。(2)提前供氣方式對上游造成的 壓力波動較大，推遲供氣對下游造成的壓力波動較大。綜上，城市天然氣門站若能根據(jù)燃?xì)怆娬居脷庖?guī)律，采用定流不定壓的供氣方 式，依靠城市外環(huán)高壓天然氣管網(wǎng)的儲氣特性提前供氣，可以在燃?xì)怆娬旧?fù)荷 運行過程維持管網(wǎng)較高的運行壓力，冇效的避免燃?xì)怆娬旧?fù)荷造成其上下游節(jié) 點壓力較低的問題。4結(jié)論(1)(2) 根據(jù)燃?xì)怆娬矩?fù)荷與燃料量z間對應(yīng)的非線性關(guān)系，由運行中的實際數(shù) 據(jù)擬合出了燃?xì)怆娬镜娜剂舷奶匦躁P(guān)系式，然后將其接入天然氣管網(wǎng)模型，聯(lián) 立進(jìn)行求解。(3) 根據(jù)搭建的燃?xì)怆娬竞吞烊粴夤芫W(wǎng)耦合模型，針對城市天然氣門站的供 氣方式和電站的升負(fù)荷運行進(jìn)行了模擬計算，并得出相關(guān)結(jié)論。參考文獻(xiàn)