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摘要：燃气工业在设计、置换、分输等环节需预先计算燃气管存，将管存快速、准确计算出来对指导现实工作具有重要意义。传统计算大都依靠原始手工进行，效率低下、计算繁琐且一线职工难以掌握，即使掌握了计算方法也难以在实际工作中便捷快速进行应用。文章立足于北京燃气集团天津南港外输管线实际工况进行分析，首先，利用现代计算机技术将传统管存计算方法编制成手机APP管存计算器，帮助所有工作人员都能够方便快捷地计算出管存；其次，对当前较为流行的计算机仿真模拟计算管存方法进行研究。最后，对手机APP管存计算法与计算机仿真模拟管存计算法进行对比，研究其各自特点，为一线职工及相关工作者提供便利的工具方法。
关键词：燃气管存；手工计算；手机APP管存计算器；仿真模拟
1概述
燃气管存数值的快速准确计算在燃气工业的设计、置换、分输等工作环节具有重大意义。在设计阶段预先计算管存，可以为设计院提供可靠的参考数据，以便于设计出真正满足客户实际燃气需求的管网、管线及站场。在置换工作进行之前，预先对管存进行精准计算，对后续作业过程所需用到的燃气气量进行预算，可以帮助施工单位对可能用到的气量进行预估，便于提前准备工艺筹备气量[1-2]。在燃气输配阶段预先计算管存，可以帮助运营单位对用户需求及供应能力进行比较，了解供需关系，平衡供应，进而提升安全稳定供气水平。另外在日常检修放散、抢修补气供应等工作状况下同样需要快速精准计算管存，从而了解放散带来的经济损失、确定管存余气可用时间即抢修可用时间、补气规模等。
燃气管道所容纳的燃气标准状况体积称为管存。当前学者习惯将燃气管存区分为平稳状态下管存、波动状态下管存。利用平均压力、温度来描述管道内的燃气状态，并利用平均数值计算出平稳状态下的管存。或者实时测量分段后各个管段两端的压力、温度、瞬流，实时分段计算出沿线各个划分单元的管存，再求和累积计算出波动状态下的管存，此种方法虽然复杂，但计算结果较接近于实际情况，而现在计算机建立模型仿真计算为此种实时计算提供了便捷途径[3]。刘伟等[4]研究认为在城镇燃气管网、长输燃气管道的各个工作环节中，最为关键的是管存计算，传统简单手工计算的方法较为简陋，计算用时过长且计算数值不够准确[5-7]。燃气管存的精准计算，在燃气运维单位的日常工作中具有重要指导参考价值，管存的应用涉及燃气工作的各个环节，如临时应急补气、校核管压、校核瞬流、分析输气差额、对放空量进行估算、置换时计算燃气氮气用量等。梁严等[8]对美国天然气管网管存及其输配进行了研究，美国相关企业的宝贵经验可以为我国燃气企业提供相关参考素材。
当管存数值不足时，难以满足用户的用气需求，进而造成管压过低、电厂用户跳机或应急启动压缩机等情况。当管存数值过高时，可能带来管压过高、下游安全阀超压放散等风险[9]。控制管存在实际工作中占据着举足轻重的地位，控制管存的关键是及时准确预测出用户在一个用气周期内的实际需求，总结用气的高峰及低谷，明确管道储气能力，对管网的上载瞬流与下载瞬流进行合理匹配[10]。当前较为流行的调峰储气手段为地下储气库、球罐、管道、地下管束等，这些都离不开精准地计算管存量或储气量[11]。
当前一线燃气职工及基层管理者在现场工作中往往难以便捷快速计算出燃气管存。为了解决这一难题，本文利用制作出的手机小程序式燃气管存计算器，为一线燃气工作者带来极大便利。同时本文对当前较为先进的ATMOS SIM(在线仿真系统)仿真模拟管存计算方法进行研究。
北京燃气天津南港LNG应急储备项目外输管道工程，起自北燃南港LNG接收站首站止于北京市大兴区礼贤镇城南末站，途径天津市滨海新区、静海区、西青区、武清区，河北省廊坊市安次区、永清县、广阳区，北京市大兴区，共计3省(直辖市)8个县(区)。LNG接收站首站的设计压力为14.3 MPa，其余各站场、阀室、线路部分设计压力为10.0 MPa。北京燃气天津南港LNG应急储备项目外输管道主要为保障首都北京应急用气而设计，同时在条件许可时为京津冀沿途地区用户供应一定量的燃气。2023年8月第一阶段对干线进行了燃气置换升压，升压至表压3.5 MPa。
本文将自制手机APP管存计算器、ATMOS SIM仿真模拟管存计算结果与北京燃气天津南港LNG应急储备项目外输管道工程2023年8置换升压实际用气量进行了比较，对计算结果进行了核验，并对两种计算方式的特点进行了比较。
2管存计算公式
根据传统管存计算方法及中国建筑工业出版社段常贵所著《燃气输配(第五版)》第十章燃气的储存第四节长输管线及高压管道储气能力的计算，可知管存计算公式如下：
式中：Vc为管道内部几何容积(m3)；D为管道内部直径(m)；L为管道长度(m)。
式中：V为有效管存(即有效储气容积)(m3(标准态))；P为管道内燃气最高压力，绝对压力(MPa)；Pc为管道内燃气最低允许压力，绝对压力(MPa)；P0为大气压，绝对压力(101.325 kPa)。
如图1所示的管道结构图。
3手机APP管存计算器
3.1代码
根据传统计算公式，编制程序代码，制作手机APP管存计算器。
所编制的有效储气容积即有效燃气管存部分代码如图2所示。
在计算新投产的管道需用管存燃气量时候，由于原管道内全部为氮气，需要先用燃气将氮气置换出去，此种情况计算管存时，最低压力如输表压应输入-0.1 MPa，如输绝对压力应输入0 MPa。
如果原管道内已经有表压为0 MPa(即绝对压力为0.1 MPa)的燃气时，在利用此手机APP管存计算器计算管存时，如输表压应输入0 MPa，如输绝对压力应输入0.1 MPa。
特别注意在利用手机APP管存计算器输入的最高压力和最低压力时，在同一次计算中应统一输入绝对压力数值或统一输入表压数值。
3.2手机APP管存计算器
编制的手机APP管存计算器如图3所示。
3.3手机APP计算器计算实例
利用以上计算方法及程序代码所编制的手机APP管存计算器，以北京燃气集团天津南港外输管道实际工况数据计算燃气管存。
3.3.1直管线管存计算
已知：北京燃气集团天津南港外输管道，首站至永清联络站之间干线管道所用管材为X80管线钢，D为1.175 m，L为17 4970 m，首站－永清联络站干线管道几何容积18.96万m3。永清联络站至城南末站之间干线管道所用管材为X70管线钢，D为0.963 6 m，L为40 570 m，永清联络站－城南末站干线管道几何容积2.96万m3。2023年8月北京燃气欲对首站至城南末站之间干线进行置换升压，置换升压前干线内存储有0.3 MPa氮气，置换时先将氮气放空至微正压，然后用燃气进行置换并升压至燃气3.6 MPa(绝对压力)，暂不考虑沿途分输站情况。
求算：首站—永清联络站干线、永清联络站—城南末站干线、首站—城南末站干线各区间置换升压所需用燃气量(即管存)。
计算过程：利用手机APP管存计算器，分别输入内径、长度、最高压力、最低压力等参数，点击计算，分两次计算出分段管存。如图4所示，首站—永清联络站干线有效管存675.91万m3(标准态)，永清联络站—城南末站干线有效管存105.40万m3(标准态)。然后将二者进行累加计算出首站—城南末站干线总管存为781.31万m3(标准态)。即首站—城南末站干线全线置换升压共需要燃气量为781.31万m3(标准态)。计算结果汇总如表1所示。
3.3.2复杂管网管存计算
已知：北京燃气集团天津南港外输管道，首站至永清联络站之间干线管道所用管材为X80管线钢，D为1.175 m，L为174 970 m，首站—永清联络站干线管道几何容积18.96万m3。永清联络站—城南末站之间干线管道所用管材为X70管线钢，D为0.963 6 m，L为40 570 m，永清联络站－城南末站干线管道几何容积2.96万m3。
在距离首站15 770 m处有一号三通，一号三通引出一路分支管线，一路分支管线管材为X80管线钢，D为1.175 m，L为1 000 m，几何容积0.11万m3一路分支末端为大邱庄分输站，用于本地燃气用户分输使用。
在距离首站141 380 m处有二号三通，二号三通引出二路分支管线，二路分支管线管材为X70管线钢，D为0.963 6 m，L为1 000 m，几何容积0.07万m3二路分支末端为安次分输站，用于本地燃气用户分输使用。
求算：本复杂管网压力从9.06 MPa(绝对压力)，降至4.1 MPa(绝对压力)的可用有效管存。
计算过程：首先对复杂管网进行分段处理。分为首站－永清联络站干线、永清联络站-城南末站干线、一路分支、二路分支四个管段。本复杂管网管段较少，对于其他管段较多的复杂管网切忌丢失管段。利用手机APP管存计算器依次输入四个管段的内径、长度、最高压力、最低压力数值，分别点击计算出四个管段的有效管存为931.26万m3(标准态)、145.22万m3(标准态)、5.30万m3(标准态)、3.58万m3(标准态)。将其逐段累加，得出本复杂管网的可用有效管存为1 085.36万m3(标准态)。
将以上利用手机APP管存计算器计算所得结果汇总如表2所示。
4计算机模拟仿真计算管存
4.1仿真模拟介绍
当前社会信息技术计算机技术高度发达，各类软件公司也不断开发出各种燃气输送工业所用仿真模拟软件，以尽最大可能在屏幕上再现现场工况。本文利用英国ATMOS国际有限公司所生产的ATMOS SIM模拟仿真软件对北京燃气集团天津南港外输管道进行模拟仿真并计算燃气管存。ATMOS SIM模拟仿真软件是一个结合气液相的水力模型应用程序，能够模拟流量、压力、温度以及其他一系列管道设计和使用过程中的重要参数变量。ATMOS SIM模拟仿真软件后台可以嵌入大量经过科学及生产实践验证的计算公式。如上文所说的手机APP管存计算器为简单神经反射弧，则ATMOS SIM模拟仿真软件为超级最强大脑。如果把前文所述的手机APP管存计算器比作一艘小船，则ATMOS SIM模拟仿真软件为一艘艨艟巨舰。ATMOS SIM模拟仿真软件还可以实现在线计算与离线计算。在线计算主要与SCADA系统进行关联，实时获取工况信息，利用计算机的超级计算能力实时计算出所需各类工况数据。在线计算主要通过使用者手动模仿现场绘制建立模型并人工输入设定各类参数进行模拟计算。本文主要利用其离线计算功能来研究其在燃气管存计算方面的特点。
4.2仿真模拟计算管存的方法
4.2.1直管线管存计算
已知：北京燃气集团天津南港外输管道，首站至永清联络站之间干线管道所用管材为X80管线钢，D为1.175 m，L为174 970 m，首站—永清联络站干线管道几何容积18.96万m3，杨氏模量206 GPa，热膨胀系数1.5×10-5/K，粗糙度约0.01 mm。永清联络站-城南末站之间干线管道所用管材为X70管线钢，D为0.963 6 m，L为40 570 m，永清联络站—城南末站干线管道几何容积2.96 m3，杨氏模量206 GPa，热膨胀系数1.5×10-5/K，粗糙度约0.01 mm。2023年8月北京燃气欲对首站至城南末站之间干线进行置换升压，置换升压前干线内存储有0.3 MPa氮气，置换时先将氮气放空至微正压，然后用燃气进行置换并升压至燃气3.6 MPa(绝对压力)，暂不考虑沿途分输站情况。
求算：首站—永清联络站干线、永清联络站—城南末站干线、首站—城南末站干线各区间置换升压所需用燃气量(即管存)。
计算过程：
首先，利用ATMOS SIM模拟仿真软件根据现实管道站场排布建立模型。ATMOS SIM模拟仿真软件工具库内预存有站点、管线、阀门、调节阀、单向阀、安全阀、压力表、温度表、压力表、流量计、加热器、冷却器等模型元件，拖拽组合即可方便建立模拟现实的相应模型。
其次，根据已知条件在ATMOS SIM模拟仿真软件界面输入参数。ATMOS SIM模拟仿真软件可以输入管材名称、管材外径、壁厚、内径、杨氏模量、热膨胀系数、材质、管道允许的最大填充压力、管道允许的最小填充压力、气体介质名称、气体介质各组分占比、气源气体温度、管道高程曲线、压力变化曲线、阀门相关特性参数等。
最后，在ATMOS SIM模拟仿真软件界面点击运行按钮，进行稳态运行。如图5所示，待达到稳态后模型会自动分段显示出目标管段的管存计算结果，还可以自动显示出整条干线的管存计算结果，无需再对分段管存进行二次加和计算，如有需要还可以显示大量其他计算结果，如表3所示。
4.2.2复杂管网管存计算
已知：北京燃气集团天津南港外输管道，首站至永清联络站之间干线管道所用管材为X80管线钢，D为1.175 m，L为174 970 m，首站—永清联络站干线管道几何容积18.96万m3，杨氏模量206 GPa,热膨胀系数1.5×10-5/K，粗糙度约0.01 mm。永清联络站－城南末站之间干线管道所用管材为X70管线钢，D为0.963 6 m，L为40 570 m，永清联络站—城南末站干线管道几何容积2.96万m3，杨氏模量206 GPa，热膨胀系数1.5×10-5/K，粗糙度约0.01 mm。
在距离首站15 770 m处有一号三通，一号三通引出一路分支管线，一路分支管线管材为X80管线钢，D为1.175 m，L为1 000 m，几何容积0.11万m3一路分支末端为大邱庄分输站，用于本地燃气用户分输使用。
在距离首站196 900 m处有二号三通，二号三通引出二路分支管线，二路分支管线管材为X70管线钢，D为0.963 6 m，L为1 000 m，几何容积0.07万m3二路分支末端为安次分输站，用于本地燃气用户分输使用。
干线站点间距分布如表4所示。
求算：本复杂管网压力从9.06 MPa(绝对压力)，降至4.10 MPa(绝对压力)的可用有效管存。
计算过程：
首先，利用ATMOS SIM模拟仿真软件根据现实管道站场排布建立模型，如图6所示。
其次，根据已知条件在ATMOS SIM模拟仿真软件界面输入各类参数。
最后，在ATMOS SIM模拟仿真软件界面点击运行按钮，进行稳态运行。待达到稳态后模型会直接显示出复杂管网的整体有效管存量1 730.24万m3(标准态)。直接输出复杂管网整体的有效管存量，避免了肢解管网、分别计算、累加求和的繁琐过程，如有需要还可以显示大量其他计算结果。
5手机APP管存计算器与计算机仿真模拟
计算法比较
5.1计算结果数值比较
2023年8月22日至2023年8月26日，北京燃气集团对天津南港外输管道首站－城南末站进行了现场实际置换升压投用。干线置换升压现场累计注入燃气真实量为830万m3(标准态)。为了比较手机APP管存计算器与仿真模拟计算管存两种计算方式的准确性，现对其计算量与真实量进行对比，对比结果如表5所示。可知手机APP管存计算器预先管存计算量低于现场实际注入燃气真实量，偏差为-5.87%；ATMOS SIM仿真模拟预先管存计算量高于现场实际注入燃气真实量，偏差为5.90%。
5.2两种算法特点比较
手机APP管存计算器，优点在于作业现场便于随身携带，有利于一线员工快速操作，后台计算公式简单便于理解，在计算单一直径直管段管存方面优势明显；缺点在于难以计算繁杂管网管存。
ATMOS SIM仿真模拟管存计算，优点在于可以快速计算复杂管网管存，所建模型可以直观再现现场排布，可以计算出大量相关结果；缺点在于难以随身携带，需要预先建立真实且复杂的模型，需要预先设定的参数较多，后台程序复杂难以快速理解。
6结语
(1)燃气工业在设计、置换、分输等工作环节需要预先计算燃气管存量，将其快速、准确计算出来具有重要意义。传统手算方法繁琐复杂，本文研制出手机APP管存计算器，为一线职工及相关工作者提供了便利的工具及方法。并同时对ATMOS SIM模拟仿真软件计算管存方法进行了研究，并对二者进行对比。
(2)利用现代计算机技术，对管存计算方法进行编程，并给出程序代码段，通过市面上极易获取的APP开发框架编制出方便快捷的手机APP管存计算器。利用手机APP管存计算器，输入管内径、长度、最高压力、最低压力，可以一键计算出管存数值。极大降低了计算难度、提高计算效率。
(3)利用ATMOS SIM模拟仿真软件计算管存，需要预先绘制模型，输入参数，点击运行后可以快速显示出分段管存、总管线或总管网管存数值。可以持续模拟输送过程并计算管存量变化，计算功能强大，但后台算法复杂且需要前期预制模型。
(4)2023年8月天津南港外输管道干线现场实际置换升压投用过程注入燃气真实量为830万m3(标准态)。手机APP管存计算器预先管存计算量781.31万m3(标准态)低于现场实际注入量，偏差为-5.87%；ATMOS SIM仿真模拟预先管存计算量879万m3(标准态)高于现场实际注入量，偏差为5.90%。
(5)手机APP管存计算器，使用灵活便于作业现场随身携带，有利于一线员工快速操作，计算单一直径直管段管存优势明显。ATMOS SIM仿真模拟管存计算，可以快速计算复杂管网管存，所建模型可以直观再现现场排布，同一复杂模型多次计算时优势凸显。
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利用现代科技快速准确计算燃气管存的方法研究论文
人参与 2024-09-13 10:46:10 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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