引言天然气作为清洁低碳的化石能源，能够满足经济社会发展对清洁能源增量的需求，达到对传统高碳化石能源存量替代的要求，是现代能源体系下天然气与新能源融合发展的重要基础能源。近年来在煤改气的推行下，我国天然气能源生产占比和消费占比将进一步提高，为了保证天然气能够安全平稳地输送，需要及时且准确地掌握集输管网系统的运行状况，检验其原有承载能力是否还达到标准，根据上下游工况及时调整方案。传统的水力计算方法存在耗时久、费用高且不精确等缺点，利用软件模拟可以高效精确地获得结果。TGNET软件是在天然气管网模拟中应用广泛的管道离线模拟软件[1]。基于TGNET软件，结合滨州市无棣县实际用气参数对现有燃气管网、改进后的燃气管网进行动静态模拟，了解管网运行特性，并进行方案优选，为以后的管网建设及优化改造提供参考。1理论准备燃气为可压缩气体，一般情况下其在管道内的流动是不稳定流，各类工况如压力和流量均不断变化，需要建立动态模型分析不稳定流动工况；设计城镇燃气管道，尤其是设计单位时间输气波动不大的中低压管道时，通常将其简化成稳定流计算。Pipeline Studio软件兼具气体和液体两种管网模拟功能，TGNET软件是其气体模拟部分，能够根据用户需求进行动态或静态计算。软件的模型建立需要3个基本方程及配套选用的状态方程和摩阻方程[2]。连续性方程为：A∂ρ∂τ+∂∂x(ρωA)=0 (1)运动方程为：∂(ρω)∂τ+∂ρ∂x+∂(ρω2)∂x=-gρdsdx-λdω22ρ (2)能量方程为：-∂Q∂x(ρωA)=∂∂τ[(ρA)(μ+ω22+gs)]+∂∂x[(ρωA)(h+ω22+gs)] (3)BWRS气体状态方程为：P=ρRT+(B0RT-A0-C0T2D0T3-E0T4)ρ2+(bRT-a-Td)ρ3+α(a+dT)ρ6+cρ3T2(1+γρ2)e-γρ2 (4)Colebrook White水力摩阻方程[3]为：1λ=-2.011×log(k3.71D+2.51Reλ) (5)式中：P—气体绝对压力，MPa；T—气体绝对温度，K；ρ—气体密度，kg/m3；ω—气体流速，m/s；A—管道横截面积，m2；x—距管段起点距离，m；τ—流动过程时间，s；s—管段各横截面处高程，m；g—重力加速度，取9.8 m/s2；Q—流量，m3/s。在TGNET操作界面可以提前选定合适的气体状态方程和水力摩阻方程，本案例采用推荐的常用公式Colebrook White公式，考虑了不同管道光滑或粗糙的内壁情况，在较宽的流动状态范围下具有较好的模拟精度，在3个紊流区中均适用[4]。BWRS方程引入了更多的修正系数，使其在大的压力、温度范围内精确度高，虽然其需要输入气体的全部组分，但考虑城镇燃气管网的天然气组分一般较为统一且精确，故选用此气体状态方程。建立数学模型后，TGNET软件使用高精度的隐式差分法[5]，基于泰勒级数展开，将管道离散成一系列微小管段，使差分项能够近似代替微分项，从而将偏微分形式的管流控制方程转化为代数方程组，求解代数方程组，简化计算过程，得到每个微小管段上的热力参数。隐式法的特点是离散时各节点的待求参数彼此关联，需要联立所有方程进行统一求解，虽然求解速度较为缓慢，但时间步长与空间步长相互独立，使其取值范围很广，处理持续时间较长的瞬变过程时，计算更加精确。2模拟过程2.1管网模型的建立以山东省滨州市无棣县次高压管网为例，该县管网在2020年规划调整后变化不大。现状次高压管网如图1所示。现状次高压管网主要由西侧城西门站和中部城区门站供气，并将9个次高压-中压调压站简化为分输点。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.005.F001图1现状次高压管网2.2参数输入设置管段型号、长度、内径及壁厚等条件后，特别注意Knot space步长的设置，模型较小或精度要求较高时可以使用较小的步长，模型很大时需要使用较大的步长[6]。本次案例的步长设定为1。供气点数据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.005.T001表1供气点数据名称设定值最大压力/MPa最大流量/(km3/h)流体温度/℃城西门站最大压力1.68.9020城区门站最大压力1.62.9720输入参数时，软件使用理想化的约束逻辑控制模拟器的运行，并允许为外部调节器或设备指定压力或流量范围，即约束条件，同一个设备可以指定多个约束条件和一个设定值。文中案例输入的最大压力、最大流量均为约束条件，因其是次高压管线，将1.6 MPa的最大压力设为初始设定值。只要计算时未出现违背其他约束条件的情况，设定值不变；如若出现，系统将该约束条件当作设定值继续运算。模拟前期应尽量使用最简约束，避免设定值的切换，以保证计算效率[7]；多数情况下，管道内燃气被视为等温流动状态，温度近似等于环境温度，即埋管周围土壤温度，因此将流体温度设定为20 ℃。将九个调压站作为分输点，针对采用上游次高压的1.6 MPa作为最大压力，还是下游中压的0.4 MPa作为最小压力的选择不明确，因此将最大流量作为初始设定值，根据实际用气情况输入。2.3运行模拟模拟主要运行3个部分：（1）现状管网、现期数据的动静态模拟，验证现行管网的可行性；（2）现状管网、未来预测数据的静态模拟，验证管网在未来预测增量的压力和流量下的适配性；（3）改进后的燃气管网与预测数据的动静态模拟，验证改进管网的可行性。过程（1）、过程（3）及模拟结果类似，而且过程（1）的动静态模拟结果均符合预期，表明管网正常运行，主要分析改进后的结果。在现状管网上运行预测数据时，会在压力条件不变的情况下极大地增加管网供气端流量，如果将最大流量设为初始值，运算时的流量数据很可能超过最大流量，自动切换设定值。以1.6 MPa最大压力为初始值时，虽然系统显示该模型无错误和警告项，但是稳态模拟结果显示最小迭代收敛解（即收敛容限）在迭代范围内恒为直线，而最大迭代管线误差、最大迭代节点误差、最大迭代外部参照误差和最大迭代流量误差曲线在迭代次数增加的过程中，在收敛容限范围内上下变动，在迭代次数趋向于无穷时，最终变动到收敛容限之上，结果不收敛。稳态模拟的迭代误差降至收敛容限以下时，表示迭代收敛，结果可信。不收敛的原因一般为起点的压力太低、管内流量太大或管径太小等[8]。本案例的错误原因是管内流量过大，现有管网的承载力无法与预期数据适配。针对该县的具体情况，提出以下改进方案：（1）城区门站供气量太少，依托城区门站敷设的现状中压管网为枝状且管径偏小，亟须调整主气源，因此直接废除城区门站，在城区东侧寻找新的供气点，并与西侧连接成环，增大供气范围；（2）北部较密集的工业区均位于供气末端，仅依靠次高压管线供气，与南部的老城区相比，配气管网不均衡，需要增加供气点以均衡配气，解决仅有两个门站带来的流量过大问题。管网优化结果如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.005.F002图2管网优化结果改进管网的稳态计算结果收敛，能够产生每条管段的流量及压力变化曲线。动态模拟以静态模拟的结果为基础，将管网元件数据的变化（阀门的开度、用户的用气量、气源的压力及气量等）添加到Simulation菜单的Transient Scenario表格中[9]。动态模拟中最常见的变化是用户端用气量变化。北方某城市的小时用气量占日用气量比例[10]如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.005.T002表2北方某城市的小时用气量占日用气量比例时间居民用户和商业用户工业企业时间居民用户和商业用户工业企业时间居民用户和商业用户工业企业6：00~7：004.874.8814：00~15：002.275.5322：00~23：001.272.397：00~8：005.204.8115：00~16：004.055.2423：00~24：000.982.758：00~9：005.175.4616：00~17：007.105.4524：00~1：001.351.979：00~10：006.554.8217：00~18：009.595.551：00~2：001.302.6810：00~11：0011.273.8718：00~19：006.104.872：00~3：001.652.2311：00~12：0010.424.8519：00~20：003.424.483：00~4：000.992.9612：00~13：004.093.0320：00~21：002.134.344：00~5：001.633.2213：00~14：002.775.2721：00~22：001.484.845：00~6：004.352.51%北部工业区适用工业企业标准，南部老城区适用居民用户和商业用户标准。输入计算完毕，得到10个分输点随时间变化的流量压力曲线，某分输点的变化曲线如图3所示。图3某分输点的压力、流量变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.005.F3a1（a）压力10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.005.F3a2（b）流量压力变化曲线可以清晰地展示管段末端的压力变化情况，并与流量随时间变化曲线相对应，为工程过程中供气管道方案的改进提供参考依据。3结语（1）TGNET软件能够在拥有比较详细、准确数据的基础上，对燃气管网进行仿真模拟，验证管网的承载能力是否达到标准，并为后续优化方案提供依据，对管网的科学建设有着积极影响。（2）模拟仿真软件的发展为城镇燃气规划行业提供了新的思路。进行燃气规划时，需要预测近期、远期的用气量和规划图，TGNET可以为建立更科学的数学模型，更精确的水力计算方法，为规划图和规划数据的适配性提供了参考依据。