1. 引言
天然气长输管线的输量是相对稳定的，但是管线下游用户用气量是随时间而变化的 [1] [2] ，这使天然气调峰问题日益突出。当前的主要调峰方法有储气球罐调峰、高压储气管束调峰、液化天然气调峰、地下储气库调峰、气田上游调峰等，高强生 [3] 对天然气主要调峰方法如储气球罐调峰，高压储气管束调峰，液化天然气调峰，地下储气库调峰，气田上游调峰的工作原理，特点与工艺计算进行了分析，指出了每种调峰方式的适用条件与场合。郑志炜 [4] 针对极限工况和3种较典型的管道终点流量随时间的变化规律，采用管道仿真软件SPS对输气管道末段运行过程进行动态仿真，从而较准确地计算输气管道末段的储气能力。范莉 [5] 针对西气东输天然气管道供气用户多，用户类型不同，供气量峰谷变化大等造成管线运行不平稳的突出矛盾，分析了城市用户，工业用户，电厂用户等不同类型用户的用气峰谷变化规律及对管道平稳运行的影响；根据管道现有条件，提出了利用管段末端储气解决日调峰，全线储气解决周调峰，气田调控和储气库解决季节调峰等调峰技术措施。就实际性与可靠性方面考虑，高压储气是最可行的。丁国生 [6] 针对西二线的主要调峰和储气手段应为地下储气库和LNG，应急保障手段应可以考虑利用中国西部气田进行应急供气。储气库选址应尽量靠近管道下游，应以气藏，含水层和盐穴为主，尤其在南方中小型沉积盆地中的储气库选址重点考虑含水层储气库。LNG应尽量选择在管道末端的下游，可以与地下储气库相结合，确保西二线的安全平稳运行。商丽艳 [7] 介绍了确定城市天然气调峰量的几种方法，分析了输气管道干线末段储气调峰的原理。结合具体的工程实例，认为输气管道干线末段储气是利用管道本身具有的储气能力，调节平稳供气和不稳定用气之间的矛盾，是一种便捷灵活的方法。教材中 [8] 介绍，对于中高压管线，其管存量是很大的，这给下游用气的调峰提供了便利，同时也体现了管存量的重要性，故很有必要就不同压力等级管道的管存量影响因素进行研究。
本文应用SPS仿真软件以陕京一线与西气东输一线的设计参数为基础，建立仿真管段。随后从管段长度、起点压力、管径、输气量以及高程差等方面对该管段的管存量进行模拟并总结规律，这些规律将会有助于判断不同设计参数天然气末端管段的管存量，继而对天然气长输管线下游用气调峰提供有效的帮助。
2. 仿真模型的建立
2.1. SPS软件介绍 [9]
SPS仿真软件可对管道输送的单一流体、单相混合流体或者批次流体进行仿真，该软件可从INPREP文本文件中获得所建立管道(模型)信息，包括物理元件(管线、气源、阀等)的所有信息。SPS软件能仿真大多数管线的正常运行工况(稳态仿真)，并能仿真控制管道事故工况(瞬态仿真)，诸如管线断裂、设备故障等。此外，SPS软件还可以计算管道沿线流量、压力、密度与温度等参数，并能以图形或报表的形式输出。
SPS软件的仿真功能可以通过两种形式实现，通过控制序列运行或交互式(运行过程中可以改变边界条件)运行。初始状态可以是零流量状态、已储存的稳定状态或者用户自定义稳定状态。
SPS软件主要程序包括预处理程序(PREPR)、瞬时仿真程序(TRANS)、传输程序(TPORT)和后处理程序(GRAFR)。
2.2. 模型的建立及描述
如图1所示，天然气由左边进入，右边输出，中间为一管段，设上游External为压力控制，其输入压力就是起点压力；下游External为流量控制，其输出流量即为该管段的输量；中间管段可输入管线长度、高程差、管径以及壁厚。
本文的主要就是根据图1所示模型，在改变不同的变量前提下，取得管存量数据，并对数据的规律进行定量分析，得出系列结论。
2.3. 基本定义及基础参数
2.3.1. 基本定义
管存量定义：带压天然气管段，由于其本身具有管容量，在高压下由于天然气被压缩会在该管容中充满气体，这些天然气的总体积就定义为该管段的管存量。压力不同存储量不同，管存量与该管段的管容量、温度和压力有关，其计算公式如公式(1)：
(1)
其中：Q1为工况下的流量(管容量)，单位为：m3/d；
T1、P1和Z1分别、温度、压力及压缩因子，单位分别为：K、MPa；
Q0为标况下的流量(管存量)，单位为：Nm3/d。
2.3.2. 基础参数
1) 天然气气质(见表1)
Table 1. Simulated natural gas composition
表1. 模拟天然气组分
2) 标准状态为：压力1.01325 × 105 Pa (绝对压力)，温度20℃。
3) 管道的管内壁绝对当量粗糙度取10 μm。
3. 实例仿真及影响因素分析
以陕京一线(中压管道)与西气东输一线(高压管道)的设计参数为基础，建立仿真管段模型。随后从管段长度、起点压力、管径、输气量及高程差等五个方面对该管段的管存量进行仿真并研究规律。
3.1. 以陕京一线设计参数为准的实例分析
陕京一线管外径660 mm，设计压力6.3 MPa，设计输量为33 × 108 m3/a [10] [11] 。
1) 仅高程差改变
设定管外径660 mm，壁厚为8 mm，管段长度为50 km，输量为800 × 104 m3/d，起点压力为5.9 MPa，高程差改变，仿真结果如表2。
Table 2. Gas inventory the influence of only elevation difference
表2. 仅高程差影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；高程差为起点高程减去终点高程，单位为m。
由表2可得：在该设定条件下，随着高程差的增加，管存量近似线性增加，而起点与终点的高程差每增加100 m，该设定管段的管存量增加约0.84%。
2) 仅起点压力改变
设定管外径660 mm，壁厚为8 mm，管段长度为50 km，输量为800 × 104 m3/d，高程差为400 m，起点压力改变，仿真结果如表3。
Table 3. Gas inventory the influence of only starting pressure
表3. 仅起点压力影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；起点压力单位为MPa。
由表3可得：在该设定条件下，随着起点压力的增加，管存量增加，起点压力每增加0.1 MPa，该设定管段的管存量增加约2%。
3) 仅输量改变
设定管外径660 mm，壁厚为8 mm，管段长度为50 km，起点压力为5.9 MPa，高程差为400 m，输量改变，仿真结果如表4。
Table 4. Gas inventory the influence of only throughput
表4. 仅输量影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；输量单位为104 m3/d。
由表4可得：在该设定条件下，随着管输量的增加，管存量近似线性减少，输量每增加10 × 104 m3/d，该设定管段的管存量减少约0.15%。
4) 仅管段长度改变
设定管外径660 mm，壁厚为8 mm，输量为800 × 104 m3/d，起点压力为5.9 MPa，高程差为400 m，管段长度改变，仿真结果如表5。
Table 5. Gas inventory the influence of only pipe length
表5. 仅管长影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；管段长度为km。
由表5可得：在该设定条件下，随着管段长度的增加，管存量增加，管存量的增加速率依次降低。
5) 仅管外径发生改变
设定管壁厚为8 mm，输量为800 × 104 m3/d，起点压力为5.9 MPa，高程差为400 m，管段长度50 km，管外径改变，仿真结果如表6。
Table 6. Gas inventory the influence of only outer diameter of pipe
表6. 仅管外径影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；管外径为mm。
由表6可得：在该设定条件下，随着管段长度的增加，管存量增加，且增加速率变大；管外径每增加10 mm，该设定管段的管存量增加约3.61%。
3.2. 以西气东输一线设计参数为准的实例分析
西气东输一线管外径1016 mm，设计压力10 MPa，设计输量为120 × 108 m3/a [12] [13] ，后来增输后设计输量为170 × 108 m3/a。
1) 仅高程差改变
设定管外径1016 mm，管壁厚为14 mm，管段长度为50 km，输量为4300 × 104 m3/d，起点压力为9 MPa，高程差改变，仿真结果如表7。
Table 7. Gas inventory the influence of only elevation difference
表7. 仅高程差影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；高程差为起点高程减去终点高程，单位为m。
由表7可得：在该设定条件下，随着高程差的增加，管存量增加，而起点与终点的高程差每增加100 m，该设定管段的管存量增加约0.45%。
2) 仅起点压力改变
设定管外径1016 mm，壁厚为14 mm，管段长度为50 km，输量为4300 × 104 m3/d，高程差为400 m，起点压力改变，仿真结果如表8。
Table 8. Gas inventory the influence of only starting pressure
表8. 仅起点压力影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；起点压力单位为MPa。
由表8可得：在该设定条件下，随着起点压力的增加，管存量增加，起点压力每增加0.1 MPa，该设定管段的管存量增加约2.63%。
3) 仅输量改变
设定管外径1016 mm，壁厚为14 mm，管段长度为50 km，起点压力为9 MPa，高程差为400 m，输量改变，仿真结果如表9。
Table 9. Gas inventory the influence of only throughput
表9. 仅输量影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；输量单位为m3/d。
由表9可得：在该设定条件下，随着管输量的增加，管存量减少，输量每增加10 × 104 m3/d，该设定管段的管存量减少约0.02%。
4) 仅管段长度改变
设定管外径1016 mm，壁厚为14 mm，输量为4300 × 104 m3/d，起点压力为9 MPa，高程差为400 m，管段长度改变，仿真结果如表10。
Table 10. Gas inventory the influence of only pipe length
表10. 仅管长影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；管段长度为km。
由表10可得：在该设定条件下，随着管段长度的增加，管存量增加，管存量的增加速率依次降低。
5) 仅管外径发生改变
设定壁厚为14 mm，输量为4300 × 104 m3/d，起点压力为9 MPa，高程差为400 m，管段长度50 km，管外径改变，仿真结果如表11。
Table 11. Gas inventory the influence of only outer diameter of pipe
表11. 仅管外径影响下的管存量
注：管存量单位是104 m3；管外径为mm。
由表11可得：在该设定条件下，随着管段长度的增加，管存量增加，管存量的增加速率依次降低；管外径每增加10 mm，该设定管段的管存量增加约2.33%。
4. 结论
1) 仅单一影响因素影响管存量结论：管道外径、管段长度与起点压力对管存量的影响较大；高程差与输量对管存量影响较小；
2) 仅单一影响因素变化时管存量变化规律：输量增加时，管存量降低；其余四印象因素增加时，管存量增加；
3) 对比中压管线与高压管线可得：a) 仅管段长度变化时，随着管段长度的增加，管存量增加，管存量的增加速率依次降低；b) 仅管外径变化时，管外径增加幅度一致时，中压管线管存量增加比例较大；c) 仅起点压力变化时，起点压力增加幅度一致时，高压管线管存量增加比例较大；d) 仅高程差变化时，高程差增加幅度一致时，中压管线管存量增加比例较大；e) 仅输量变化时，输量减少幅度一致时，中压管线管存量降低比例较大；
4) 在实际输气管线末端调峰估算管存量时，可根据末端储气压力结合上述结论给出调峰计划。
NOTES
*通讯作者。