城市轻质烃类燃气管道系统的热-水力学优化与?分析：一种流量分配驱动的新方法

《Applied Thermal Engineering》：Thermo-hydraulic optimization and exergy analysis of urban light hydrocarbon gas pipeline systems: A novel flow distribution-driven method

　　

• 建立了一种针对管道系统的新型建模与优化方法。
• 分析了不同气体燃料的输配特性。
• 开发了耦合流量分布特性的调节程序。
• 采用?分析方法评估系统热力学性能。

**引言**

作为第四代城市燃气[1]、[2]，轻烃气（LHG）源自煤炭、石油和费托（Fischer-Tropsch）产品，广泛应用于城市能源供应系统。凭借其低碳排放[3]、[4]、高热值、丰富的原料资源以及便捷的输配特性[5]、[6]，轻烃气正通过清洁生产技术及高效城市燃气管道网络逐步替代传统化石燃料。随着轻烃气的大规模部署，高效稳定城市燃气管道系统的发展成为关键问题[7]。

由于轻烃气与天然气在热力学和输运性质方面存在显著差异，基于天然气管道系统设计经验在应用于轻烃气管道系统时需进行审慎重新评估[8]。例如，轻烃气的分子量、密度和粘度均高于天然气[9]、[10]，这可能导致管道输送过程中更大的摩擦阻力和更为显著的波动压力。从工程角度看，这些差异不仅体现在压力损失计算中，还影响管道选型、气源压力要求、调压策略及运行成本。更高的压损可能需要更大的管道直径或更高的入口压力来维持所需的终端压力，从而增加建设投资和运行能耗[11]、[12]。同时，终端节点压力余量不足会降低燃气供应可靠性，使系统对需求波动、管道老化以及由阀门、弯头和支路连接引起的局部阻力更加敏感[13]、[14]、[15]、[16]。对于轻烃气管道，更高的露点温度在温压条件控制不当时会进一步增加冷凝和局部堵塞的风险。因此，关键问题不仅在于轻烃气与天然气的压损是否不同，而在于轻烃气的热物性如何影响城市管道系统中的水力稳定性、建设与运行成本、安全余量及布局优化。因此，有必要开发针对轻烃气管道系统的建模与优化方法，旨在降低压损、提高运行可靠性并支持经济合理的管道设计。

目前，研究者已对管道系统中各种气体能源的输配过程开展了广泛研究。由于不同气体燃料的热力学和输运性质各异，其流动分布特性表现出显著差异。Sargent等[17]和Sayani等[18]分析了管道内氢气流动动力学及关联压损，揭示氢气输送过程中的压损远高于天然气输送。鉴于化学成分对热物性的影响，Kazi等[19]开发了一种模型，用于优化管道系统中天然气与氢气混合物的流动。此外，与天然气管道相比，二氧化碳管道经历更小的压损但更为显著的温降，这使得二氧化碳输送对温压控制提出了更严格的要求[20]。这些研究共同表明，气体燃料的输配特性对其热力学和输运性质高度敏感。这些研究也表明，为传统燃气管道系统开发的建模框架可以为轻烃气管道分析提供有用基础。然而，将这些框架应用于轻烃气需要更新热物性处理方法并重新评估相关运行条件。如果不考虑轻烃气更高的密度、粘度和露点敏感性，压损、流量和温度预测可能出现偏差，进而影响优化结果。

此外，管道内的流动分布特性，包括流量、压力和温度的动态分布，是评估管道系统能效和运行稳定性的关键参数。Zhou等[21]和Chen等[22]利用多目标函数优化管道系统，结果表明流量调节显著影响管道性能。Wen等[23]提出了一种满足用户需求同时最小化二氧化碳排放的天然气流量分配优化方法。基于各种优化算法和案例研究，学者们提出了多种管道网络方案[24]、[25]；值得注意的是，这些结构也对管道系统的流量分配产生不可忽视的影响。然而，上述研究仅将流量视为简化的边界约束条件，未涉及管道系统内部流量分配问题。由于缺乏对流量分布特性的深入分析和对流量分配机制的系统考虑，流量分配往往不合理，进而影响管道系统的整体可靠性和运行效率。

此外，学者们采用各种目标函数优化管道系统，旨在最小化成本相关目标并最大化气体燃料供应可靠性。通过考虑系统运行约束并以成本最小化为目标函数，设计了多种低成本管道系统[26]、[27]。Tang等[28]建立了供应可靠性评价指标并分析了相关影响因素和分配原则。Das等[29]从热力学角度总结了氢气掺入天然气的影响，以成本最小化为目标函数。尽管上述研究为管道系统优化提供了有用的视角，但在应用于热物性和露点约束不同的轻烃气管道系统时，其假设、物性参数和约束设置需要重新评估。与其他管道系统相比，轻烃气管道系统中的凝析油问题更为突出，且对露点附近的温压变化更为敏感，但当前管道模型缺乏对凝析油行为的评估。

综上所述，现有研究为燃气管道系统的建模与优化提供了有价值的基石，但对于城市轻烃气管道系统仍存在若干不足。首先，大多数现有模型和优化框架是针对天然气、氢混气或二氧化碳管道开发的，而轻烃气更高的密度、粘度和露点敏感性可能改变城市配气管网中的水力和热工行为。其次，流量常被处理为边界条件或计算结果，而流量分配作为降低局部压损集中度的主动设计变量的作用尚未得到充分探索。第三，尽管以往的管道优化研究考虑了成本相关目标和供应可靠性，但这些目标与轻烃气热工水力行为及基于?的性能评估的集成仍然有限。这些差距促使开发一种保留燃气管道优化一般结构，同时综合纳入轻烃气热物性、流量再分配、燃气供应可靠性、建设成本和热力学效率的建模与优化框架。

基于上述差距，本研究聚焦三个工程问题：轻烃气的热物性如何影响城市管道中的水力和热工行为；流量再分配如何降低局部压损集中度；以及轻烃气管道系统设计中如何平衡燃气供应可靠性、建设成本和热力学效率。本研究的创新之处在于通过综合考虑迭代热物性更新、露点相关运行约束、流量分配驱动调节策略及基于?的性能评估，将既有管道优化框架适配于城市轻烃气管道系统。本研究的主要贡献如下：

a) 通过纳入迭代热物性更新、局部压损修正及露点相关运行约束，建立了针对轻烃气的热工水力建模框架，提高了对城市轻烃气管道系统水力和热工行为的描述能力。

b) 通过将柯西-施瓦茨不等式转化为流量再分配的工程准则，开发了流量分配驱动的调节方法。该方法使流量分配可作为主动优化变量，而不仅仅是模拟输出。

c) 将所提调节方法嵌入自适应遗传算法，优化燃气供应可靠性与建设成本之间的权衡，为城市轻烃气管道布局改进提供了实用框架。

d) 引入基于?的评估来量化不同管道网络方案的热力学性能，从而以统一方式评估优化方案的水力、建设成本、可靠性和节能效果。

e) 以真实城市管道网络为案例，在相同边界条件下对比轻烃气和天然气，展示了流量再分配如何影响压损、可靠性、建设成本和?效率。

**管道热工水力模型**

压力、密度、速度和温度等参数常用于描述燃气管道系统中的流体动力学和热力学状态。为计算这些参数，采用连续性方程、动量方程和能量方程，并结合Benedict-Webb-Rubin-Starling（BWRS）方程，具体描述见补充材料。

由于精度较高且适用范围广，选用BWRS方程[30]。热物性参数包括

**模型求解**

轻烃气管道系统中的优化问题通常涉及混合离散和连续变量。与传统的确定性算法不同，受达尔文自然选择原理启发的遗传算法（GA）是一种元启发式方法，因其在处理非线性、多模态和高维数据集方面的有效性而被广泛应用于管道系统优化问题[49]。作为传统遗传算法的增强版本，自适应

**实验装置与材料**

轻烃气生产系统如图2所示。首先，轻烃燃料通过加压泵注入通道I，随后在轻烃气生产单元中由螺旋盘管换热器加热。同时，空气通过引风机进入通道II，向上流经穿孔板并与轻烃燃料混合。生成的轻烃气流入气混罐。在气混罐中，轻烃气按比例与来

**轻烃气与天然气的热工水力对比**

在分析压损分布之前，首先比较模型中使用的轻烃气和天然气的热物性。具体而言，甲烷含量为95%的天然气分子量为17.12 g/mol，而空混比为4:1的轻烃气分子量达到37.35 g/mol。如图5所示，在1–10 kPa表压和273–293 K温度范围内，轻烃气表现出明显更高的密度、粘度和分子量。

**结论**

本研究通过结合迭代热物性更新、露点相关运行约束和新型流量分配驱动调节方法，开发了城市轻烃气管道系统的热工水力优化框架。在相同边界条件下，代表性轻烃气干管管道的压损约为天然气管道的1.90倍。这一结果表明，轻烃气更高的密度和粘度应被显式考虑。

**CRediT作者贡献声明**

李伟辰：方法论、形式分析、初稿撰写、概念构思。柏素英：调查研究、概念构思、可视化。刘鹏昊：方法论、经费获取、验证、审阅与编辑。朱全：数据整理、调查研究。郝京营：验证、可视化。王勘宏：监督、资源。高嘉欣：数据整理、软件。王晶刚：资源、调查研究。张昌建：项目管理、监督。

**利益冲突声明**

我们谨提交题为"城市轻烃气管道系统的热工水力优化与?分析：一种新型流量分配驱动方法"的稿件，希望能在"Applied Thermal Engineering"上发表。本稿件不存在利益冲突，所有作者均批准发表。谨代表全体合作作者声明，所述工作

**致谢**

本研究得到河北省自然科学基金（B2021402023）和河北省科学院基础研究试点项目（2024PF02）的资助。

李伟辰|柏素英|刘鹏昊|朱全|郝京营|王勘宏|高嘉欣|王晶刚|张昌建