（控制理论与控制工程专业论文）天然气管网稳动态仿真及其负荷预测系统的研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所旱交的学 化论文是我个人任导师指导下进行的研究：亡作及取得的成果：尽我所知。 除特别加以标注和致谢的地办外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同r 作的同志对本文所论述的i ：作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：墨i ；伽年3 月a dh 保护知识产权申明 本人完全了解i 嘶安理工人学有关保护知识产权的规定，即：研究生住 校攻凑学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理l ：大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为畸安理工大 学，无论何时何地，木经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果，学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文 ( 加密学位论文解密之前后以上申明同样适用) 沦文作者签名 强笑 导师签名。扯年3 月却h 摘要 天然气管网稳动态仿真及其负荷预测 系统的研究 学科：控制理论与控制工程 研究q ：张笑 导师：刘丁教授 刘涵副教授 ( 签名：旅笑 ( 签名 幽 ( 签名： 摘要 杰! 唾 ) 本文j ：娈研究了火然气管网系统稳动态仿真利天然气短期负荷预测两个 问题。 夫然气管网系统稳动态仿真及其负荷预测是天然气管理系统中的一项重 要l 。作。精确的稳动态仿真及负荷预洲对天然气管网系统的生产计划、优化调 度引安全分析都起着十分重要的作刈，直接影响着天然气管网系统的经济效 益。本文依据陕嘣省天然气管网系统的历史数据，对天然气管网系统稳动态仿 真和天然气短期负衙预测进 ? 了研究。 本文研究了大然气红简单管线中稳定流态f 的水力计算问题，在此基础上 针对并行、环行等复杂管线的情形，改进了其算法。通过实例仿真表明利埘这 种算法得出的计算结果具彳丁较高的精度。 西安理工大学硕士学位论丈 针对天然气铃+ 网系统动态仿真的m 题，本文柏二静态仿真的基础上采川特征 线法划天然气托管道lz 的瞬态特性进行了仿真计算；列实际管网系统中出现的 1 况进行理论计算分析，列算法做了改进，1 通过计算仿真验证改进后的算法 满足实际阿中1 勺需要。 针对人然气短吖负荷预测的问题，在分析，国内外技术现状的基础上，综 合考虑影响负荷变化的各种闪素，捉出了基j 一白f | = i 纵竞争网络平多层感知机网 络混台的犬然气短删负荷预测方法。为使预测值4 ：受负荷逐年变化这一趋势的 影响、把负荷数据变换为特征、均值和方莠的形式，刮川亡1 组织竞争网络预j | 【1 4 负荷的特征，然1 f i 彳利川多层感知器网络预测负荷的日均值和方差，嘏终实现对 一大2 4 小时负荷的预测。通过实例计算，验证r 该模艰的有效性。 关键词：犬然气稳动态仿真，短j | _ j 负荷于匝测，神绎网络，白组织竞争网络 一一 垒! 翌! 垒堕 r e s e a r c ho ns t a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n dl o a d f o r e c a s t i n go fn a t u r a lg a ss y s t e m s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g a u t h o rx i a oz h a n g ( s i g n a t u r e ：兰迪垃) s u p e r v i s o r ：p r o f d i n gl i u 一r 丝盥硅圹 p r o f h a nl i u ( s i g n a t u r e a b s l 、r a c t 逝纽) t h i st h e s i si sc o n c e r n e dw i t ht w op r o b l e m s ：s t a t i ca n dd y n a m i cs i m u i a t i o nf o r n a t u r a lg a sp i p e l i n en e t 、 o r ka n ds h o r t t i m en a t u r a lg a st o a df o r e c a s t i n g s t a t i ca n dd y n a m i cs i m u t a t i o nf o rn a t u r a lg a sp i p en e t w o r ka n dn a t u r a l g a s l o a df o r e c a s t i n gi sa ni m p o r t a n tw o r ko fn a t u r a lg a sm a n a g e m e n ts y s t e m p r e c i s e s t a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n dl o a df o r e c a s t i n gw i l lh a v ea ns i g n i f i c a n te f f e c t o np r o d u c t i o n p l a n n i n g o p t i m i z i n ga t l e m p e ra n ds a f e t ya n a l y s i so fn a t u r a lg a s n e t w o r ks y s t e m a n dw i l ld i r e c t l ya f f e c t si t se c o n o m i cb e n e f i t sb a s e do nh i s t o r i c a l d a t ao fs h a a n x in a t u r a lg a sn e t w or ks y s t e m s t a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n d l o a df o r e c a s t i n go fn a t u r a lg a ss y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h et h e s i sf i r s t l ym a d ear e s e a r c ho nw a t e r p o w e rc a l c u l a t i o na r i t h m e t i co f s i m p l ep i p e l i n e a n dr e s e a r c h 】_ e s u l t su e r eu s e di no t h e rc o m p l i c a t e dp i p e l i n e s y s t e ms u c ha sp a r a l l e lp i p e l i n e ，a n n u l a rp i p e l i n eb yp r a c t i c a ls i m u l a t i o n ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea r i t h m e t i ch a sah i g h e rp r e c i s ei ns t a t i cs i m u l a t i o n 西安理工大学硕士学位论文 f o rn a t u r a l g a s p i p en e t w o r kd y n a m i cs i m u l a t i o n t h e t h e s i sa d o p t s c h a r a c t e r i s t i cm e t h o dt od i s c u s s b a s e do nt h e o r e t i cc a l c u l a t i o n ，a n a l y z i n g p r a c t i c a lw o r k i n gp h e n o m e n ao ft h en e t w o r k ，t h et h e s i si m p r o v e dt h e a r i t h m e t i c t e s t e db yw a t e r p o w e rc a l c u l a t i o ns i m u l a t i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e a r i t h m e t i cm e e tt h er e q u i r e m e n to fp r a c t i c a lp r o j e c t f o rs h o r t t i m en a t u r a lg a sl o a df o r e c a s t i n g b a s e do na n a l y z i n gt e c hs i t u a t i o n a th o m ea n da b r o a d c o n s i d e r i n ga l lk i n d so ft h c t o r sw h i c hw i i jh a v ei n f l u e n c eo n l o a d c h a n g e s ， a h y b r i da p p r o a c hc o m b i n e dt h es e i f - o r g a n i z i n g f e a t u r em a p ( s o f m ) n e u r a ln e t w o r kw i t hm u l t i l a y e rp e r c e p t r o n ( m l p ) i sp r e s e n t e d ，a n d s h o r t t i m el o a df o r e c a s t i n gm o d e li se s t a b l i s h e dt om a k et h ep r e d i c t i o nv a l u e s w i t hi n d e p e n d e n c eo ft h eg e n e r a lt r e n d ，w h i c hi sc h a n g e df r o my e a rt oy e a lt h e l o a dd a t aa r et r a n s f o r m e db yp r o f i l e s ，m e a nv a l u e ，a n dv a r i a n c e s o f mi su s e df o r t h ep r e d i c t i o no f p r o f i l e sa n dm l pn e t 、 o r k sf o rp r e d i c t i o no f d a i l ym e a na n dd a i l y v a r i a n c e a tar e s u l t ，l o a df o r e c a s t i n gf o r2 4h o u r si nad a yc a nb eg o t t e n i ts h o w s t h ev a l i d i t yo fm o d e lb yp r a c t i c e ds i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：n a t u r a lg a s s t a t i ca n d d y n a m i cs i m u l a t i o n ，s h o r t t i m e l o a d f o r e c a s t i n g ，n e u r a ln e t w o r k ，s e l f - o r g a n i z i n gc o m p e t i t i v en e t w o r k 1 绪论 1 1 引言 研究和发现新的能源资源，寻求可供人类利用的第四代能源，是 2 1 世纪我们所面临的严峻挑战。对第四代能源，不仅要求在技术和 蕴藏量上能够满足人类r 益增长的经济发展需求，更要满足人类与大 自然协调发展对环境的要求。技术和能源资料的综合分析结果表明： 核能、煤、天然气和氧气有可能在未来替代石油，成为人类第四代能 源盟。 天然气是具有经济优势和环境优势的绿色能源，在推广应用方面 具有广阔的6 u 景。一一是发电：利用天然气发电不但效率高，而且可以 起到较好的调峰作用。二是化 ：发达国家的合成氨和甲醇几乎全部 用天然气生产，但在我幽的利用率还很低。三是城市工业用气：主要 是小型燃气热、电、冷联供( 燃气轮机、余热锅炉、溴化锂制冷) 用 气。四是城市居民用气：城市居民用天然气替代煤炭，具有很好的环 境效益和经济效益。五是其他用途：天然气在制氢、汽车用气等方面 也有，一泛用途。 天然气的丌发和利用离不开管道系统的输送，通常天然气管道系 统包括矿场集输管网、输气干线和配气管网，它将采气( 集气) 、净化、 储气、供( 配) 气这些看似独立的工艺过程连接成一个统一的整体。 随着天然气开发规模和使用规模的不断扩大，天然气管道系统也 同趋庞大和复杂。这一方面使得人们更难于了解和掌握管道系统的运 行规律、分析和处理管道系统的事故工况、沦证和提出合理的运行方 案：另一方面由于管道系统的运行状况直接影响天然气的产、供、销， 因此人们迫切需要根据天然气管网中气体的流动规律，找出气体管网 西安理王大学硕士学位论更 各个参数间的相互影响和流动关系，以保证天然气管网得到优化设计， 使其合理调度和可靠运行。j 司时，对1 i i 益流行的天然气管网自动控 制系统柬说，天然气管网稳动态仿真也是不可缺少的组成部分。 城市天然气管网系统负荷预测对于天然气区域管网的规划设计、 制订天然气生产计划；对于实现计。量供热系统优化运行和科学化管理、 提高运行效率、节约能量：对于提高整个天然气长输管线的投资效益 和可靠性有着十分重要的意义。 1 2 国内外的研究现状 国外从二十世纪7 0 年代起对流体在管道内的运行规律进行了广 泛的理论研究。随着天然气丌发规模和使用规模的不断扩大，天然气 管道系统也n 趋庞大和复杂，早期利用人工经验，以及采用现场仪表 设备来对天然气管网进行检测和监控已远远不能满足需要，所以在天 然气的开发和利用中对天然气在管网中的稳、静态分析及其预测一直 是研究的热点和难点。 1 9 7 8 年f o xr w 和m c d o n a l da t 两位学者从流体动力学的角 度，采用柏努利方程对流体在管道内的流动规律进行了分析。“。1 9 8 0 年w y l i ee 和s t r e e t e rvl 提出了特征阻抗矩阵的概念，采用与电学中 的欧姆定律完全相类似的形式，将压降比拟为电位差，流量比拟为电 流，得到流体在管道内输入与输出的传递矩阵，依此来分析计算管路 动态特性。1 9 8 3 年v i e r s m at j 博士针对管道非恒定流的基本方程 提出了一种数值解法：根据管道非恒定流的基本方程具有一阶双曲型 拟线性偏微分方程这一特有的性质，引入特征方向，将偏微分方程转 换为常微分方程进行数值求解。 进入9 0 年代随着计算机硬件的广阔发展，人们对天然气在管网内 的运行规律的研究有了长足的进步，充分利用计算机强大的计算能力 对天然气在管道内全程监控，在此基础t 提出了天然气输气管网 s c a d a 联机系统，并研制出天然气集输管网模拟及预测软件包。可 以对大型复杂的天然气集输管网进行稳态模拟、瞬态模拟，及其负荷 预测。其代表有美因科学软件公司( s s i ) 的t g n e t 软件和s t o n e r a s s o c i a t e s ，i n c 的天然气模拟计算软件。 我国对天然气在管道内运行规律的研究是从上世纪9 0 年代开始 的，主要是借鉴国外的一些公司的绎验和理论体系。但是由于天然气 在管道内的运行规律t 分复杂，国外的研发厂商研制的软件包中的一 些经验公式、算法、参数都是在长期的生产过程中逐渐积累得出的， 这些都是保密的，而且对管网设备的接口要求严格，尤其是国外研制 的软件价格十分昂贵，困而不符合国内天然气丌发的现状。国内对天 然气管网模拟汁算的研发厂商较少，而且产品不成熟。因此我们对天 然气在管网内运行规律的研究是很有意义的。 1 3 本文的主要研究工作 在一个较完善的天然气管网自动控制系统中，通常有天然气集输 管网稳动态仿真及负荷预测子系统，天然气管网稳动态仿真及其负荷 预测的准确性极大地影响着天然气管网系统的生产、调度和运行。本 文主要研究和探讨天然气在管道中的稳动态运行规律、理论与算法以 及天然气负荷预测的具体方法。 第二章介绍了天然气管网稳态仿真原理与方法，简要概述了天然 气管路输送的工艺基础，并阐述了稳态仿真的基本原理，讨论了简单 管线的水力计算并在此基础上推r “到了环行管线等复杂管线的情形， 并通过实例计算分析，验证了其算法的准确性和有效性。 第三章针对天然气在管网中动态模拟仿真的问题，从天然气管网 的工艺要求着手，在其静态仿真的基础上采用特征线法对天然气管网 系统动态仿真进行了研究。并在理论计算的基础上，针对实际管网系 统中出现的工况进行计算分析，对该算法进行了改进，验证了其算法 西安理工大学硕士学位论文 的准确性和有效性。 第四章概述了神经网络的基本原理，阐述了前馈神经网络的基本 结构，模糊神经网络的网络结构及其算法，以及k o h o n e n 自组织特征 映射神经网络的原理和应用。并采用时间序列法，b p 网络，模糊神经 网络对城市天然气短期负荷预测进行了深入的研究，在此比较分析的 基础上，提出新的预测方法，即k o h o n e n 自组织特征映射神经网络和 多层感知机网络相结合的方法，取得了良好的结果。 第五章根据上述的原理和方法，我们研制出天然气管网仿真软件 g p n ，并对天然气管网稳动态仿真及其负荷预测软件包的硬件结构和 软件的功能作了简单的概述。 本文对以上问题进行了详细的论述，有关实验、仿真均给出了仔 细的计算及说明，且基于该研究成果的“天然气管网稳动态仿真及其 负荷预测软件包”已成功投入商业运营。本文所作努力的目的在于寻 求一种解决天然气管网稳动态仿真及负荷预测问题的新方法，使天然 气管网自动控制系统的性能更加精确、可靠。 4 天然气管网的稳态仿真研究 2 天然气管网的稳态仿真研究 2 1 天然气管路输送工艺基础 2 1 1 输气管分类 天然气输气管按功能和区域划分为矿场输气管、干线输气管和城 市输气管。 矿场天然气管路系统的形式取决于井场上气井的布置及其规模、 产气层的数目和性能、所采取的天然气初次净化、计量和调节的方式、 气井的产气特性和操作工况、井场的气候条件和地形。 干线输气管是长距离供气用的复杂的动力系统。干线输气管的全 部管段与压缩机站互有联系，个别管段或个别站的工况的变化将影响 到全部输气管或整个输气管系统。引起干线输气管工况偏离计算工况 的原因可能是：耗气量的波动、个别压缩机机组或整个压缩机站的关 闭等。对于每一种情况，均需解决输气管或者作为统一系统的许多互 相关联的输气管的水力计算和最优工：况选择问题。 城市的供气以天然气为基础，通过干线输气管输入城市或某个居 民点。城市或居民点的供气系统包括气源、配气管网和内部燃气设备。 气源就是干线输气管；配气管网是在大城市内部的输送和分配天然气 的输气管系统和设备，配气管网中的输气管可人为划分为输气干线和 配气管线，输气二f 线把天然气从一个区输送到另_ 。个区，而配气管线 则把天然气直接供给消费者。 天然气从干线输气管通过配气站送入城市配气管网。在城市配气 管网中设有降低天然气压力的气体调节点，通过这些气体调节点，把 西安理工大学硕士学位论文 不同压力的输气管连结在一起。 为了研究天然气在输气管线内的运行规律，下面将与计算相关的 天然气的物理性质做简要的介绍。 2 1 2 天然气的物理性质 a 气体的密度 气体的密度定义为单位体积的质量，即气体的质量与其体积之比： ，= 罢 ( 2 1 ) p 式中m ：气体的质量，k g ；v ：气体体积，m 3 ；p ：气体密度，k g m 3 。 b 气体的比容 气体单位质量的容积称为气体的比容，其值为密度的倒数”3 ： v ：三：旦 ( 2 2 ) p f h 式中v ：比容，m 3 k g 。 c 气体的流量 气体的流量分为质量流量和体积流量。在单位时f n j 内通过流量横 截面的气体质量称为气体质量流量“： m=了m(2-3) 式中m ：气体质量，姆；，：m 公斤的气体通过该截面的时问，s ：m ： 气体的流量质量，培厶。 在单位时i n 内通过流通截面的以体积单位表示的气体量称为气体 体积流量： q ：二( 2 - 4 ) 天然气管网的稳态仿真研究 式中矿：气体体积，m 3 ：t ：v 气体通过所研究的截面的时问，s ；q ： 气体体积流量，m 3 厶。 d 气体的线速度和质量速度 气体的线速度定义为在流动的条件( 温度，压力) 下通过单位流 通截面的气体体积流量： w ：g( 2 5 ) 式中q ：在流动条件下的气体体积流量，m 1 s ；f ：输气管流通面积， m ! ；w ：输气管中的气体线速度，m s 。 气体的质量速度是指通过输气管单位流通截面的气体质量流量： “=了m(2-6) 式中m ：气体的质量流量，姆，：输气管流通面积，m 2 ；气 体的质量速度，培( s m ! ) 。 e 功 在推导计算公式时要用到势功的概念。气体从一个压力区( e ) 移动到另一个压力区( 只) 所做的功称为势功。“1 。 元势功相应于无限小的压力变化： o - w = 一v d p 佗一7 a ) 而p ：一上郦，- 一v d p ( 2 7 b ) 式中6 w ：任意7 气体量具有的元势功，啊m ：6 w ：元比功，蟛- 研培。 如果气体的移动发生在输气管的条件下，则其势功的分布为： 赢，：一v d p ：田+ d ( 罢) + g d z + 6 l ” ( 2 8 ) 式中，：传给外部系统物体的单位有效功( 对于输气管，。= o ) ；，”：功 的不可逆转换。 西安理工大学硕士学位论文 r ：五兰一d x ( 2 9 1 2d 式中五：水力摩阻系数；w ：气体的线速度；d ：输气管的内径：x ： 输气管的起点到进行分析的那一点的距离；g ：重力加速度；z ：输 气管上进行分析的那一。点的高程。 由势功的数学表达式可知，功消耗于克服气体对输气管壁的摩阻、 气体位置的变化和气体线速度的变化。 2 2 天然气管网稳态仿真 天然气管网的稳念仿真主要是针对天然气管网系统前期设计：以 及确定最优的改扩建方案；为了完成一定的输气生产任务，可以有多 种方案，如改变输气量计划，进行不同数量的压缩机组合等，为了从 多种方案中选择一种较优方案，就可以采用仿真模拟进行方案比较， 从中选择一种技术上可行，经济上合理的优化运行方案”“。 从物理量的角度来考虑，对天然气管网稳态仿真的计算通常是以 天然气在管道中是稳定流动为条件的，已知天然气管网中某一站点的 流量( 压力) ，来计算其他各站点的压力( 流量) 。在计算过程中，不 考虑时问，只考虑位移对管道系统各点压强和流量的影响。 2 2 1 气体稳定流动力学基本原理 a 连续性方程 根据气体的动量( 质量) 守恒定律可导出气体的连续性方程。在 截面不变的管路中，当沿线无气体分出时，则通过输气管任意点的管 横截面的气量始终保持恒定。 单位时间内，通过输气管横截面的气体量等于体积流量乘以气体 的密度p ： 天然气管网的稳态仿真研究 m = p( 2 1 0 ) 在输气管任何截i j i ：处对气体质量守恒的要求归结为在输气管所有 横截面上的m 值均为恒定值。此方程适用于沿线无气体分出或流入的 低压、中压和高压输气管。 为解决沿线连续分气的输气管的计算问题，必须列出气体平衡方 程。在均匀分气的情况下，气体质量平衡方程如下”： m = m n m x( 2 - 1 1 ) 式中m o ：在输气管起始截面处的气体质量流量：m ：单位分气量( 单 位时间内输气管单位长度上的气体质量) ；，：输气管起点至所分析的 截面之间的距离。 在以后推导输气管的计算公式时，将要用到气体的连续性方程和 平衡方程。 b 能量平衡方程 前面曾引用了表示比势功分却的公式” 一v d p = 耐( 等) + g d z + 五了w - 万d x ( 2 - 1 2 ) 该式的左边表示当气体从一个压力区移向另一个压力区时的气体比势 功，势功消耗于气体线速度的变化、气体的上升、以及克服输气管中 的水力摩阻。 应用关系式： v = 二 ( 2 - 13 1 p 把公式转换为如f 形式： i d p + 础( 争+ g d z + 篆把o ( 2 1 4 ) d2 z u 式中口：科翠奥利斯系数，对层流口= 2 ；对紊流口= 1 ，1 。该式的每 一项都是比功：第一项为压力变化功；第二项为气体变化所必要的比 西安理工大学硕士学位论文 功；第三项为消耗于克服水力摩阻的比功。此公式就是气体在稳定流 动时以微分形式表示的能量平衡方程，它对可压缩的气体和不可压缩 的气体都是f 确的。 c 层流和紊流 气体在横截面不变的长管路中流动时，如线速度不大，则气体的 每个质点均按直线轨迹运动，流动是一层一层地、有规律地进行的， 这种流动称为层流。当气体流速增加时，这种有规律的流动几乎是突 然地转变为无规则的流动，在横方向上出现急烈的扰动，这种流动我 们称之为紊流“”。如图1 1 所示。 在紊流时，在管轴方向的主运动一f ：要加上横向运动，即垂直于管 轴方向的运动。英国水力学家雷塔( 1 8 4 2 - 1 9 1 2 年) 的实验表明，液 体在管路内的流动性质与四个因素有关：液体的平均流速、管路直径、 液体的动力粘度和密度。实验证明，液体的流速越小、管径越小、液 、。 乡少一 图1 - i 托管内的速度分布1 ：层流；2 ：紊流 体的粘度越大、密度越小，就越容易出现层流；而紊流正与层流相反， 液体的流速大、管径大、粘度小、密度大。 2 2 2 输气管在稳定流态下的水力计算 当气体在中压和高压输气管中流动时，为克服水力摩阻，其压力 在沿线会有显著的下降。在此情况下，气体的密度也相应的减少。其 结果就是气体的线速度在输气管沿线发生变化。为增加气体的线速度， 这就要求消耗一定的能量。如输气管不是水平的，则还必须附加地消 耗一部分能量，以举升气体。因此，在般情况下，在中压和高压输 0 天然气管网的稳态仿真研究 气管的水力计算中，应考虑：管路的水力摩阻、输气管的线路断面和 气体流速的变化。 城市用户的用气在一年、一月、甚至一昼夜期间都是不均匀的。 因此在配气管线中，气体的流动过程与时间有关，即气体的流动过程 是不稳定的。但在配气管线中，气体的流量随时问的变化相当缓慢， 因此城市配气管线的水力计算可按稳定流态处理。 配气管线中的气体温度实际卜等于管路埋深处的士壤温度，在气 体流动过程中，其温度很少发生变化。因此在城市配气管线中气体的 流动可认为是在温度不变的情况下进行的，即认为气体的流动过程是 等温过程j ：。 气体在输气管中的稳定流动可用下列方程组来描述。“3 ： 流动方程： i d p + 蒯( 争+ g d z + 篆出= o ( 2 1 5 ) o三三u 气体平衡方程： m = 删矿= c o n s t( 2 一1 6 ) 状态方程： p = p z r t ( 2 - 17 ) 把以上三个方程合并为一个方程： 一欲r 等+ a d ( w2 ) + 2 9 d z + 2 w 2 告- o ( 2 1 8 ) m u 现在我们来研究均匀不变地上升的输气管。在这种情况下，输气 管线路断面在微小管段上的绝对上升值等于： d z ：竽出( 2 1 9 ) 式中心：输气管终点与起点的高差；，：所研究的输气管管段的长度。 替换方程中的输气管升高的元增量，得； 西安理工夫学硕士学位论丈 一z r 丁瓮笋+ 删( w 2 ) + 2 9 竽1 出+ 加2 考= o ( 2 2 0 ) w。上， 此方程为一般的带分离变量的微分方程我们以w ，表示输气管起 点( _ = 0 ) 的气体流速，而以，表示输气管终点( z = ，) 的气体流速， 对方程积分，并把线速度w ，和w ，用气体的质量流量和相应点的压力来 替换，经过这样一些变换后，我们得： p i 2 c - t w _ 露= 等警等 ( 2 - z t ) 如己知管段起点和终点的压力，则从上式川求得输气管的质量流 量： m = f ( 豚p r 2 e - 丌 ( - 1 一p 2 。2 。) d ) b ( 2 - 2 2 ) 式中6 ：影响输气管终点与起点高差的系数；c ：影响输气管管段上 气体线速度变化的系数。 如输气管的计算不考虑速度变化的影响，则系数c = 1 ；并且如果 输气管是水平的，则6 = 0 ，因此以上公式可简化为： m ：只衅二曼丝 ( 2 2 3 ) v , a z r t 此公式是高压和中压输气管的基本计算公式，它适用于当输气管的高 差和气体的线速度的变化可忽略不计的情况。 天然气管网是由节点和元件组成的有向图。如图卜2 所示，其中 节点是系统的压力参考点，进出气点或元件连接点，用节点压力和节 点输入来描述：管网系统通过节点同外界联系( 用户、气源) 。元件是 连接于节点间的输气设备，可以有管道、调节阀、压缩机等形式，它 们实现了特定的：i = 艺要求。天然气在流经这些节点、元件时，应满足 上述基本方程。管网系统仿真模拟就是利用这些基本方程，建立相应 的数学模型来模拟天然气在管道内的运行规律“6 。 天然气管网的稳态仿真研究 剧12 天然气管h 模型分布剧 管网中流动的气体遵循质量：于恒关系，即满足下列方程”“： y m ，= 0( 2 2 4 ) 面 式中：胛：为浚节点所连接的元件总数；“为节点所连接的元件号， i = 0 指系统在该节点的输入，i = 0 ，h ；m i ：为元件i 流入该节点的 质量流量，流出为负。该方程反映了节点的质量守恒关系，即同一时 刻进出节点的气体总量为零。 对于任意结构的具有5 个元件和个节点的天然气管网，管网稳 态仿真是以( 2 2 3 ) 式为基础对管网系统进行模拟的，考虑其静念流动 特性可得各个元件流量和其两端节点压力刚的关系式，将该关系式代 入节点质量守恒关系式。采用节点压力法，即以节点压力为未知量， 根掘进、出节点的流量平衡，建立其静态仿真模型： j ! ：( 舅，一- 只) 删，f ：l ，n ( 2 - 2 5 ) ( ) = c 、 式中：尸：节点，的压力；m ，：节点，的进气量：q ：代表，节点的压 力( 尸) 或输入( m ) ；c ：对应于q 的己知值( 压力或输入) 。 这样就将天然气管网模型稳态流动转化为非线性代数方程组，解 此方程组即可实现特定目标的静态仿真。 西安理工夫学硕士学位论文 2 3 仿真实例分析 利用上述天然气管网稳惫仿真算法对陕西省天然气管网系统靖边 首站至渭南站集输管嘲进行稳念仿真分析，管网结构如图卜3 所示， 分为两条管线一条为靖边首站宝鸡站，全长为6 1 7 9l ( f i ；第二条线为 靖边首站一西安站全长为4 8 2 4 7 k m 两条管线在泾河站分开。 由于集输气站站场压损较少，在绘制仿真国时把站场看成一个节 | 璺| 1 3 陕两省站边首站一宝鸡站，蚺边前站一两安站集输管删仿真模拟龋 点，即气体在站场不产生压降，只在管件上产生压降，而流量的变化 只能出现在节点上，元件内部不产生流量的变化。取2 0 0 0 年7 月份生 产数据进行模拟，其基础数据和特性参数如下： ( 1 ) 气体特性 气体温度：2 9 3 15 k ；气体密度：0 7 5 0k g m 。 表卜1 管道数据表表i 一2 管心系统边羿条件表 管件 管件名称 规格k 度峰阻 0 m k i i i 系数 l靖化线4 2 6 7 82 3 0 o l 2 化延线 4 2 6 6 8 7 10 0 l 3延富线4 2 68 0 ，2 70 0 t 4 富揖线 4 2 6 6 3 30 0 】 5 报制线4 2 6 7 1 0 2 0 0l 6 制泾线 4 2 6 8 3 7 20 0 l 7 泽成线4 2 6 2 7 5 50 0 l 8 威杨线 4 2 6 6 3 8 l0 o l 9杨虢线4 2 6 6 9 90 0 1 1 0 虢宝线 4 2 6 】140 0 l i l泽两线2 1 99 5 40 0 1 1 2 两临线 2 1 92 4 9 4o 0 1 1 3 临消线 2 1 9 2 6 20 0 1 摊力 流量 节点站名 m p a l o e 4 n m 、d 1靖边站4 5 6+ 1 8 9 2 2 化于坪站 4 2 33 4 3延生站4 0 23 2 4富县站3 7 0一1 2 黄陵站3 5 00 8 6制川i 站3 1 2一1 o 泽河站2 9 00 8咸m 站2 7 6- 3 0 9 杨凌站2 7 4- 4 0 1 0虢镇站2 7 20 l l 宝鸡站 2 7 0 2 6 0 】2两芷站2 0 99 7 i3 临潼站2 0 90 1 4 消南站 20 82 天然气管网的稳态仿真研究 ( 2 ) 管道数据 表卜1 中的摩阻系数为使用精密仪器在现场测量压力、流量参数 后利用管道模型计算的数据。 ( 3 ) 管网系统边界条件( 2 0 0 0 年7 月乍产数据) 管网系统边界条件，见表12 。表中进气为“+ ”，出气为“一”， 对管网系统两端起点为“+ ”，终点为“一”。 靖边酋站的天然气一直有压力要求，因此在靖边首站控制压力， 其余站点控制流量，从而计算各市点处压力以及宝鸡站的晟低压力。 通过计算，各节点压力与现场实测数据基本吻合，计算结果与实测数 据对比见表1 3 。 表13 稳态模拟汁算肤力。j 实铡胍力对比表 琏力，m i ，a 节点站名 珙差， 计算结果实测数据 l站边站4 5 64 5 6 2 化了坪站 4 2 04 2 307 1 3艇宜站39 640 2i 4 9 4 亩县站 3 6 637 01 0 8 黄陵站： 毒i3 5 02 5 7 6制川站3 i 03 120 6 4 7 羟i i _ 站 27 5 2 9 05 1 7 8 成m 站 27 32 7 61 0 9 9杨凌站 27 22 7 4 o 7 3 1 0 虢镇站 27 027 20 7 4 1 1宝鸡站2 6 62 7 0l4 8 1 2 西安站 2 0 820 90 4 8 1 3临漳站2 0 7 20 9 0 9 6 1 4洲南站 2 0 620 8 09 6 从表卜3 可看出，在靖边首站控制压力为4 5 6 m p a 的情况下，宝 鸡站的最低压力需要在2 6 6 _ i p a 以上。同时从表卜3 可看出宝鸡站的 实测压力大于模拟计算值，原因可能有两个：实测压力有误差：管线 摩阻系数取值过大。 在计算中，摩阻系数取某一时间的计算值，而在实际生产中，摩 阻系数是随生产状况的不同而变化的，管线使用年限越长或管内越脏， 西安理工大学硕士学位论文 其摩阻系数越大，从而其管输压损也将越大。 s t l t i cs i m u l a t i o no f h “u 酬b e 9 蛳s m u m j o n 。r n 缸啪l6 j s 是 j j 、 、二： 口1 4 口0即0 d _ s t a n c e ( k m l 十? 、 、 幽14 管线稳态仿真模拟削( a ) 站边首站一宝鸩站；扎，站边苘站一西蟹站 图卜4 显示了陕西省天然气公司管网系统两条管线的稳态仿真曲 线。图卜4 ( a ) 为靖边首站一宝鸡站管线各站点的压力，图卜4 ( b ) 为靖 边首站一西安站管线各站点的压力，可以看出两条管线的仿真值与实测 数据误差较小，满足实际工程的需要。 通过上述仿真实例分析，我们可以得出压缩系数，摩阻系数对结 果影响较大。 从理论上说压缩系数取自加了修正系数的气体状态克拉柏龙方 程，是真实气体与理想气体定律的偏差系数，从压缩系数与气体对比 参数( 温度和压力) 的关系曲线中可看出，压缩系数在对比压力为1 0 之前随对比压力增大而减小，当对比压力大于1 0 之后，随对比压力 增大而增大。在实际的数值计算中我们也可以得到压缩系数的变化趋 势和理论值相似的，在实际的工程计算中，通过真实数值计算可以得 出压缩系数的数值一般在1 o 以内。 在天然气流量计算公式中，最复杂的系数是摩阻系数的确定。理 论上摩阻系数与天然气的雷诺数( r e y n o l d s n u m b e r ) ，管道的粗糙度 有关。“。当天然气在管道内以层流的形式流动时，摩阻系数只与天然 气的流量有关，随雷诺数的增加而下降，当雷诺数大于2 0 0 0 时，管道 3 i善l$ 天然气管网的穗态仿真研究 内的气体从层流的形式转化为紊流的过渡区域，摩阻系数迅速增加， 当雷诺数大于3 2 5 0 时，管道内的气体出现部分紊流，摩阻系数再一次 降低，但管道的粗糙度又限制了摩阻系数迅速f 降。 在实际的工程计算中，由于摩阻系数是随生产状况的不同而变化 的，其计算公式很复杂，我们通常采用精密仪器在现场测量压力、流 量参数后利用摩阻计算公式计算，得到一定时问的计算值。我们在其 它条件不变的情况下，改变陕西省天然气管网系统中段管线的摩阻 系数( 改变泾河站至诚阳站的摩阻系数) ，进行仿真计算。通过计算我 们得出将泾咸线的摩阻系数改大后，模拟计算出的咸阳站的压力也变 大，由此可见，若改变系统的摩阻系数，整个管网的节点压力也将发 生变化，这与理论和实际相吻合。 2 4 小结 本章简要概述了天然气管路输送的丁艺基础，对天然气管网的输 气管类型、天然气的物理性质作了简单的介绍。 详细的阐述了天然气在管网系统中稳定流念下的水力计算问题的 基本原理、方法，针对实际工况改进了算法，并利用该算法对陕西省 天然气管网系统靖边首站至渭南站集输管网进行稳态仿真计算，验证 了其算法的准确性和有效性。 天然气管网的动态仿真研究 3 天然气管网的动态仿真研究 天然气管网的动态仿真主要是针对天然气在管网中不稳定流动的 问题而提出的，引起输气管中气体不稳定流动的原因可能是各式各样 的，其中有：用气量的变化、缓冲用户的接通和切断、压缩机组的开 关和关掉、截流阀门的关闭、发生事故性工况如泄露和堵塞。当事故 发生后，流量和压力沿管线发生变化，且与时问有关，利用天然气管 网动态仿真分析即可确定管线是否泄露、堵塞以及事故发生的具体位 置和时间。 从物理量的角度来考虑，流量和压力沿管线发生变化，经过一定 时间后管网系统会建立一个新的平衡，在进行动态计算时，即要考虑 时间又要考虑位移对管道系统各点压强和流量的影响。 3 1 数学模型在动态计算中的应用 矿场输气管、干线输气管，以及城市配气管的水力计算通常是从 气体稳定流动的条件出发的。但是气体在不同输气管中的流动在许多 情况下是不稳定的，即随时问而变化，其压力和流量随时问在输气管 沿线不断发生变化。 数学模拟是一种借助于数学模型从定量方面和定性方面来描述各 种过程的方法。应用数学模拟时，要把实际的： 艺过程进行简化、概 括，然后用数学方法对所得到的工艺过程的概型进行描述。在这种概 型中应考虑所有本质的因素，而不应堆砌许多使数学分析复杂化和与 实际应用无关紧要的细节。分析各种数学模型时，决不能忽略的是： 管路系统的参数应该根据实际操作数据和实验数据确定。 在有关干线输气管的不稳定过程分析的著作中，天然气在管道内 的流动，通常采用的是下列方程组”。”。： 西安理工大学硕士学位论文 f o p + 掣：o ( 3 - l a ) 戳a x 、 f i o p + 掣+ 烈+ p g f ：o ( 3 - l b ) 西 2 d p f 二= z r t ( 3 一l c ) p 式中，：管道流通截面积，m ! ；p ：天然气密度，k g m 3 ；d ：管径， m ；t ：天然气温度，k ：z ：压缩系数；，：时f n j ，s ；m ：天然气 质量流量，堙肛；l ：水力摩阻系数；x ：管长变量，m ；p ：天然 气绝对压力，p a ；g ：重力加速度，m s 2 ；h ：管道高程，m 。 ( 3 - 1 a ) 式表示的是气量的平衡。( 3 - l b ) 式考虑了消耗于摩阻的能量 损失、克服管路高差的能量损失、以及克服惯性阻力的能量损失。( 3 - l c ) 式为气体的状态方程。 为简化此方程组，我们引入一个系数a ，称为压力波传播速度。”1 ： 口2 = z r t ( 3 - 2 ) 把( 3 2 ) 式带入( 3 一l c ) 式中，可得： p = ( 3 3 ) 把( 3 3 ) 式带入( 3 一l a ) 式、( 3 一l b ) 式中。可得： 一o p + 生坐：0 f 3 4 a 1 研f 撕 专警+ 竺+ 加2 m i m i o x 2 d fp + 争s i n ( 3 - 。b ) f 西 二 d 2 、。 式中0 ：管道与水平面涮的央角。 ( 3 4 ) 式即为天然气在管道内瞬态流动特性的动力学方程。”。 为求解实际问题，般给定初始条件和边界条件二”“。 ( 1 ) 初始条件：就是所给定的初始时刻的压力分布，例如： 9 查鉴垒量璺塑垄查笪墨堕垄 p ( x ，0 ) ：e o o ) ( 3 - 5 ) f 2 1 边界