（油气储运工程专业论文）输气干线管网瞬态模拟仿真与优化技术研究.pdf

中图分类号：t e 8 3 2 寸阂石油六学 单位代码： 学号： 硕士学位论文 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 输气干线管网瞬态模拟仿真与优化技术研究 1 0 4 2 5 s 0 7 0 6 0 7 3 9 s t u d i e so nt r a n s i e n ts i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y f o rt r u n kg a sn e t w o r k 学科专业：油气储运工程 研究方向：油气长距离管输技术 作者姓名：沈孝风 指导教师：李玉星教授 二。一。年五月 i l ll lllrj ii i f i iipi lll li 17 7 7 6 2 8 s t u d i e so nt r a n s i e n ts i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y f o rt r u n kg a sn e t w o r k at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s h e nx i a o f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f l iy u x i n g c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o n a n da r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：兰釜麦壁旦 日期：上o l o 年j 月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日 日 ，i-i 纠衫 月 月奎了 年 年 d 9 d 函 洲 如 期 期 摘要 随着天然气开发、利用的日益增长，输气干线管网逐渐向高压力、大口径、复杂化 的方向发展，因此运行管理难度相应增加。通过管网瞬态模拟仿真掌握管网的运行规律， 对于管网的合理调度和优化运行设计具有重要的实际意义。 针对天然气在管网系统中的稳定及不稳定流动特性，以流体的连续性方程、运动方 程、能量方程和b w r s 状态方程为基础建立了准确的管网仿真数学模型。对于稳态仿 真，等温流动采用节点法建立模型并采用改进的平方根法对方程组求解；不等温流动， 采用四阶龙格库塔法数值求解。瞬态仿真采用对时间步长要求不严格、稳定性好的隐 式中心差分法将微分方程转化为差分方程，并采用牛顿一拉夫逊法求解非线性方程组， 放宽了对迭代初值的要求。 编制的管网稳态、瞬态仿真程序适应性较强，在压力和流速较低时，采用等温仿真 结果就可满足工业应用要求，而对于高压输气干线管网则可采用一般管网仿真程序来达 到准确度的要求，从而减少资源的浪费。在程序实现过程中，采用组合法对管网系统进 行计算机表示，使其对各种形式的管网结构存储和读取都较为方便；针对管网模型中雅 克比矩阵高稀疏性的特点，采用三元组顺序表只对矩阵中的非零元素进行存储，提高了 程序的存储和计算效率。而且经过大量仿真实例以及部分仿真结果与t g n e t 和s p s 软 件的对比验证了程序的可靠性较高。 针对川气东送管道工程，利用一般管网仿真程序对其进行模拟仿真和工艺系统优化 分析，包括压气站的优化布置分析，内涂层设置优化分析，地温对输气系统的影响分析 以及储气调峰分析等。通过仿真和优化得出以下结论：合理的压气站布站方式能够节能 降耗、节省投资；输气干线设置内涂层不但能够减缓腐蚀，而且能够提高输气效率，降 低管道运行成本；环境温度的升高会使压缩机的运行工况变差，管道输气效率降低；合 理的利用管线末段储气调峰的规律，可以很好的解决短期供气与用气的不平衡问题。 关键词：输气管网，瞬态模拟仿真，优化分析，隐式中心差分，川气东送管道 s t u d i e so nt r a n s i e n ts i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y f o rt r u n kg a sn e t w o r k s h e nx i a o f e n g ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iy u x i n g a b s t r ac t w i t ht h ee x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no fn a t u r a lg a si n c r e a s i n g ，t h ec o n s t r u c t i o no fl a r g e d i a m e t e r , h i g h p r e s s u r e ，l o n g - d i s t a n c e a n dc o m p l i c a t i o nb e c o m et h et r e n do ft r u n kg a s n e t w o r kn o w s ot h em a n a g e m e n to fg a sn e t w o r kr e s p o n d st ob e i n gm o r ed i f f i c u l t w i t ht h e s i m u l a t i o no fg a sn e m o r k ，w ec a nk n o wt h en e t w o r k so p e r a t i n gl a ww e l l i th a sf a c t u a l m e a n i n gf o rg a sn e t w o r k sr a t i o n a ld i s p a t c ha n do p t i m u mo p e r a t i o n w i t hm ea n a l y s i so fs t e a d y s t a t ea n du n s t e a d y s t a t ef l o w , i ts e t su pe x a c tm a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o nm o d e lr e f l e c t i n gt h eg a sf l o wi ng a sn e t w o r k s ，e s t a b l i s h e do ne q u a t i o n so fm a s s c o n s e r v a t i o n m o m e n t u mc o n s e r v a t i o n ，e n e r g yc o n s e r v a t i o na n db w r ss t a t ee q u a t i o nf o r r e a lg a s e s f o rs t e a d y s t a t es i m u l a t i o n ，n o d a la p p r o a c h i su s e dt oe s t a b l i s hi s o t h e r m a l n e t 、v o r l ( s s i m u l a t i o nm o d e la n dw i t hi m p r o v e ds q u a r er o o tm e t h o dt os o l v ee q u a t i o n s a n d f o u r - o r d e rr u n g e k u t t an u m e r i c a lc o m p u t i n gm e t h o di s u s e dt os o l v en o n i s o t h e r m a l n e t w o r k s f o ru n s t e a d y s t a t es i m u l a t i o n ，t h ei m p l i c i tc e n t r a ld i f f e r e n c em e t h o di s u s e dt o t r 觚s f o r md a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n si n t od i f f e r e n c ee q u a t i o n sb e c a u s ei t st i m e s t e pi s n t s t r i c ta n di th a sg o o ds t a b i l i t y n e w t o n r a l f s o n sm e t h o di su s e dt os o l v en o n l i n e a re q u a t i o n s b e c a u s eo fi t sr e l a x a t i o no ft h er e q u i r e m e n t sf o ri n i t i a li t e r a t i o n t h es t e a d y s t a t ea n du n s t e a d y s t a t es i m u l a t i o np r o g r a mf o rg a sn e t w o r k si sa d a p t a b l e w h e nt h ep r e s s u r ea n df l o wr a t ea r el o w , i s o t h e r m a ls i m u l a t i o np r o g r a mi su s e dt og e tt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s a n dn o n i s o t h e r m a ls i m u l a t i o np r o g r a mi su s e dt om e e tm o r ea c c u r a c y r e q u i r e m e n t s a sar e s u l t ，i tc a nr e d u c et h ew a s t eo fr e s o u r c e s i nt h ep r o c e s so fp r o g r a m s i m p l e m e n t a t i o n c o m b i n a t i o nm e t h o di su s e dt o s a v et h es t r u c t u r eo fg a sn e t w o r k ss ot h a ta l l f o r m so fg a sn e t w o r ks t r u c t u r e sa r ec o n v e n i e n tt os t o r ea n dr e a d t r i p l et a b l ei su s e dt oo n l y s t o r en o n z e r 0m a t r i x e l e m e n t st oi m p r o v et h ep r o g r a m se f f i c i e n c y o f s t o r a g e a n d c o m p u t a t i o nb e c a u s es i m u l m i o nm o d e l s j a c o b i a nm a t r i xi ss e r i o u ss p a r s e w i t haf e w s i m u l a t i o ne x a m p i e sa n ds o m es i m u l m i o nr e s u l t sc o m p a r e dw i t ht g n e t sa n ds p s s ， s i m u l m i o np r o g r a m sh i g h e rr e l i a b i l i t yi sv e r i f i e d f o rs i c h u a nt oe a s tp i p e l i n ep r o j e c t ，n o n i s o t h e r m a ls i m u l m i o np r o g r a mi sa p p l i e dt o s i m u l a t ei t so p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n d o p t i m i z ei t sp r o c e s ss y s t e m s ，s u c ha st h eo p t i m a ls e t t i n g o fc o m p r e s s o rs t a t i o n s ，t h es e t t i n go fc o a t i n g ，t h ei n f l u e n c eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r et og a s n e t w o r k so p e r a t i o na n dt h ep r o b l e mo fs t o r a g ea n dp e a k i n g ，e t c f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa le r e a c h e db ys i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ：ar e a s o n a b l ec o m p r e s s o rs t a t i o n ss e t t i n gc a ns a v e e n e r g ya n di n v e s t m e n t ；t r u n kg a sl i n e ss e t t i n gw i t ht h ec o a t i n gc a nn o to n l ys l o wd o w n c o r r o s i o n ，b u ta l s oc a ni m p r o v eg a ss u p p l ye f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ec o s to ft h ep i p e l i n e s ；t h e r i s i n go fa m b i e n tt e m p e r a t u r ew o u l dn o to n l ym a k ec o m p r e s s o r s o p e r a t i n gc o n d i t i o n s d e t e r i o r a t e ，b u ta l s or e d u c et h ee f f i c i e n c yo fp i p e l i n e s ；r a t i o n a lu s eo ft h el a wo ft h el a s t p a r a g r a p hp i p e l i n e ss t o r a g ea n dp e a k i n gc a nb eag o o ds o l u t i o nt ot h es h o r t t e r mi m b a l a n c e o fg a ss u p p l ya n d u s i n g k e y w o r d s ：g a sn e t w o r k ，u n s t e a d y - s t a t es i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，i m p l i c i tc e n t r a ld i f f e r e n c e ， s i c h u a nt oe a s tp i p e l i n e 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 天然气管网仿真方法研究现状1 1 2 2 天然气管网仿真软件研究现状。3 1 3 本文的主要研究工作6 第二章天然气管网模拟仿真计算基础7 2 1 天然气的状态方程( b w r s 方程) 7 2 2 天然气的相关热物性的计算8 2 2 1 气体的密度及压缩因子8 2 2 2 气体的粘度9 2 2 3 气体的比热一9 2 2 4 气体的焓1o 2 2 5 气体物性求解实例1o 2 3 摩阻系数的计算1 1 2 4 实用流动方程一1 3 2 5 总传热系数的计算1 4 2 6 管网图的表示方法l5 2 6 1 管网图的矩阵表示方法15 2 6 2 管网图的计算机表示方法16 2 7 本章小结l 8 第三章输气管网稳态模拟仿真1 9 3 1 等温输气管网稳态仿真模型建立与求解19 3 1 1 数学模型的建立1 9 3 1 2 管网导纳矩阵的直接生成及压缩存储2 2 3 1 3 模型的求解一2 3 3 1 4 具有非管元件的管网模拟方法2 4 3 1 5 程序流程图2 5 3 2 般输气管道稳态仿真模型建立与求解2 6 3 2 1 数学模型的建立2 6 3 2 2 模型中的基本微分2 8 3 2 3 模型的求解2 9 3 2 4 压缩机模型3 2 3 2 5 程序流程图3 4 3 3 仿真实例3 4 3 4 本章小结4 2 第四章输气管网瞬态模拟仿真4 3 4 1 等温输气管网瞬态仿真模型建立与求解4 3 4 1 1 数学模型的建立4 3 4 1 2 初始条件和边界条件4 5 4 1 3 模型的求解4 5 4 1 4 程序流程图5 1 4 2 一般输气管道瞬态仿真模型建立与求解5 2 4 2 1 数学模型的建立5 2 4 2 2 初始条件和边界条件5 3 4 2 3 模型的求解5 4 4 2 4 程序流程图5 7 4 3 仿真实例5 8 4 4 本章小结6 5 第五章管网瞬态仿真在川气东送工程中的应用6 6 5 1 工程设计建设状况6 6 5 2 川气东送管道基本参数6 6 5 2 1 川气东送管道物理结构参数6 6 5 2 2 川气东送管道设计参数6 7 5 2 3 气源组分及物性参数6 9 5 3 模拟结果准确性验证7 0 5 4 工艺系统优化分析7 6 5 4 1 压气站优化布置分析7 6 5 4 2 内涂层设置优化分析8 3 5 4 3 地温变化对输气系统的影响8 7 v 5 5 储气与调峰分析9 0 5 5 1 储气调峰方式9 1 5 5 2 季节储气调峰分析9 2 5 5 3 管道末段储气分析9 4 5 6 本章小结9 9 结论与建议10 0 结论一1 0 0 建议1 0 1 参考文献1 0 2 附录1 0 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果1 0 8 致谢1 0 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 随着经济的发展，天然气开发及使用规模在不断增大。先是西气东输长距离输气管 的运行，再是川气东送管线的投产，我国的天然气管网系统日趋庞大和复杂。管网的复 杂性表现在：气源压力、管网流量增大，支路、环路、压气站增多，输气距离增长，管 径多样化等方面。随之而来的问题就是难以保证管网的安全可靠、优化运行。 为了保证天然气管网安全可靠、优化运行，必须掌握天然气在管道内的运行规律， 合理地确定管道系统的设计和改造方案，提高管道系统的调度管理水平，因此对天然气 管网进行模拟仿真是解决以上问题的基础和关键。 天然气管网的模拟仿真是利用天然气在管道中流动的数学模型来描述的，它是一组 非线性的偏微分方程组，没有解析解，只能在一定条件下以简化、线性化和数值化的方 法求得近似解。因此，只有借助飞速发展的计算机技术，以及不断完善的数值计算方法， 才使得我们可能解决这个复杂的工程问题。 管网模拟仿真包括稳态仿真和瞬态仿真两方面。稳态仿真是进行管网设计的有力工 具，是选取管网结构和参数方案的依据，例如设计管道的直径、储气调峰方案、压气站 方案等。稳态仿真的准确性直接影响设计方案是否安全可靠与经济合理。通过管网的瞬 态仿真，能够模拟管网运行参数随时间的变化，可以针对不同的工艺设计方案，例如调 峰、管道放空、断裂突发事故等，进行瞬态计算，根据计算结果，提出好的解决方案， 从而保障有效的调度管理和及时发现并处理突发事故。 由此可见，开展管网模拟仿真研究对于我国天然气管网的建设与管理具有重要意 义。 1 2 国内外研究现状 西方发达国家油气管道仿真技术经过6 0 多年的发展，离线与在线仿真都已成功地 应用到实际生产当中。在这方面，我国与国外发达国家相比还存在很大的差距。但是， 近几年随着我国天然气以及计算机技术的发展，我国的天然气工业也逐步走向计算机 化、自动化，并且国内的一些仿真软件也得到了初步应用。 1 2 1 天然气管网仿真方法研究现状【2 川4 7 】 2 0 世纪4 0 年代至6 0 年代，国外主要从事稳态仿真，并提出了较为成熟的天然气管 网稳态与瞬态计算理论，建立了数十个管网水力计算公式和合适的计算方法，例如，威 第一章绪论 莫斯公式、潘汉德尔a 、潘汉德尔b 、前苏公式等。在确定了水力参数以后，再根据苏 霍夫公式对管网进行热力计算。但是这些公式只考虑了气体流动的连续性方程和动量方 程，忽略了流动参数随时间的变化、水力参数和热力参数之间的相互依赖关系等，求解 方法也进行了很大的简化处理。随着天然气管网的复杂化发展，简单的管网系统逐步走 向复杂的高压长距离输气管网，继续使用这些公式会产生很大的误差。现在应用的管网 模型比较准确，要同时考虑气体的连续性方程、动量方程、能量方程、状态方程、焓方 程进行数值求解。 2 0 世纪6 0 年代，欧美国家相继开始输气管道的瞬态仿真和优化运行研究。天然气 管网的瞬态计算较为复杂，数学模型是一阶二元偏微分方程组，要想求得方程组的解析 解相当困难，所以只能退而求其次求得方程组的近似解析解或数值解。 近似解析解法的处理方法是将数学模型的非线性部分线性化，转化成偏微分方程 组，然后根据初值求出解析解，线性化的方法主要有均值、恰尔内插值、最小二乘法等。 近似解析解法的主要优点是计算速度快，缺点是计算精度较差，适用于长时间范围内模 拟管网运行情况。 数值解法随着计算机技术的成熟而逐渐发展起来。数值解法主要是有限差分法，该 方法的原理是把偏微分方程转化成差分方程，然后用数值迭代方法求解差分方程。偏微 分方程转化成差分方程的方法主要有特征线法、隐式中心法、泰勒展开法等。数值解法 的优点是计算精度高而且计算较灵活，缺点是求解速度不如近似解析解法快。但是随着 计算机水平的提高，现在的数值解法的计算速度已有较大的提高。现在的各个输气管道 仿真软件采用的数学方法基本都是数值解法中的隐式中心差分法和特征线法。 隐式中心差分法和特征线法，两者相比各有如下优缺点： ( 1 ) 隐式中心差分法； 优点：这种方法不受稳定条件的限制，时间步长只影响计算精度【1 1 。但是实际的运 算结果表明，此影响对于输气管的慢瞬变流来说很小，因此时间步长可以取得大点，从 而减少了求解层数，保证求解速度。缺点：该方法求解时，要将待求的时间层上的所有 未知量( 所有节点和管道内部网格点) 全部联立，建立高维非线性代数方程组进行求解。 因此，对于复杂的大型管网而言，所求的非线性方程组会相当庞大，因此造成运算量剧 增，计算速度锐减。 ( 2 ) 特征线法； 优点：该方法利用原数学模型的特征，将偏微分方程转化为沿特征线上的全微分问 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 题，能对各种边界条件进行显式处理，不需要求解庞大的非线性方程组，易于求解。缺 点：时间步长和管段步长要满足一定的稳定条件，才能保证数值稳定性，因此时间步长 只能取很小。这就造成了这样的问题：如果分析过程较长，就要消耗很长的计算时间。 以上两种方法各有优缺点，要视具体的模拟仿真对象而采取合适的求解方法。需要 注意的是以上两种方法都无法避免瞬态时的摩阻计算，因此，如何选择摩阻的计算公式 也是影响计算精度的重要因素之一。 1 2 2 天然气管网仿真软件研究现状 目前，商业仿真软件已经主宰了世界输气管道的仿真领域，成为各大设计院以及管 道公司设计管理的主要工具。输气管道仿真软件主要应用于4 个领域：管道设计、管道 运行、管道调度和操作人员培训。下面对国内外仿真软件的发展做一下归纳。 1 、国外仿真软件发展【3 6 f 2 1 】 国外商业仿真软件发展历史较长，且在功能、性能、用户界面方面都已经达到了较 高的水平。国外管道领域应用的主流软件有：t g n e t 、s p s 、l i c 、s i m o n e 、g r e e c 等，他们在各国都有广泛的应用。除此之外，一些国家还自主研发了自己的仿真软件， 例如，韩国的g n a p 软件、澳大利亚的s i r o g a s 软件，加拿大的p c a s i m 软件，意 大利的d t s ( d i s p a t c h i n gt u t o r i a ls y s t e m ) 软件，法国燃气公司g a z d ef r a n c e 开发的 a c r o l o l e 软件等等。 大多数的仿真软件都有独立的稳态仿真和瞬态仿真模块，但也有个别软件没有专门 的稳态仿真模块，而是用瞬态仿真收敛到稳态工况，经过实践证明这种方法的效果并不 是很好。瞬态仿真分为离线仿真和在线仿真两种模式，两者的区别在于边界条件和初始 条件的提供方式不相同。离线仿真的初始条件可以有以下三种方式提供：由人工输入初 始条件、稳态的结果提供或者前一次瞬态仿真的结果作为初始条件；在线仿真的初始条 件则是由s c a d a 系统来提供3 9 1 。尽管各仿真软件的模式不尽相同，但是求解的数学 方法却不外乎隐式中心差分法和特征线法两种。 t g n e t ( t r a n s i e n tg a sn e t w o r k ) 仿真软件是由美国s s i 公司开发的p i p e l i n e s t u d i o ( t g n e t ) 软件。目前陕京管道，中石油管道公司科技中心，华北市政设计院， 西南市设计院，中石油和中石化系统设计院等都有使用该软件。该软件是最早被我国引 进的一套功能强大的长输管道仿真软件，既能够进行离线仿真也能与s c a d a 系统整合 进行在线仿真。该软件由多个模块组成：实时模块、预测模块、自动预测模块、管道设 计运行方案优化应用模块等。其独到之处还有，该软件能够根据气体参数的变化范围来 3 第一章绪论 自动选择模拟仿真中的时间步长，因而更好的确保计算结果的精确度，而且其计算速度 也高于实时运行速度。另外，该软件含有精确的非管设备( 如球阀、泵、止回阀及调节 阀) 的数学模型，且本软件具有较长的应用历史，经实践应用证明，它的仿真结果与实 测结果十分的接近。 s p s ( s t o n e rp i p e l i n es i m u l a t i o n ) 4 9 ，5 1 】仿真软件由美国s t o n e r 公司开发。该软件既 可以对长输管道系统水力工况和热力工况进行模拟仿真，又可以对系统进行控制调节， 其模拟控制对象可以是实际的管道系统，也可以对管道的控制逻辑进行模拟，因此这一 点对于实际应用、方案预定和职工培训非常有利。s p s 的模拟结果可以显示管路纵断面 图的变化，也可实时显示管道、设备的运行参数变化，并对模拟数据进行多种形式的输 出。 t g n e t 和s p s 身为国际公认的两大长输管道仿真软件，仿真结果相近，具有相当 高的仿真准确度。但是，两者在建模、求解以及结果的显示等方面还有着较大的差距。 t g n e t 的仿真速度不如s p s ，特别是瞬态模拟过程，而且s p s 一旦启动计算，就能实 时查看仿真趋势和结果，t g n e t 只能在运算结束后查看。但是s p s 的模型建立和仿真 结果查看都比t g n g t 要麻烦的多，s p s 模型建立过程中除了建模还必须要按照s p s 自 定义的语言格式编写一个i n t r a n 文件；在瞬态查看结果时，需要建立i n g r a f 文件， 运行g r a f 后才能查看软件自己生成的o u t g r a f 运行结果文档。然而，t g n e t 却不 需要编写这些程序，而直接查看结果。s p s 的逻辑控制方式非常丰富，原因就在于它的 i n t r a n 文件的强大功能，然而，t g n e t 却几乎没有什么逻辑控制。因此说，两个软 件相比，其准确度差不多，可是s p s 软件功能较为强大，运算速度较快，只是人机界面 不如t g n e t 友好，不易理解，且操作不是很方便。 加拿大n o v a c o r p 公司开发的p c a s i m 输气管道系统稳态模拟软件于8 0 年代初投入 使用。该软件可对包含压缩机、阀门等的复杂输气管网和输气干线进行仿真。9 0 年代初 我国曾应用该软件对四川输配气系统进行改造和扩建，获得了较好的效果。该软件采用 的状态方程为b w r s 方程，用户可根据具体情况进行模拟公式的选择，其模拟公式包 括四个公式：美国天然气协会( a g a ) 公式，潘汉德尔公式，修正潘汉德尔公式，科尔 布鲁克怀特公式。另外，该软件具有输气能力计算、加副线计算、敏感性分析、沿线 压力、温度计算、流量分配计算、压缩机参数计算等功能模块。 自从2 0 世纪8 0 年代我国就开始引进国外的商业化输气管仿真软件，目前为止，各 主流软件几乎都在我国有所应用，但是就实际的应用情况来讲并非令人满意。这些仿真 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 软件价格昂贵，却没有达到很好的经济效益。一方面，由于设计管理人员对于软件的掌 握不够全面和深入，因此软件功能不能得到全面的利用，造成很大的资源浪费；另一方 面，由于某些仿真软件自身的特点和缺陷也限制了它的应用效果。事实上，目前流行的 商业仿真软件在许多方面还有不尽人意的地方，例如，软件开发人员大多不具有深厚的 管道工艺专业背景，使得仿真模型中使用的一些术语不规范、模型中要求输入的数据很 难获得、当模拟方案不合理时还在进行没有物理意义的仿真等，而降低了软件的实用性 和适用性。 2 、国内仿真软件发展 我国的管道仿真起步较晚，仿真软件方面与国外存在很大的差距。但是经过近几年 的努力，从2 0 世纪8 0 年代起也成功研发了一些输气管道仿真软件，并且得到了初步应 用。但是，由于国内开发的软件没有良好的商业化和国际化条件，因此在国际专业软件 的强烈冲击下，没能得到很好的推广。 2 0 世纪8 0 年代，中国石油大学( 北京) 孟伟等人开发的g p t r a n 软件，当时在海 南深圳( 琼深线) 输气管道的工艺方案论证中获得了成功的应用。 另外，西南石油大学开发的g a s f l o w 和e g p n s 瞬态仿真软件，中国石油大学研 发的稳态优化运行软件g p n o p t 2 以及西气东输稳态优化运行软件w e g p o p t 等。 西南石油大学袁崇明、汪玉春、李长俊等人在建立数学模型和求解模型所采用的数 学方法上作了许多探讨，并且取得了一定的成果。并且，其开发的g a s f l o w 和e g p n s 瞬态仿真软件已得到了初步应用，商品化程度较高。 e g p n s 软件功能较为全面，适合各类气体管道系统的仿真。其主要功能包括：l 、 对管道系统设计、改造和运行的方案论证；2 、计算确定管道系统压缩机配置；3 、对管 道系统进行储气调峰分析，对调峰方案进行评价；4 、分析管道系统事故工况；5 、对管 道系统进行敏感性分析等。g a s f l o w 软件适用于各种管网结构，能够适用于多种设备 及众多气源和用户组成的环状及枝状管网。能够对天然气管网作如下分析计算：1 、管 网的稳态和瞬态仿真研究；2 、分析管网的运行状态；3 、天然气管网的储气调峰分析； 4 、天然气管网事故工况分析及评价等。以上两套软件的建立过程中均忽略了温度变化 对其运行参数的影响，因此，其计算结果适用于低中压输气管网，但对于长距离高压输 气管网而言，计算将会有较大的误差。 中国石油大学吴长春等人与石油规划总院合作研发了稳态优化运行软件 g p n o p t 2 ，该软件主要针对干线输气管道( 管网) 稳态优化运行方面。2 0 0 2 年，中国 5 第一章绪论 石油大学又开发了应用于西气东输管道的稳态优化运行软件w e g p o p t 。 除此之外，哈尔滨工业大学、天津大学、同济大学、重庆大学等都在管网的模拟仿 真方面也取得了较大的研究成果。目前，由于受到瞬态仿真研究水平的限制，我国在管 道与s c a d a 系统整合进行管道系统在线仿真方面还没有进行过任何研究工作，这方面 将是我国学者今后研究的一个重要方向。 1 3 本文的主要研究工作 本文主要以管网的稳态仿真研究为基础，管网的瞬态仿真研究为中心，以编制管网 的稳态、瞬态仿真程序为目的，以川气东送管道进行各种工况模拟和优化分析为案例， 对输气干线管网的瞬态模拟仿真与优化技术进行了较为全面的研究。本文所做的研究工 作主要包括以下方面： 1 、依据目前认为最精确的气体状态方程b w r s 状态方程，编制气体物性包，实现 对不同组分天然气，在不同压力、温度状态下的各种物性参数的计算机模拟计算； 2 、以实用气体流动方程为基础，建立等温管网稳定流动的数学模型，并采用改进 的平方根法进行数值求解； 3 、以连续性方程、动量方程、能量方程为基础，建立一般管网稳定流动的数学模 型，并采用四阶龙格一库塔法对该数学模型进行数值求解； 4 、以连续性方程、动量方程为基础，建立等温管网瞬态仿真数学模型，并以等温 管网稳态仿真提供初始条件，采用隐式中心差分法对模型进行数值求解； 5 、建立一般管网的瞬态仿真数学模型，以一般管网稳态仿真提供初始条件，并采 用隐式中心差分法对该模型进行数值求解； 6 、以川气东送工程为应用实例，应用自己编制的一般管网的稳态、瞬态仿真程序 对其进行各种工况模拟仿真和优化分析，实现压气站的优化布置分析，内涂层设置优化 分析和地温对输气系统的影响分析，以及输气管线的储气调峰分析等工程应用。 6 中国石油大学( 华东j 硕士学位论文 第二罩天然气管网模拟仿其计算基石出 2 1 天然气的状态方程( b w r s 方程) 【1 3 1 】 b w r s 状态方程是一个多常数的状态方程，该方程是在1 9 7 0 年，由s t a r l i n g - h a n 提出的，它是对b w r ( b e n e d i c t - w e b b r u b i n ) 状态方程改进而得到。b w r s 方程应用 范围较宽，且在高压、低温下的准确度都较高。b w r s 状态方程被认为是目前用于天然 气计算最精确能j ；b - 程式之一。 p2 p r 丁+ c 岛灭丁= 4 一争+ 争一争，p 2 + c 6 尺丁一口一争p 3。2 。， 吲口+ 亍d j p 6 + 等( 1 + 炉2 ) e x p ( - 炉2 ) 式中，尸一系统压力，k p a ； 丁一系统温度，k ； p 气体密度，k m o l m 35 r 气体常数，8 3 1 4 k j ( k m o l k ) 。 鸽、反、c o 、d o 、磊、a 、b 、c 、d 、口、7 为状态方程中的1 1 个参数，各参 数的计算步骤如下： 首先，由纯组份f 的临界参数、p c , 及偏心因子q 来计算纯组份f 的各参数。 舢矿小呐瓮刊z 邶z q p e c , c 1 j o i _ a 3 + b 3 t p c 2 i y i2a 4 七b 4 i 蠢6 j 吐坞q 舒2 - a 6 + 酏 如刊，邶，q 镑2 4 + 她 舒= 鸣+ 岛q 筹2 刊一啪 可p c i e o l - 4 1 + b 1 1 哆e x p ( - 3 8 c o , ) 上式中4 、e 的值( 见附录i ) 是s t a r l i n g 通过正构烷烃采用多种热力学性质分析 关联得到，在关联时对正构烷烃( 甲烷至辛烷) 所用的t c 、p c i 及偏心因子缎见附录i i 。 7 第二