高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)模擬與壅塞流動特性研究.pdf

1、天然氣作為優(yōu)質(zhì)清潔能源得到世界各國的高度重視，隨著我國粗放型經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，能源政策相應(yīng)調(diào)整，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比重不斷增加，輸送天然氣的長輸管線和城市高壓管網(wǎng)數(shù)量越來越大，儲存天然氣的設(shè)施規(guī)模不斷增大。對高壓天然氣管道的科學(xué)計算和設(shè)計，以及在實際運行中正確的判斷和調(diào)節(jié)，直接決定著高壓天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和保障城市正常供氣。在設(shè)計過程中，由于缺乏計算高壓天然氣的有效方法和工具，設(shè)計人員在水力計算過程中，往往采用穩(wěn)定流動狀態(tài)

2、代替不穩(wěn)定流動狀態(tài)進行計算，所設(shè)計的管網(wǎng)壓力、流量等參數(shù)與實際運行數(shù)據(jù)存在較大偏差。在實際生產(chǎn)運行中，缺乏與實際管網(wǎng)相匹配的模擬工具，不能準確評估出輸氣管線在各種情況下的工況，不能準確控制管線的安全穩(wěn)定運行。因此有必要針對我國高壓天然氣管網(wǎng)的實際情況，深入研究高壓天然氣管網(wǎng)中的流動狀況及影響因素，通過動態(tài)模擬找出運行參數(shù)的變化規(guī)律，并提出相應(yīng)的控制策略。
　　 鑒于此，本文采用建立高壓天然氣管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型、數(shù)值求解、動態(tài)仿真模擬、

3、實例對比分析等方法，對高壓天然氣管網(wǎng)的水力、熱力動態(tài)特性、高壓儲氣、以及壅塞流動等方面進行了研究。主要結(jié)論如下：
　　 (1)對不穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型的建立作了大量簡化：①天然氣沿程溫度按等溫考慮；②忽略質(zhì)量流量隨時間的變化；③忽略水平輸氣過程中沿程線速度變化的影響；④忽略管道位置高差的影響；⑤分別采用恰爾內(nèi)(N.A.чарный)線性化法和最小二乘法線性化方法對數(shù)學(xué)模型進行線性化處理等。本文針對目前天然氣管道不穩(wěn)定流動的計算過程中忽

4、略對流項、慣性項和中立項等問題，首次在沒有忽略任何項的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、狀態(tài)方程和焓方程所建立的數(shù)學(xué)模型的情況下，分別采用了特征線法和隱式中心有限差分法對天然氣管網(wǎng)不穩(wěn)定流進行了求數(shù)值解。采用數(shù)值解法對高壓天然氣管網(wǎng)不穩(wěn)定流動進行研究，不用對模型方程組進行簡化和復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換，求解出來的結(jié)果與管道實際運行數(shù)據(jù)更為接近。求解時要將待求的時間層次上所有的未知量聯(lián)立起來同時進行求解，求解的非線性方程組很龐大，方程組過大時求解需要

5、的時間長。為了保證數(shù)值解的穩(wěn)定性，時間步長、距離步長都不能夠取得過小。數(shù)值解考慮了氣體與外界環(huán)境的熱交換，考慮了天然氣沿程溫度變化，能夠計算出天然氣沿線的溫度分布。由于供氣與用氣的不均勻性，管網(wǎng)中天然氣的壓力、流量與溫度也隨時間波動。如果管網(wǎng)存在有分氣點，則在分氣點處氣體的壓力、溫度、密度的變化最為劇烈。
　　 (2)與隱式法相比，特征線法主要優(yōu)點在于它們能對各種邊界條件進行顯式處理，且計算占用計算機內(nèi)存較小，但其時間步長和距離

6、步長的比值受到一定穩(wěn)定條件的限制，這使得時間步長只能取得很小。如果分析時間過長時，就需要消耗很長的計算時間。在采用特征線法對天然氣管道進行數(shù)值求解時，利用逆步進法差分網(wǎng)格建立起特征差分方程，對常微分方程組結(jié)合初始條件和邊界條件進行求數(shù)值解，由于邊界節(jié)點的參數(shù)隨時間的變化比較明顯，因此該方法能提高計算精度，求解過程容易實現(xiàn)。本文還采用了適用于慢瞬變流的守恒型求解數(shù)學(xué)模型的隱式中心有限差分法，并利用Newton-Raphson法對形成的高階

7、非線性方程組進行了迭代計算。隱式中心有限差分法是隱式格式的有限差分方法，表現(xiàn)出了二階精度高、計算速度快的優(yōu)點。
　　 (3)對天然氣管網(wǎng)進行模擬時，可以單獨采用特征線法或隱式有限差分法。本文綜合考慮這兩種方法的優(yōu)點，采用綜合法求解。結(jié)果表明：在模擬高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)運行工況時，在長管元件的邊界點上采用特征線法計算，在其它情況下采用隱式中心有限差分法。根據(jù)本文所建模型及提出的解法，用Visual C++編程開發(fā)出的高壓天然氣管網(wǎng)動

8、態(tài)模擬軟件，利用實例計算驗證，計算結(jié)果可以滿足實際工程需要。
　　 (4)采用SHBWR狀態(tài)方程替代常用的對比狀態(tài)方程，采用Newton迭代法求解，大幅度提高了天然氣狀態(tài)參數(shù)的計算速度與精度。由于高壓天然氣管道中天然氣的流態(tài)一般在紊流區(qū)，因此在確定管道摩阻系數(shù)時，選擇計算較為準確的柯列勃洛克公式，采用牛頓迭代方式可以計算出管道摩阻系數(shù)。
　　 (5)對輸氣管道進行水力分析，從輸氣管道的天然氣流動基本方程出發(fā)，結(jié)合實際氣體

9、狀態(tài)方程與焓方程建立了動態(tài)模擬的數(shù)學(xué)模型；區(qū)別于以往的試算法，采用弦截法進行摩阻系數(shù)的求解，提高了計算精度。將摩阻系數(shù)公式進行變形改寫，使其與管道流量進行關(guān)聯(lián)，隨著輸氣管道流量改變而改變，減少了由于摩阻系數(shù)的定值輸入而帶來的誤差。
　　 (6)對輸氣管道的溫度變化進行熱力學(xué)分析，研究了輸氣管道內(nèi)天然氣溫度的變化規(guī)律。通過計算比較表明：單獨求解輸氣管道溫度與利用含有能量方程的穩(wěn)定流模型求解出的管道溫度基本吻合，因而單獨求解管道溫度

10、是可行的，為多點接氣不穩(wěn)定流動數(shù)學(xué)模型模型中溫度初始值的求解提供了有效的方法。
　　 (7)多點接氣和單氣源高壓天然氣管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型所依據(jù)的連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程是相同的，區(qū)別主要在邊界條件的處理上，其初始值的求解方法和所建立的方程個數(shù)不同。本文提出了多點接高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)模擬初始值計算方法，區(qū)別于單氣源動態(tài)模型，可以從邊界條件和約束條件入手對多點接高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)方程組封閉性進行分析。其封閉性分析來看，每增加一個氣

11、源點，就要補充兩個關(guān)于該氣源的方程，一個是流量方程或壓力方程，另一個是溫度方程。從而構(gòu)成封閉的方程組，達到可以求解條件。
　　 (8)通過對多點接高壓天然氣管網(wǎng)的計算，得到各個氣源點、各個分氣點以及各個管段在不同剖面上不同時刻的壓力和流量的變化情況?？筛鶕?jù)各點壓力要求，對各氣源壓力進行有效控制，對流量進行合理的調(diào)度分配。利用SCADA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)作為邊界條件，對管網(wǎng)進行動態(tài)模擬計算，同時將計算結(jié)果與SCADA采集的節(jié)點流量數(shù)據(jù)

12、對比分析，可以作為檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準確性與可靠性。
　　 (9)對天然氣流動中的壅塞現(xiàn)象進行研究，建立高壓天然氣管網(wǎng)壅塞流動的數(shù)學(xué)模型，分別采用四階Rung-Kutta法和Newton-Raphson迭代法對模型進行求解，并通過工程實例進行對比驗證。結(jié)果表明計算結(jié)果完全可用于天然氣管網(wǎng)的設(shè)計、運行及調(diào)度管理。
　　 (10)以氣體動力學(xué)為基礎(chǔ)，對徑管和等徑管天然氣管道的壅塞現(xiàn)象進行分析研究，采用四階Rung-Kutta

13、法對等徑管道壅塞模型進行求解。結(jié)合工程實例，討論了壅塞狀態(tài)下管道內(nèi)氣體參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果再從壓縮機室向CNG槽車內(nèi)加氣以及通過CNG槽車向儲罐卸氣過程中，開始充氣階段由于加(卸)氣管兩端的壓差較大并且管徑較小，天然氣在低壓端急劇膨脹易發(fā)生壅塞流動。產(chǎn)生壅塞流動的判定式為：βc=P0/Pc=(k+1/2)k/k-1。根據(jù)實例計算當(dāng)管道始末端壓力比在0.32～0.41之間時，將發(fā)生流動壅塞。在工程設(shè)計時，管道流量不能超過壅塞流量，否則正常

14、供氣會受到影響。等徑輸氣管道天然氣流動發(fā)生壅塞時，其壓力、溫度等參數(shù)是沿程變化的；壓力、溫度沿程降低，馬赫數(shù)及流速沿程增大，流速趨向于聲速；各截面的當(dāng)?shù)芈曀倥c密度和溫度有關(guān)，沿線降低。長輸管道末端門站所連接的城市輸氣管網(wǎng)的管徑不應(yīng)太小，否則在用氣高峰時刻在變徑處會產(chǎn)生流動壅塞，導(dǎo)致某個時段內(nèi)輸入城市管網(wǎng)的天然氣量小于城市實際用氣需求量，造成供氣不足，引發(fā)供氣安全事故。
　　 (11)分別對高壓管道的穩(wěn)態(tài)儲氣和非穩(wěn)態(tài)儲氣進行研究，

15、通過擬合管道內(nèi)壓力變化規(guī)律，推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)儲氣量的計算公式，并分析了管長、壓力等參數(shù)對穩(wěn)態(tài)儲氣的影響；結(jié)合非穩(wěn)態(tài)儲氣的定義與變徑管道壅塞流動模型，對長輸管道末段流動壅塞及其對管道儲氣能力的影響進行分析。結(jié)果表明：長輸管線末段管道儲氣量計算可以按穩(wěn)態(tài)，也可按非穩(wěn)態(tài)來考慮。穩(wěn)態(tài)儲氣計算結(jié)果偏于保守，計算結(jié)果與實際結(jié)果有誤差。按穩(wěn)態(tài)工況計算管段儲氣量的時候，通常根據(jù)起點最大壓力、末端最小壓力以及管道的實際長度來計算儲氣量，未考慮其最大儲氣量和最優(yōu)

16、長度。如果管段過長，由于流動阻力加大，不但不能多儲氣，反而會影響管道的儲氣。在利用長輸管線末段儲氣的設(shè)計中應(yīng)該注意這一特點。按照非穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果德更準確。
　　 (12)根據(jù)本文提出的動態(tài)模型和解法，對第一版天然氣管網(wǎng)動態(tài)模擬軟件進行改進，使其具有多點接氣高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)模擬計算功能，改進了歷史數(shù)據(jù)的輸入、查詢、新數(shù)據(jù)計算與存儲等功能，有利于實現(xiàn)負荷預(yù)測與實時模擬的結(jié)合。通過對多個實際或設(shè)計的高壓天然氣管網(wǎng)在多種不同運行工況下的

17、計算，并將計算結(jié)果與國外同類模擬軟件(PIPELINE、TGNET、SPS等)計算結(jié)果、城市管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)采集的實際運行數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明，各個調(diào)壓站計算壓力的變化趨勢與采集壓力的變化趨勢基本一致，與國外軟件計算結(jié)果的相對偏差在6％以內(nèi)，與SCADA系統(tǒng)采集的實際運行數(shù)據(jù)的相對誤差在3％以內(nèi)。改進型軟件可對實際管網(wǎng)進行動態(tài)模擬計算，模擬結(jié)果準確反映出管道壓力的變化規(guī)律，滿足高壓管網(wǎng)運行的要求，能夠指導(dǎo)管網(wǎng)的智能化運行。
　

18、　 從以上結(jié)論來看，研究建立的高壓天然氣動態(tài)模擬數(shù)學(xué)模型和提出的解法計算結(jié)果精度高、計算速度快。揭示了城市高壓天然氣管網(wǎng)不穩(wěn)定流動和儲、放氣的變化規(guī)律。結(jié)合SCADA系統(tǒng)采集的實際運行數(shù)據(jù)，可對高壓管線進行動態(tài)模擬，計算結(jié)果可指導(dǎo)高壓天然氣管線的設(shè)計、運行工況模擬和儲放氣的分析。該研究為高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)研究提供了新的思路，為高壓天然氣管網(wǎng)的設(shè)計、運行、調(diào)度調(diào)控提供了理論依據(jù)，為分析壅塞流動和城市天然氣高壓儲氣能力提供了新的方法，為高