動態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計中的應(yīng)用

1、動態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計中的應(yīng)用動態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計中的應(yīng)用李彤民吳長春梁江摘要概述了動態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計中的作用和意義，闡述了傳統(tǒng)的工藝穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法的局限性，提出了動態(tài)設(shè)計方法的基本原則與步驟。通過實例對穩(wěn)態(tài)和動態(tài)設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，指出動態(tài)模擬是提高輸氣管道工藝設(shè)計水平的關(guān)鍵。主題詞主題詞輸氣管道動態(tài)模擬工藝設(shè)計應(yīng)用一、引一、引言工藝設(shè)計是輸氣管道設(shè)計中的最基本內(nèi)容。工藝設(shè)計方案優(yōu)劣的選擇在很大程度上影響輸氣管道

2、運行的可靠性和投資效益。在干線輸氣管道設(shè)計中，對工藝設(shè)計方案的基本技術(shù)要求是：能比較可靠地滿足目標(biāo)用戶需求，具有較大的運行靈活性。此外，在滿足技術(shù)要求的前提下，工藝設(shè)計方案還應(yīng)有較好的經(jīng)濟性。在70年代以前，由于設(shè)計手段的限制，輸氣管道工藝設(shè)計方案的確定基本上是以穩(wěn)態(tài)工藝計算為基礎(chǔ)的。自70年代以來，計算機技術(shù)的發(fā)展為輸氣管道設(shè)計提供了強有力的手段。特別是進(jìn)入80年代后，國外輸氣管道工藝模擬軟件的發(fā)展相當(dāng)迅速，目前已有多種商業(yè)軟件在世界

3、各地使用，其中比較著名的有Stoner、SIMONE、TG、Gregg、LIC等。這些商業(yè)軟件均同時具有穩(wěn)態(tài)工況模擬和動態(tài)工況模擬的功能，設(shè)計人員可以利用這些軟件對輸氣管道的工藝設(shè)計方案進(jìn)行任何工況下的動態(tài)模擬，從而對方案的可行性、可靠性、靈活性和合理性做出更客觀的評價，并根據(jù)對多種方案的比選和評價結(jié)果選出較好的方案。多年來，這些軟件已在全世界許多輸氣管道的設(shè)計中得到了應(yīng)用，既提高了輸氣管道工藝設(shè)計方案的質(zhì)量，又在很大程度上改變了工藝設(shè)

4、計人員傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計觀念。二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法的局限性二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法的局限性〔1〕〔〕〔2〕穩(wěn)態(tài)設(shè)計是輸氣管道工藝設(shè)計的基本方法，其出發(fā)點是假設(shè)管道在設(shè)計流量下按穩(wěn)態(tài)工況運行。然而，輸氣管道的實際流量往往是變化的。這種變化不僅來源于運行壽命期內(nèi)管道年輸氣量的變化，而且在年輸氣量一定的前提下，管道在一年中的實際流量往往隨季節(jié)、月份、周、日而變化，即使在一日之中也會隨小時而變化。例如，北京市在某一年的用氣高峰周的最大用氣量為26.54104N

5、m3／h，最小用氣量為2.24104Nm3／h。因此，在對輸氣管道進(jìn)行穩(wěn)態(tài)設(shè)計時，一個最基本的問題是確定管道的設(shè)計流量。如果管道的年輸氣量在設(shè)計壽命內(nèi)有較大幅度的變化，通常需要根據(jù)年輸氣量的具體變化情況選擇多個設(shè)計流量，并針對這些流量分別進(jìn)(城市配氣管網(wǎng))，其用氣量幾乎時刻都在變化。因此，為城市配氣系統(tǒng)供氣的干線輸氣管道的工況基本上都是非穩(wěn)態(tài)的。此外，由于氣體的壓縮性大，故由擾動引起的非穩(wěn)態(tài)工況在輸氣管道中延續(xù)相當(dāng)長的時間，這一因素也在

6、很大程度上決定了輸氣管道難以達(dá)到真正的穩(wěn)態(tài)工況。正因為如此，在輸氣管道的工藝設(shè)計及運行管理中引入動態(tài)模擬是完全必要的，而且在當(dāng)今計算機模擬技術(shù)高度發(fā)展的時代也是完全可行的。輸氣管道非穩(wěn)態(tài)工況的模擬基于下述基本方程組：連續(xù)性方程（1）能量方程（2）動量方程（3）氣體狀態(tài)方程ρ＝ρ（p，T）（4）為了對一個具體的輸氣管道系統(tǒng)在某段時間內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行動態(tài)模擬，需要根據(jù)該系統(tǒng)在這段時間內(nèi)的初始條件和邊界條件求解上述方程組，及求解一個偏微分方

7、程組的定解問題。對于這類定解問題，目前主要采取各種數(shù)值方法求解，這些方法基本上可分為隱式中心差分法和特征線差分法兩類。由于數(shù)值方法的實現(xiàn)在很大程度上要依賴數(shù)字計算機，故國外已有多家公司推出了商品化的輸氣管道工藝模擬軟件。這些軟件的功能大致相同，一般都有穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬功能，其差別主要在于某些輔助功能和人機交互界面。工藝模擬軟件的應(yīng)用為輸氣管道設(shè)計人員和運行管理人員提供了很大的方便，也使得輸氣管道的設(shè)計和運行管理水平有了很大提高。單從工