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(jì)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(jì)算和設(shè)計(jì)，以及在實(shí)際運(yùn)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(yùn)行和保障城市正常供氣。在設(shè)計(jì)過程中，由于缺乏計(jì)算高壓天然氣的有效方法和工具，設(shè)計(jì)人員在水力計(jì)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(jìn)行計(jì)算，所設(shè)計(jì)的管網(wǎng)壓力、流量等參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)存在較大偏差。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，缺乏與實(shí)際管網(wǎng)相匹配的模擬工具，不能準(zhǔn)確評估出輸氣管線在各種情況下的工況，不能準(zhǔn)確控制管線的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此有必要針對我國高壓天然氣管網(wǎng)的實(shí)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(yùn)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(shí)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jì)算過程中忽

4、略對流項(xiàng)、慣性項(xiàng)和中立項(xiàng)等問題，首次在沒有忽略任何項(xiàng)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(jìn)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(jìn)行研究，不用對模型方程組進(jìn)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(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)更為接近。求解時(shí)要將待求的時(shí)間層次上所有的未知量聯(lián)立起來同時(shí)進(jìn)行求解，求解的非線性方程組很龐大，方程組過大時(shí)求解需要

5、的時(shí)間長。為了保證數(shù)值解的穩(wěn)定性，時(shí)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(jì)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(shí)間波動。如果管網(wǎng)存在有分氣點(diǎn)，則在分氣點(diǎn)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(diǎn)在于它們能對各種邊界條件進(jìn)行顯式處理，且計(jì)算占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存較小，但其時(shí)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(shí)間步長只能取得很小。如果分析時(shí)間過長時(shí)，就需要消耗很長的計(jì)算時(shí)間。在采用特征線法對天然氣管道進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)，利用逆步進(jìn)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(jìn)行求數(shù)值解，由于邊界節(jié)點(diǎn)的參數(shù)隨時(shí)間的變化比較明顯，因此該方法能提高計(jì)算精度，求解過程容易實(shí)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(jìn)行了迭代計(jì)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(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。
　　 (3)對天然氣管網(wǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，可以單獨(dú)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(diǎn)，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(yùn)行工況時(shí)，在長管元件的邊界點(diǎn)上采用特征線法計(jì)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(shí)例計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果可以滿足實(shí)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(jì)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(shí)，選擇計(jì)算較為準(zhǔn)確的柯列勃洛克公式，采用牛頓迭代方式可以計(jì)算出管道摩阻系數(shù)。
　　 (5)對輸氣管道進(jìn)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(shí)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(jìn)行摩阻系數(shù)的求解，提高了計(jì)算精度。將摩阻系數(shù)公式進(jìn)行變形改寫，使其與管道流量進(jìn)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(jìn)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(jì)算比較表明：單獨(dú)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(dú)求解管道溫度

10、是可行的，為多點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)接高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)模擬初始值計(jì)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(diǎn)接高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)方程組封閉性進(jìn)行分析。其封閉性分析來看，每增加一個氣

11、源點(diǎn)，就要補(bǔ)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(dá)到可以求解條件。
　　 (8)通過對多點(diǎn)接高壓天然氣管網(wǎng)的計(jì)算，得到各個氣源點(diǎn)、各個分氣點(diǎn)以及各個管段在不同剖面上不同時(shí)刻的壓力和流量的變化情況?？筛鶕?jù)各點(diǎn)壓力要求，對各氣源壓力進(jìn)行有效控制，對流量進(jìn)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(jìn)行動態(tài)模擬計(jì)算，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果與SCADA采集的節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)確性與可靠性。
　　 (9)對天然氣流動中的壅塞現(xiàn)象進(jìn)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(jìn)行求解，并通過工程實(shí)例進(jìn)行對比驗(yàn)證。結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果完全可用于天然氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)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(jìn)行分析研究，采用四階Rung-Kutta

13、法對等徑管道壅塞模型進(jìn)行求解。結(jié)合工程實(shí)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(jī)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(shí)例計(jì)算當(dāng)管道始末端壓力比在0.32～0.41之間時(shí)，將發(fā)生流動壅塞。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)，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(shí)刻在變徑處會產(chǎn)生流動壅塞，導(dǎo)致某個時(shí)段內(nèi)輸入城市管網(wǎng)的天然氣量小于城市實(shí)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(jìn)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(jì)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(jìn)行分析。結(jié)果表明：長輸管線末段管道儲氣量計(jì)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(jì)算結(jié)果偏于保守，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有誤差。按穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算管段儲氣量的時(shí)候，通常根據(jù)起點(diǎn)最大壓力、末端最小壓力以及管道的實(shí)際長度來計(jì)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(jì)中應(yīng)該注意這一特點(diǎn)。按照非穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果德更準(zhǔn)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(jìn)行改進(jìn)，使其具有多點(diǎn)接氣高壓天然氣管網(wǎng)動態(tài)模擬計(jì)算功能，改進(jìn)了歷史數(shù)據(jù)的輸入、查詢、新數(shù)據(jù)計(jì)算與存儲等功能，有利于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測與實(shí)時(shí)模擬的結(jié)合。通過對多個實(shí)際或設(shè)計(jì)的高壓天然氣管網(wǎng)在多種不同運(yùn)行工況下的

17、計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與國外同類模擬軟件(PIPELINE、TGNET、SPS等)計(jì)算結(jié)果、城市管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)采集的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明，各個調(diào)壓站計(jì)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(jì)算結(jié)果的相對偏差在6％以內(nèi)，與SCADA系統(tǒng)采集的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的相對誤差在3％以內(nèi)。改進(jìn)型軟件可對實(shí)際管網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)模擬計(jì)算，模擬結(jié)果準(zhǔn)確反映出管道壓力的變化規(guī)律，滿足高壓管網(wǎng)運(yùn)行的要求，能夠指導(dǎo)管網(wǎng)的智能化運(yùn)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(jì)算結(jié)果精度高、計(jì)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(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，可對高壓管線進(jìn)行動態(tài)模擬，計(jì)算結(jié)果可指導(dǎo)高壓天然氣管線的設(shè)計(jì)、運(yùn)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(jì)、運(yùn)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