天然氣管輸系統(tǒng)快瞬變流動特性研究.pdf

1、我國天然氣管輸系統(tǒng)正向著大型化、連續(xù)化、管網(wǎng)化的方向發(fā)展,輸送過程日益龐大和復雜,由于管輸系統(tǒng)是密閉水動力系統(tǒng),各環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系,相互影響和制約,每一環(huán)節(jié)的工況變化將影響整個系統(tǒng),壓縮機開關、切斷閥緊急關閉、管線泄漏或斷裂以及管線堵塞等特殊工況的出現(xiàn)使得人們更難于了解和掌握管道系統(tǒng)的運行規(guī)律,論證和提出合理的設計方案和運行方案,這就要求對以上操作所引起的管輸系統(tǒng)內(nèi)的快瞬變流動進行更加深入和廣泛的研究,因此本選題對于促進我國大型輸氣管網(wǎng)的建

2、設和運行管理具有重要意義。
　　 本文采用數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方式開展天然氣管輸系統(tǒng)快瞬變流動特性的研究。
　　 首先,建立了以質(zhì)量、動量和能量守恒定律為基礎的描述剛性管道內(nèi)一維氣體流動的數(shù)學模型,并利用節(jié)點一節(jié)點表示法和節(jié)點.支管表示法相結(jié)合的組合表示法對管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行描述,建立了天然氣管輸快瞬變流的管網(wǎng)模型。采用特征線法和逆步進法相結(jié)合的方法對模型進行了差分求解,將龍格庫塔法和隱式有限差分法相結(jié)合進行預仿真,

3、以所得慢瞬變流動狀態(tài)作為快瞬變流動數(shù)值模擬的初始條件。用C&C++對所建立的模型和算法進行編程,將模擬結(jié)果與經(jīng)典文獻數(shù)據(jù)對比完成模型和算法的驗證。
　　 其次,分析可能對天然氣管輸系統(tǒng)快瞬變流動數(shù)值模擬精度產(chǎn)生影響的參數(shù),并以基礎變量選取、傳熱項處理和狀態(tài)方程選擇為例,將數(shù)值模擬與室內(nèi)實驗相結(jié)合,研究模型處理對輸氣管道快瞬變流動數(shù)值模擬的敏感性,從模型細節(jié)處理的角度提高快瞬變流動模擬的精度,分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)計算機模擬過程對方程中非獨

4、立變量的選擇相對不敏感,其中Phω模型精度較高,運行時間稍短,建議實際應用時考慮采用以Phω為基礎參數(shù)的模型。建立了可描述地層蓄熱效應的天然氣管流與外界地層之間—維軸對稱非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不考慮地層蓄熱效應的穩(wěn)態(tài)傳熱模型高估了管線中流量的波動幅度,工程應用中應該盡量采用非穩(wěn)態(tài)傳熱模型對高壓天然氣管流進行動態(tài)模擬。
　　 再次,對壓縮機啟停工況和閥門緊急開關工況下的快瞬變流動進行了模擬研究,采用綜合了黑箱算法和熱力算法的優(yōu)點

5、的新方法求解壓縮機穩(wěn)定運行工況,在此基礎上提出壓縮機啟停動態(tài)過程的近似處理方法,建立了完整的壓縮機啟、停、運行工況模型,建立了描述閥門開度、開關速度、流量和壓降等參數(shù)關系的閥門開關動態(tài)特性模型,然后在特征線法邊界處理的基礎上,給定壓縮機和閥門實際運行工況的邊界條件,以預仿真結(jié)果為初始條件,對壓縮機啟停和閥門緊急開關過程中管輸系統(tǒng)快瞬變流動參數(shù)的變化進行了模擬研究,得到了壓縮機啟停過程與閥門開關過程中管道沿線運行參數(shù)的變化規(guī)律。
　

6、　 最后,采用等效管徑法將管道斷裂和堵塞工況統(tǒng)一描述為管道變徑問題,分別建立包含壅塞流動處理的管道破裂模型和管道堵塞模型,根據(jù)工程實際給出兩模型各邊界的處理方法,采用特征線法分別對管道破裂和管道堵塞工況下的快瞬變流動進行了模擬研究,得到了斷裂和堵塞工況下管道沿線參數(shù)的變化規(guī)律。
　　 本課題揭示了多種快瞬變流動工況下天然氣管輸系統(tǒng)運行參數(shù)的變化規(guī)律,為管輸系統(tǒng)安全經(jīng)濟的調(diào)控管理提供準確、迅速的管道工況分析手段奠定了基礎,對提高