高 揚(yáng)， 韓云萍， 潘 振， 王桂霞， 劉培勝， 高 興

(1.遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；3.中國石油撫順石化公司 石油三廠，遼寧 撫順 113001)

輸氣管網(wǎng)的靜態(tài)仿真研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 揚(yáng)1， 韓云萍1， 潘 振2， 王桂霞3， 劉培勝1， 高 興1

(1.遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；3.中國石油撫順石化公司 石油三廠，遼寧 撫順 113001)

隨著輸氣管網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在輸氣管網(wǎng)上的應(yīng)用也不斷加大。把仿真模型與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合，可以有效地應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，真實(shí)地表現(xiàn)天然氣輸氣管網(wǎng)內(nèi)氣體的流動(dòng)規(guī)律，確保天然氣輸氣管網(wǎng)合理、優(yōu)化地運(yùn)行。在全面、系統(tǒng)地研究 TGNET、SPS等軟件的基礎(chǔ)上，使用當(dāng)前天然氣物性計(jì)算最精確的方程式MBWRS狀態(tài)方程，以及四階龍格-庫塔法(Runge-Kutte)來求解輸氣管網(wǎng)的穩(wěn)定流動(dòng)微分方程組。并以C#軟件為工具，結(jié)合相關(guān)軟件的優(yōu)勢，充分考慮初始和邊界條件及輸氣管網(wǎng)的焦耳-湯姆遜效應(yīng)等，開發(fā)了仿真軟件，更適用于壓縮機(jī)、管道、閥門、氣田等組成的多氣源任意管網(wǎng)。與TGNET軟件相對比可知，計(jì)算結(jié)果可信度較高，可作為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬的初始值，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

天然氣； 輸氣管網(wǎng)； 仿真軟件； 數(shù)學(xué)模型； 穩(wěn)定流動(dòng)； 龍格-庫塔法； TGNET

我國天然氣工業(yè)發(fā)展十分迅速，受供氣系統(tǒng)設(shè)備故障、供氣不足等多方面因素影響，天然氣的供應(yīng)量在不斷變化[1]。居民和工業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)出不均勻的用氣規(guī)律，因此輸氣管網(wǎng)負(fù)荷隨時(shí)變化，由于氣體具有可壓縮性，壓力、流速和溫度等參數(shù)的變化滯后和衰減，導(dǎo)致輸氣管網(wǎng)的工況始終處于動(dòng)態(tài)(不穩(wěn)定流)的過程[2]。

隨著輸氣管網(wǎng)的高速發(fā)展，需要對沿線輸氣管網(wǎng)的不穩(wěn)定流動(dòng)過程進(jìn)行模擬和研究[3]，一般采用靜態(tài)計(jì)算的參數(shù)值來確定初始值。輸氣管網(wǎng)的穩(wěn)定流動(dòng)，是指氣體在輸氣管網(wǎng)任一截面上的質(zhì)量流量是一個(gè)常數(shù)，即氣體的質(zhì)量流量不隨時(shí)間及距離而改變。

輸氣管網(wǎng)的系統(tǒng)仿真大都是基于TGNET、SPS等軟件來完成的。然而現(xiàn)有的仿真軟件在研究穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)，其公式推導(dǎo)都假設(shè)氣體在管網(wǎng)中的流動(dòng)過程是等溫過程，但輸氣管網(wǎng)具有焦耳-湯姆遜效應(yīng)，流動(dòng)過程不可能是等溫過程[4-7]。本文開發(fā)的仿真軟件基于氣體的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、能量方程和氣體狀態(tài)方程，充分考慮了初始和邊界條件以及節(jié)流效應(yīng)等問題，并運(yùn)用MBWRS狀態(tài)方程，以及Runge-Kutte來求解輸氣管網(wǎng)的穩(wěn)定流動(dòng)，該解即為輸氣管網(wǎng)不穩(wěn)定流動(dòng)仿真模擬的初始值。

1 天然氣物性計(jì)算

在管輸天然氣過程中，當(dāng)水力、熱力計(jì)算時(shí)應(yīng)該計(jì)算天然氣的各種熱物性參數(shù)，即使用狀態(tài)方程。而且隨著輸氣管網(wǎng)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，針對模型精度的要求也不斷提高，因而計(jì)算天然氣的熱物性及建立熱力學(xué)模型時(shí)，就要應(yīng)用準(zhǔn)確的狀態(tài)方程。因此，提出了改寫的BWRS狀態(tài)方程即MBWRS狀態(tài)方程。

2.1 BWRS狀態(tài)方程

BWRS狀態(tài)方程的基本形式[8]：

式中，ρ為氣體的濃度，kmol/m3；p為系統(tǒng)的壓力，kPa；T為氣體的溫度，K；R為氣體常數(shù)，8.314 3 kJ/(kmol·K)；A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ為狀態(tài)方程的11個(gè)參數(shù)。

2.2 MBWRS狀態(tài)方程

MBWRS為改寫的BWRS狀態(tài)方程，將BWRS狀態(tài)方程中的11個(gè)參數(shù)進(jìn)行改寫，把BWRS方程中的函數(shù)關(guān)系變換成無因次或齊次函數(shù)關(guān)系。使用MBWRS狀態(tài)方程，既可以使用國際單位制，又能夠應(yīng)用非國際單位制。因此，在計(jì)算過程中不用進(jìn)行單位制的轉(zhuǎn)換，避免了管道在靜態(tài)模擬以及其他計(jì)算中的單位換算帶來的累積誤差，比BWRS狀態(tài)方程更準(zhǔn)確。

對BWRS狀態(tài)方程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行如下方式改寫：

式中，W為平均相對分子質(zhì)量；A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ11個(gè)參數(shù)的關(guān)系式依舊不變，而且混合規(guī)則也保持不變。則BWRS狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為[9]：

(2)

式(2)即為MBWRS狀態(tài)方程，其中氣體的濃度ρ其因次為ML-3，系統(tǒng)的壓力p其因次為ML-1T-2，氣體的溫度T其因次為Θ，氣體常數(shù)R其因次為L2T-2Θ-1。

2 數(shù)學(xué)模型的建立與求解

通過流體力學(xué)的基本原理推導(dǎo)得到動(dòng)量方程、能量方程和連續(xù)性方程，建立水平輸氣管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型[10-11]。

運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

能量方程：

(4)

連續(xù)性方程：

(5)

式中，h為氣體的比焓，J/kg；u為氣體的流速，m/s；Q為單位質(zhì)量流量氣體的吸熱量，J/kg；f氣體流動(dòng)的摩擦因子。

式(3)—(5)可整理成以下形式[12]：

(6)

方程組(6)中的物性參數(shù)都是壓力與溫度的函數(shù)，對于給定溫度、壓力、流量，都可以利用MBWRS氣體狀態(tài)方程和相關(guān)的熱力學(xué)性質(zhì)來求解，并應(yīng)用四階龍格-庫塔(Runge-Kutte)算法求解輸氣管道的穩(wěn)定流動(dòng)。該算法計(jì)算簡單、精度較高[13-14]。

(7)

式中，K1、K2、K3、K4為輸出變量的一階導(dǎo)數(shù)，即在某一點(diǎn)處的微分。

計(jì)算步驟如下：

(6)利用四階龍格-庫塔積分求出各個(gè)變量增量值后的值：

反復(fù)運(yùn)算式(1)—(6)，得出輸氣管道各截面的參數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)與特色

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輸氣管網(wǎng)靜態(tài)仿真系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2010為開發(fā)平臺、C#程序設(shè)計(jì)語言為開發(fā)工具。Microsoft.NET是微軟的新一代技術(shù)開發(fā)平臺，為敏捷商務(wù)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的、聯(lián)通的、適應(yīng)變化的、穩(wěn)定的和高性能的互聯(lián)互通應(yīng)用系統(tǒng)。通用語言運(yùn)行時(shí)(Common Language Runtime, CLR)和Microsoft.NET框架類庫[15]是Microsoft.NET平臺的主要內(nèi)核，.NET應(yīng)用是使用.NET Framework類庫來編寫，并運(yùn)行于CLR之上的應(yīng)用程序。而C#語言是微軟公司專門為.NET量身打造的編程語言，是一種全新的計(jì)算機(jī)編程語言，匯集了多種語言優(yōu)秀的特點(diǎn)，并具有自身的特性。

輸氣管網(wǎng)靜態(tài)仿真系統(tǒng)可以對準(zhǔn)備建設(shè)的輸氣管網(wǎng)各個(gè)組件模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪制，并且可以調(diào)整組件順序、靈活組合。按照實(shí)際工程為各組件設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，輸入該管網(wǎng)內(nèi)實(shí)際傳輸?shù)慕橘|(zhì)，可以是單一氣體也可以是復(fù)雜氣體，若為復(fù)雜氣體，可靈活設(shè)置各組分的百分比，然后實(shí)現(xiàn)輸氣管網(wǎng)的靜態(tài)仿真，精確穩(wěn)定地模擬天然氣在輸氣管網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行情況，模擬結(jié)果可以以曲線圖的方式直觀地顯示給用戶，還可以以Excel表格形式顯示，方便使用者對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。該系統(tǒng)對輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及調(diào)度起著十分重要的作用。輸氣管網(wǎng)靜態(tài)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由管網(wǎng)工程畫圖模塊、模擬計(jì)算模塊和結(jié)果顯示模塊3大模塊構(gòu)成。

圖1 輸氣管網(wǎng)靜態(tài)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

管網(wǎng)工程畫圖模塊用于對天然氣傳輸組件繪制，以圖型的方式模擬真實(shí)的天然氣傳輸，由輸入、管道、閥門、壓縮機(jī)、輸出和插入氣體6個(gè)組件構(gòu)成，用在設(shè)計(jì)出的管網(wǎng)中插入傳輸?shù)臍怏w，模擬真實(shí)的氣體運(yùn)輸情況，有助于用戶的設(shè)計(jì)與分析。

模擬計(jì)算模塊用于對管網(wǎng)的測試和分析，用戶可以通過改變氣體參數(shù)獲得不同氣體運(yùn)輸時(shí)的管道測量數(shù)據(jù)，有效地對天然氣傳輸安全性做出評估，同時(shí)可以計(jì)算出每個(gè)組件各時(shí)段各位置的模擬數(shù)據(jù)，對天然氣供應(yīng)方案做出具體調(diào)整。

結(jié)果顯示模塊用于保存各種設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，結(jié)果以曲線和Excel報(bào)表的兩種形式生成，曲線可以直觀地表示仿真結(jié)果，并當(dāng)鼠標(biāo)放置曲線上的某點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)顯示該點(diǎn)的仿真結(jié)果，即直觀的曲線與精確的數(shù)據(jù)相結(jié)合。結(jié)果也可以存放在Excel報(bào)表中，該形式有助于使用者保留計(jì)算結(jié)果，方便使用者對比不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析。

3.2 工作流程

首先根據(jù)管網(wǎng)設(shè)計(jì)說明書，繪出傳輸管網(wǎng)并設(shè)置管網(wǎng)中各組件的參數(shù)，插入工藝中要傳輸?shù)臍怏w，然后進(jìn)行靜態(tài)仿真計(jì)算，最后查看仿真結(jié)果，輸氣管網(wǎng)靜態(tài)仿真系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 輸氣管網(wǎng)靜態(tài)仿真系統(tǒng)流程

3.3 軟件特色

為了確保仿真系統(tǒng)軟件的實(shí)用性，在深入了解TGNET、SPS等軟件的基礎(chǔ)上，有效地結(jié)合軟件計(jì)算的精確性和軟件界面的友好性做出詳盡的設(shè)計(jì)，保證計(jì)算的可靠性和準(zhǔn)確性。操作簡單、明確，具有很強(qiáng)的適用性。

采用C#語言進(jìn)行仿真系統(tǒng)開發(fā)，操作簡單高效，具有直觀友好的人機(jī)界面、全功能的圖形界面、穩(wěn)定的數(shù)字求解技術(shù)。充分考慮了初始、邊界條件，以及變徑管的焦耳-湯姆遜效應(yīng)，較為真實(shí)地反映了實(shí)際輸氣管網(wǎng)的運(yùn)行情況；完備的設(shè)備模擬，特別是對實(shí)際輸氣管網(wǎng)中的壓縮機(jī)、閥門、變徑管等組件的模擬；多約束條件設(shè)定，溫度、氣體屬性跟蹤，系統(tǒng)全面地分析了輸氣管網(wǎng)的壓力、流速和溫度的變化趨勢。

此仿真系統(tǒng)軟件具有較廣泛的應(yīng)用范圍，適用于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員、調(diào)度人員及現(xiàn)場工作人員等，能夠?qū)崿F(xiàn)輸氣管網(wǎng)的可視化，以及對歷史數(shù)據(jù)的連續(xù)、精確的仿真模擬。本軟件可以對輸氣管網(wǎng)的正常工況和事故工況進(jìn)行分析，測試和評價(jià)輸氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)及操作參數(shù)的設(shè)置情況，最終獲得優(yōu)化的系統(tǒng)性能。

圖3 某市 T 型高壓天然氣管網(wǎng)示意圖

4 實(shí)例應(yīng)用及對比分析

氣管網(wǎng)示意圖如圖3所示，各管段長度、管徑、用戶用氣信息及壓縮機(jī)、節(jié)流閥各參數(shù)、地溫等已知，管網(wǎng)內(nèi)傳輸介質(zhì)為單一氣源，供氣壓力為5.097 MPa，天然氣各組分的摩爾分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 天然氣各組分的摩爾分?jǐn)?shù) %

為了驗(yàn)證所開發(fā)仿真模擬軟件的實(shí)用性與可靠性，利用TGNET軟件對實(shí)際運(yùn)行管網(wǎng)進(jìn)行水力、熱力計(jì)算。管徑及管道長度取值見表2，開發(fā)仿真模擬軟件與TGNET軟件計(jì)算結(jié)果對比見表3。

表2 管徑及管道長度取值

表3 管網(wǎng)水力、熱力計(jì)算結(jié)果對比

續(xù)表3

注：T表示TGNET軟件計(jì)算結(jié)果；B表示本文開發(fā)軟件計(jì)算結(jié)果。

通過對管網(wǎng)水力、熱力計(jì)算結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)果：

(1)TGNET軟件計(jì)算管網(wǎng)沿線壓力與本文軟件計(jì)算結(jié)果基本吻合，管網(wǎng)沿線壓力最大計(jì)算誤差為-2.38%，最小誤差為0，滿足實(shí)際工程精度要求。

(2)輸氣管網(wǎng)沿線流速隨出站口距離逐漸升高，沿線流速最大計(jì)算誤差為3.95%。該軟件結(jié)合了TGNET軟件的優(yōu)點(diǎn)，分析了管道氣體流速的變化情況，由于氣體的可壓縮性，輸氣管網(wǎng)沿線流速不僅受管徑的影響，而且與管內(nèi)壓力、溫度有直接關(guān)系。

(3)管網(wǎng)沿線溫度最大計(jì)算誤差為-3.53%。本文軟件不僅考慮了輸氣管網(wǎng)沿線的溫度變化，還分析了輸氣管網(wǎng)沿線的地溫對穩(wěn)定流動(dòng)的影響，由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)的作用，有可能呈現(xiàn)輸氣管網(wǎng)內(nèi)氣體溫度比土壤溫度低的情況。

5 結(jié) 論

通過與TGNET軟件對比，本文軟件計(jì)算結(jié)果與之十分接近，而且各參數(shù)的變化趨勢也大致相同，證明了仿真系統(tǒng)程序的正確性。將輸氣管網(wǎng)仿真程序與可視化技術(shù)相結(jié)合，更加科學(xué)、直觀地為輸氣管網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行提供可靠的保障，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Static Simulation Research and System Design of Gas Transmission Pipeline Network

Gao Yang1， Han Yunping1， Pan Zhen2， Wang Guixia3， Liu Peisheng1， Gao Xing1

(1.SchoolofComputerandCommunicationEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China;2.CollegeofPetroleumEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China;3.FushunNo.3FactoryofCNPC,FushunLiaoning113001,China)

With the continuous development of gas transmission pipeline technology, application of computer simulation technology in the gas pipeline network is also increasing. The simulation model combined with the computer, can be effectively applied to the actual production, the true performance of the gas flow rule of gas in transmission line to ensure that natural gas pipeline reasonable optimization operation. Based on a comprehensive, systematic study of TGNET, SPS and other software ,useing the equation MBWRS equation of state the most accurate current gas properties calculation, and the fourth order Runge-Kutta method to solve the gas pipe network steady flow differential equations. And by means of C# software, combined with the advantages of related software, give full consideration to the initial and boundary conditions as well as the gas pipeline Joule-Thomson effect, etc. The simulation software is developed, and it's more suitable for compressors, pipes, valves, gas and other components of the source of arbitrary network. Compared with the TGNET software, the calculate results are reliable,and can be used as the initial value of the unsteady flow simulation,which has higher engineering application value.

Natural gas; Gas transmission pipeline; Simulation software; Mathematical model; Steady flow; Runge-Kutta method; TGNET

1672-6952(2017)05-0061-06

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2017-02-23

2017-03-29

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(LJQ2014038)；遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510148022)。

高揚(yáng)(1995-)，男，本科生，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、軟件開發(fā)研究；E-mail：1211589743@qq.com。

韓云萍(1981-)，女，碩士，講師，從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究；E-mail：39143960@qq.com。

TE8

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.05.012

(編輯 陳 雷)