动态模拟在输气管道工艺设计中的应用

动态模拟在输气管道工艺设计中的应用

李彤民吴长春梁江

摘要概述了动态模拟在输气管道工艺设计中的作用和意义，阐述了传统的工艺稳态设计方法的局限性，提出了动态设计方法的基本原则与步骤。通过实例对稳态和动态设计的结果进行了对比分析，指出动态模拟是提高输气管道工艺设计水平的关键。

主题词输气管道动态模拟工艺设计应用

一、引言

工艺设计是输气管道设计中的最基本内容。工艺设计方案优劣的选择在很大程度上影响输气管道运行的可靠性和投资效益。在干线输气管道设计中，对工艺设计方案的基本技术要求是：能比较可靠地满足目标用户需求，具有较大的运行灵活性。此外，在满足技术要求的前提下，工艺设计方案还应有较好的经济性。

在70年代以前，由于设计手段的限制，输气管道工艺设计方案的确定基本上是以稳态工艺计算为基础的。自70年代以来，计算机技术的发展为输气管道设计提供了强有力的手段。特别是进入80年代后，国外输气管道工艺模拟软件的发展相当迅速，目前已有多种商业软件在世界各地使用，其中比较著名的有Stoner、SIMONE、TGNET、Gregg、LIC等。这些商业软件均同时具有稳态工况模拟和动态工况模拟的功能，设计人员可以利用这些软件对输气管道的工艺设计方案进行任何工况下的动态模拟，从而对方案的可行性、可靠性、灵活性和合理性做出更客观的评价，并根据对多种方案的比选和评价结果选出较好的方案。多年来，这些软件已在全世界许多输气管道的设计中得到了应用，既提高了输气管道工艺设计方案的质量，又在很大程度上改变了工艺设计人员传统的稳态设计观念。

二、稳态设计方法的局限性〔1〕〔2〕

稳态设计是输气管道工艺设计的基本方法，其出发点是假设管道在设计流量下按稳态工况运行。然而，输气管道的实际流量往往是变化的。这种变化不仅来源于运行寿命期内管道年输气量的变化，而且在年输气量一定的前提下，管道在一年中的实际流量往往随季节、月份、周、日而变化，即使在一日之中也会随小时而变化。例如，北京市在某一年的用气高峰周的最大用气量为26.54×104Nm3／h，最小用气量为

2.24×104Nm3／h。因此，在对输气管道进行稳态设计时，一个最基本的问题是确定管道的设计流量。

如果管道的年输气量在设计寿命内有较大幅度的变化，通常需要根据年输气量的具体变化情况选择多个设计流量，并针对这些流量分别进

行管道的稳态设计或稳态校核。由于同一条管道要适应多种设计流量，因此在进行稳态设计时要对各种设计流量进行统一协调，以使得同一种设计方案能满足多种设计流量下的稳态运行要求。此外，在考虑多个设计流量的情况下，为了使所设计的管道在其设计寿命内达到较好的经济效益，通常需要考虑分期建设模式。

对于给定的管道年输气量设计流量的确定取决于一年中管道流量的变化情况及拟采取的供气调峰措施。如果管道的流量变化较少或采取配套的调峰措施(如建地下储气库或LNG设施)，其设计流量可取全年的平均流量。如果管道的流量变化较大，且未采取配套调峰措施，则设计流量应取高于平均流量的某个值，例如可取全年用气高峰周的平均流量。

显然，无论如何选择设计流量，按设计流量确定的管道稳态工况都不可能代表管道全年的实际工况。因此，在按稳态设计方法确定了管道的工艺设计方案后，有必要进一步验证该方案能否满足供气调峰的要求。如果不能满足，还应对原有的设计方案进行调整或采取其它配套调峰措施，然后对调整后的方案重新进行验证。一般来说，在管道的气源能够提供足够气量的前提下，只要管道的设计流量取得足够大（例如取可能出现的最大流量)，按此流量进行设计所确定的工艺设计方案就能满足供气调峰的要求。但这种做法将导致管道工程的投资增大，而且往往是不经济的。根据国外的经验，输气管道自身的调峰能力用以满足短期(周、日)调峰为宜，而中、长期(季、月)调峰的任务应由与管道配套的调峰设施来承担。

在70年代以前，由于设计手段的限制，只能按稳态方法大致估计输气管道的调峰能力。实际上，由于输气管道在供气调峰过程中的工况是不断变化的，因此这种稳态估计方法难以可靠地评价输气管道的实际调峰能力。自70年代以来相继出现的各种模拟软件，为客观地评价输气管道的调峰能力提供了强有力的工具。利用这些模拟软件，可以对输气管道系统(包括输气干线及相应的配套调峰设施)在不同周期、不同情况下的调峰过程进行全面的动态模拟，且可以根据模拟结果对输气干线及配套调峰设施的设计方案进行调整和优化。

综上所述，单纯的稳态设计方法已不能满足现代输气管道的设计要求，只有将稳态设计方法与动态模拟方法结合起来才能设计出既能满足供气要求，又具有良好经济效益的输气管道系统。

三、动态模拟〔3〕

输气管道动态模拟是指用适当的方法模拟输气管道系统中的非稳态工况，即模拟该系统中各处的流动状态参数随时间变化的过程，目前最常用的模拟方法是计算机数值模拟。输气管道系统的非稳态工况是由系统内部或边界处的物理扰动引起的，如管道终点或中途分气点的供气流量变化、管道起点进气压力或温度的变化、管道支线(进气或分气)的联通或关闭、管道至周围介质的传热条件变化等。在所有这些原因中，管道终点或中途分气点的供气流量变化则最为常见。由于这些点的供气量直接取决于其所连接的用气系统的用气量，而对于最常见的用气系统(城

市配气管网)，其用气量几乎时刻都在变化。因此，为城市配气系统供气的干线输气管道的工况基本上都是非稳态的。此外，由于气体的压缩性大，故由扰动引起的非稳态工况在输气管道中延续相当长的时间，这一因素也在很大程度上决定了输气管道难以达到真正的稳态工况。正因为如此，在输气管道的工艺设计及运行管理中引入动态模拟是完全必要的，而且在当今计算机模拟技术高度发展的时代也是完全可行的。输气管道非稳态工况的模拟基于下述基本方程组：

连续性方程

（1）

能量方程

（2）

动量方程

（3）

气体状态方程

ρ＝ρ（p，T）（4）

为了对一个具体的输气管道系统在某段时间内的非稳态过程进行动态模拟，需要根据该系统在这段时间内的初始条件和边界条件求解上述方程组，及求解一个偏微分方程组的定解问题。对于这类定解问题，目前主要采取各种数值方法求解，这些方法基本上可分为隐式中心差分法和特征线差分法两类。由于数值方法的实现在很大程度上要依赖数字计算机，故国外已有多家公司推出了商品化的输气管道工艺模拟软件。这些软件的功能大致相同，一般都有稳态模拟和动态模拟功能，其差别主要在于某些辅助功能和人机交互界面。工艺模拟软件的应用为输气管道设计人员和运行管理人员提供了很大的方便，也使得输气管道的设计和运行管理水平有了很大提高。

单从工艺设计的角度考虑，动态模拟主要具有以下几方面的作用和意义：

(1)通过对各种典型供气周期的动态模拟，检验由稳态设计方法给出的工艺设计方案能否满足管道运行期间的供气调峰要求。

(2)选取多种设计流量对管道进行稳态工艺设计，也可以考虑输气管道与配套调峰设施的多种可能组合，然后通过动态模拟对输气系统的各种设计方案的可行性进行评价，并在此基础上结合经济等方面的因素选出相对最优的设计方案。

(3)通过动态模拟可以更全面地了解全线各站所配置的压缩机组与