输气管道系统仿真技术发展状况

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管道技术与设备
1999 年
输气管道系统仿真技术发展状况
李长俊 汪玉春 西南石油学院储运教研室 四川省南充市 637001
王元春 华北石油设计院工艺室 河北省任丘市 062552
【摘要】计算机仿真技术在输气管道系统中的应用 具有十分广阔的前景 。它已成为管道设计 、生产管理 、 教育培训等工作中的一个很重要的环节 ,为管道工业 带来了巨大的社会效益和经济效益 。管道系统仿真是 涉及到多门学科的综合性技术 。其仿真效果关键在于 所建立的仿真模型是否准确 、全面地描述管道系统的 流动过程 ,以及能否找到适合的求解方法 。在管道系 统的运行过程中 ,影响其工况变化的因素很多 ,如流程 切换 、设备故障 、控制系统调节 、用气量变化等 。若描 述它们的模型不准确或求解模型的方法不适当 ,必然 会影响仿真效果 。此外 ,对管道系统的仿真 ,只有将仿 真模型及计算机技术密切结合起来 ,才能有效地应用 于实际生产过程 。本文从天然气管道仿真模型及求解 方法 、仿真软件功能及应用等方面介绍了国外管道仿 真技术的发展状况 。 关键词 : 天然气 管道 仿真 发展 技术
1 概 述
天然气的开发利用离不开管道系统的输送 。通常 天然气管道系统包括矿场集气管网 、输气干线和配气 管网 ,它将采气 (集气) 、净气 、储气 、供气 (配气) 这些看 似独立的工艺过程连接成一个统一的整体 。随着天然 气开发规模和使用规模的不断增大 ,天然气管网系统 也日趋庞大和复杂 。这一方面使得人们更难于了解和 掌握管道系统的运行规律 ,分析和处理管道系统的事 故工况 ,论证和提出合理的设计方案和运行方案 ;另一 方面 ,由于管道系统的运行状况直接影响着天然气的 产 、供 、销之间的关系 ,因此人们对管道系统的设计 、运 行和管理水平的要求越来越高 。管道仿真技术正是为 了满足现代管道的设计和管理要求而发展起来的 。
所谓计算机仿真就是通过建立系统的模型 ,借助计 算机对真实系统或设想进行分析论证的一门综合性技 术。随着数值计算方法的不断完善 ,世界上发达国家在 管道仿真技术方面发展也很快 ,下面主要对国外天然气 管道系统仿真模型 ,仿真技术及软件功能综述如下。
2 仿真模型
管道仿真准确与否关键在于所建立的数学模型能
否准确 、全面地描述管道流动过程以及能否找到求解
模型的方法 。严格说来 ,流体在管道系统中流动通常
是处于不稳定状态 ,早在 1913 年 ,意大利学者 Allive ,
L . 就提出了管道不稳定流动模型 。但在气体管道方
面 ,从 40 年代至 60 年代 ,国外主要还是从事静态计
算 ,其基本方法是用连续性方程和动量方程描述气体
在管道内的流动 。通过忽略流体介质随时间的变化 ,
并在一定条件下得到管道内流量随压力变化的水力计
算基本公式 。当把计算摩阻系数的不同公式代入水力
计算基本公式后可以得到各种形式的实用公式 ,如威
莫斯公式 、潘汉德公式 ,前苏公式等 。在确定管内气体
压力分布后 ,可按苏霍夫公式进行热计算 。目前 ,我国
各管道设计院仍用这些公式作输气管道的工艺计算 ,
但通过分析可知这些公式主要作过如下近似处理 。
(1) 气体的流动参数不随时间而变化 ;
(2) 忽略了水力参数与热力参数间的依赖关系 ,即 在一定的热力状况下 ,进行水力计算 ;在一定水力状况
下 ,进行热力计算 ;
(3) 忽略了压缩因子、摩阻系数随压力、温度的变化。 由于作过如上近似处理 ,所得到的水力计算和热
力计算公式必然会影响其精度和适用性 。对此 ,笔者
曾进行了大量的计算和分析比较 ,结果发现当管道内
气体压力较低时 ,其计算结果与由准确模型得到的结
果基本是符合的 ;但当管道内气体压力 、温度较高时就
存在较大的差别 。
天然气管道不稳定流动仿真是从 60 年代开始的 。
由于当时输气管道压力较低 ,同时受到管道技术和计
算机技术的限制 ,在数学模型和计算方法上都进行了
不同程度的近似处理 。如典型的两类数学模型为 :
A
55ρt +
5M 5x
=0
(1)
5M 5t
+
ART
5ρ 5x
+
1 A
5 5x
M2
ρ
+
f M2
2 DρA
= 0 (2)
第5期
·控制与测量·
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A
55ρt +
5M 5x
=0
(3)
5M 5t
+
A
5ρ 5x
+
gρA sinθ+
fM| M| 2 DρA
=0
(4)
P =ρZR T
(5)
式中 M ———气体的质量流量 ;
P ———气体的压力 ; ρ———气体的密度 ;
T ———气体的温度 ;
f ———摩阻系数 ;
D ———管道内径 ;
A ———管道流通面积 ;
R ———通用气体常数 ;
Z ———气体压缩系数 ; θ———管道与水平线间的倾角 ;
x , t ———沿管长变量和时间变量 。
其中第一类模型将气体视为理想气体 ,并且忽略
了能量方程 ,由此获得的计算结果相当粗糙 ,它完全不
适用于高压输气管道 ;第二类模型也忽略了能量方程 ,
没有考虑气体温度的变化 。同时 ,它也把压缩系数视
为一常量 。通过计算表明 ,当输气管道管径较小 ,压力
较低时 ,其计算结果与实际情况较为接近 ,但当压力 、
温度较高 ,管径较大时 ,其计算结果与实际情况存在
8 %左右的误差 。
同时 ,在求解仿真模型上也有着不同的方法 。从
开始分析管道的不稳定流动至今 ,曾采用图解法 、解析
法和数值解法 。图解法是通过人工作图来求解管道在
不同位置上参数随时间变化的一种方法 。这种方法既
费时费力 ,又往往存在较大的误差 ,甚至人为的错误 。
解析法主要在前苏联 70 年代采用得最多 ,它是通过对
数学模型进行一系列的推导处理而得到气体参数 (主
要是压力 、流量) 随时间变化解的一种方法 。由于气体
不稳定流动的数学模型是一组非线性的偏微分方程 ,
在求解过程中一般要忽略次要项 ,同时还往往将非线
性项线性化 。虽然这样得到的解析解比较直观 ,但这
种方法难以避免产生较大误差 。并且当管道系统较复
杂时给数学求解带来较大困难 ,不易求其解 。数值解
法是随着计算机技术的发展而发展起来的一种方法 ,
特别是 80 年代以来 ,这种方法得到了充分的发展 。目
前被认为最好的两种方法是特征线法和隐式有限差分
法 。研究表明特征线法具有更高的计算精度 ,但隐式
有限差分法在处理时间步长上具有更好的灵活性 。由
于计算机技术的不断发展和数值解法的不断完善 ,也
为提出更加准确的数学模型提供了必要条件 。目前 ,
国内外已普遍采用下列仿真模型或其变形形式 :
5(ρv) 5x
+
5ρ 5t
=
0
(6)
1 ρ
5ρ 5x
+
v
5v 5x
+
5v 5t
+
gsinθ+
fv | v 2D
|
=0
(7)
5H 5t
+
v
5H 5x
-
1 ρ
5P 5t
-
v
ρ
5ρ 5x
-
f 2
v2 D
4 +
K(
TD
T0)
=0
(8)
ρ = f ( P, T)
(9)
H = φ( P, T)
(10)
式中 υ———气体的流速 ;
H ———气体的焓 ;
T0 ———管道埋深处地温 ;
K ———管道总传热系数 。
应该说该模型比前面两种模型准确 ,因为它考虑
了气体的能量守恒方程 ,建立了气体水力参数和热力
参数之间的关系 。
目前的研究正向着多相流方向发展 ,这使得仿真
模型更接近实际情况 。需要指出的是有关气体热力性
质的研究对提出完善的仿真模型是很重要的 ,特别是
有关气体状态方程的确定和内能 、焓 、熵 、泡点 、露点等
参数的计算 ,如目前国内外普遍采用的状态方程有 PR
( Peng2Robinson) 法 、SR K ( Soave2Redlich2Kwong) 法 、
BWRS(Bennedict - Webb - Rubin - Starling) 法 、L EE
(Lee2Erbar2Edmister) 法等 。并由这些方程所计算的
其它物性参数也较准确 。
在管道系统仿真模型中除了有描述管道内气体流
动的模型外 ,还包括管道控制系统的模型 。不同的管
道系统 ,所采用的控制设备和控制方案也不同 ,而管道
工况的变化往往是由控制系统的控制调节引起的 。能
否建立正确可信的控制系统模型 ,也是准确仿真管道
系统运行的关键因素之一 。管道系统在具体建立控制
系统的仿真模型时 ,不仅要能描述单体仪表 、设备的特
性 ,还要描述整个系统控制回路的走向 ,以及定义各元
件间的逻辑关系 。
3 仿真软件的发展概况
对管道系统的仿真只有将物理模型 、数学方法及 计算机技术紧密结合起来 ,才能有效地应用于实际生 产过程 。在关于天然气管道系统的仿真软件中 ,最早 被我国接受的是美国 SSI 公司的 T GN ET ( Transient2 Gas Network) 软件 。目前 ,我国广东天然气公司 、四川 石油设计院等多家单位采用这一软件进行管道系统的 设计和管理 。该软件可用于分析含球阀 、止回阀 、调节
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阀及压缩机等多种元件的管道系统的气体水力 、热力 工况 。由于该软件具有较长的使用历史 ,经 SSI 公司 和用户使用验证 ,其仿真结果与实测数据十分接近 。 它可以根据气体参数变化程度灵活自动选择仿真时间 步长 ,并能保证所要求的结果精度 。此外 , T GN ET 软 件具有离线仿真和在线仿真之分 。所谓离线仿真就是 通过人工提供有关管道参数和边界条件进行管道系统 的设计 、规划及管理方案分析论证 ;而在线仿真是它直 接与实时采集系统 (如 SCADA 系统) 相联 ,由实时采 集的数据作为仿真软件的边界条件 ,确定管道系统的 工况变化情况 。它可以对实际管道的运行进行连续 、 实时地模拟 。它是管理人员分析 、掌握 、监视管道系统 运行的强有力的工具 。
美国 Stoner 公司开发了用于气体稳态管网设计 的软件 SWS 和模拟长输管道动态工况的软件 SPS。 1996 年 ,原中国石油天然气管道职工学院建立了长输 管道仿真中心并引进 SPS。该仿真软件既可对管道系 统水力 、热力工况进行仿真 ,又可以对管道系统进行控 制调节 。并且仿真的控制对象可以是实际管道系统 , 也可以是在非实物下对其控制逻辑进行模拟 ,有利于 实际应用 、方案预定和职工培训 。仿真结果可以显示 管路纵断面图和管道设备的流量 、压力 、温度等运行参 数随时间的变化 ;同时也可以实时显示管道 、设备 ,并 对仿真数据进行管理和多种形式的输出 。
加拿大 Novacorp 公司针对输气管道的具体特点 , 开发了一套输气管道系统稳态仿真软件 PCASIM ,并 于 80 年代初投入使用 。该软件可对包括压缩机 、阀门 等设备的复杂输气管网和输气干线进行仿真 。仿真管 道系统的节点数可达 200 多点 。在 90 年代初用该软 件对四川输配气系统进行改造和扩建研究 ,获得了较 好的效果 。软件采用的状态方程为 BWRS 方程 。可 以采用四种仿真方程形式 ,即美国天然气协会 (A GA) 公式 ,潘汉德公式 ,修正潘汉德公式 ,科尔布鲁克2怀特 公式 。用户可根据具体情况进行选择 。软件功能包括 输气能力计算 ,加副线计算 ,敏感性分析 ,沿线压力 、温 度计算 ,流量分配计算 ,压缩机参数计算等 。
意大 利 Snamprogetti 公 司 也 开 发 了 D TS ( Dis2 patching Tutorial System) 软件用于气体管道系统的仿 真 。该软件可以采用离线方式运行 ,也可以通过 SCA - DA 系统接口软件以在线方式运行 。可以由此制订 设计方案 ,优化运行方案和职工培训等 。
此外 ,美国 Modisette Associates 公司 ,All Ameri2 can Pipeline 公司等也开发研制出了有关的仿真软件 。
其功能也相当强大 ,能满足管道设计管理和职工培训 的多种需要 。
国内在仿真软件方面与国外存在较大差距 ,但目 前已经在这方面做了一些有益的工作 。笔者从 1987 年至今 ,通过多年的工作实践也开发出了一套气体管 道系统仿真软件 EGPNS ,并应用于分析四川输气干线 和川东输气管网 ,其仿真结果和功能达到国外离线软 件的效果 。
4 结束语
总的说来 ,自 80 年代以来世界上许多著名的管道 公司都花费了大量的人力物力从事管道仿真技术的研
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