天然气管网特征线法动态仿真分析

【摘要】：天然气与煤炭、石油等能源相比,具有无废渣废水、热值高、安全性好、清洁度高等优势,所以在发展低碳经济的时代背景下,天然气的使用备受青睐。管道作为天然气的主要运输方式,正朝着长距离、大口径、高压力和网络化的方向发展,逐渐形成了大型、复杂的供气系统。由于天然气管网系统日趋大型化和复杂化,增加了人们准确了解和掌握其运行规律的难度,限制了天然气管网优化方案的制定,使对天然气管网系统突发工况的分析和处理变得更加困难,并严重阻碍了天然气管网系统的合理规划设计、安全调度管理以及精确操作控制。所以,为了准确研究大型复杂天然气管网系统,天然气管网仿真技术应运而生。它揭示了在不同设计、调度和操作方案下,天然气管网内的流动工艺和水力、热力分布,描述不同操作、变化和事故条件下的水力、热力变化趋势和过程,是天然气管网实施各种决策方案的支撑技术。因此,本文的研究对天然气管网的优化设计、有效管理、合理调度、可靠运行具有重要意义。本文调研了大量国内外文献,紧跟国内外天然气管网动态仿真的研究成果,对天然气管网特征线法动态仿真进行了分析。首先,针对目前天然气管网动态仿真过程中忽略对流项、惯性项和中立项等问题,本文基于适用任意流体的连续性方程、动量方程、能量方程,结合真实气体的状态方程以及焓方程,建立了具有普遍适用性的天然气管道动态仿真数学模型;其次,采用BWRS气体状态方程,通过抛物线法迭代求解,大幅度提高了气体状态参数的计算速度和精度,并编制了气体物性包程序,为管网动态仿真计算奠定了基础;选取适用范围广、精度高的Colebrook公式,并采用弦截法计算管道摩阻系数,将摩阻系数与管道流量关联起来,从而减小了摩阻系数因定值输入产生的误差;再次,引入黎曼不变量n和m,以及微分算子S、M和N,建立了天然气管网特征线法动态仿真状态空间模型,并结合初始条件和边界条件,通过逆步进法和线性内插值法对管网动态仿真模型进行求解,使得求解过程的实现更加便利;最后,以C++Builder XE6.0为开发平台,采用C++语言对天然气管网动态仿真过程进行编程,并通过天然气管网实例检验本文提出的特征线法动态仿真分析的可行性。结果证明了特征线法动态仿真具有良好的仿真效果,可以为天然气管网的规划、设计、调度、控制和管理等各个层次的应用提供可靠的依据。 【关键词】：天然气管网 动态仿真 特征线法 程序设计
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE832
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 选题背景9-12
• 1.2 研究的目的及意义12-13
• 1.2.1 目的12
• 1.2.2 意义12-13
• 1.3 国内外研究现状13-19
• 1.3.1 天然气管网动态仿真软件现状13-15
• 1.3.2 天然气管道流动模型研究现状15-16
• 1.3.3 天然气管道动态仿真模型求解现状16-19
• 1.4 研究内容19-20
• 第二章 天然气管网仿真基本关系式20-45
• 2.1 基本假设20
• 2.2 管道流动基本关系式20-26
• 2.2.1 连续性方程20-22
• 2.2.2 动量方程22-23
• 2.2.3 能量方程23-26
• 2.2.4 管道流动基本关系式26
• 2.3 天然气的相关物性计算26-34
• 2.3.1 气体状态方程26-29
• 2.3.2 气体的密度29-31
• 2.3.3 气体的压缩因子31
• 2.3.4 气体的粘度31-32
• 2.3.5 气体的比热32-33
• 2.3.6 气体的焓33
• 2.3.7 气体的熵33-34
• 2.4 摩阻系数的计算34-38
• 2.4.1 摩阻系数计算公式介绍34-36
• 2.4.2 摩阻系数计算36-38
• 2.5 气体物性求解实例38-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第三章 天然气管网特征线法动态仿真分析45-66
• 3.1 引言45
• 3.2 天然气管道不定常流动控制方程、特征线方程以及黎曼不变量45-49
• 3.2.1 控制方程45-47
• 3.2.2 特征线方程和相容关系47-49
• 3.2.3 特征线和黎曼不变量49
• 3.3 特征线方程的建立49-53
• 3.4 特征线法状态空间模型的建立53-55
• 3.5 网格点数值求解55-60
• 3.5.1 内部网格点求解56-58
• 3.5.2 边界网格点求解58-60
• 3.6 初始条件和边界条件60-64
• 3.6.1 初始条件60-61
• 3.6.2 边界条件61-64
• 3.7 管道动态特性状态空间模型64-65
• 3.8 本章小结65-66
• 第四章 特征线法动态仿真求解过程及程序设计66-69
• 4.1 特征线法动态仿真求解过程66-67
• 4.2 程序设计67-69
• 4.2.1 程序的功能模块67
• 4.2.2 程序设计流程图67-69
• 第五章 实例应用69-85
• 5.1 实例管网概述69-73
• 5.1.1 管网概况69
• 5.1.2 气源组分69-70
• 5.1.3 管网参数70-73
• 5.2 实例应用73-84
• 5.2.1 现场数据处理73
• 5.2.2 初始条件计算（静态仿真）73-74
• 5.2.3 边界条件74-76
• 5.2.4 运行结果分析76-84
• 5.3 本章小结84-85
• 第六章 结论与建议85-87
• 6.1 结论85-86
• 6.2 建议86-87
• 附录87-90
• 附录一：通用常数AI和BI的值87
• 附录二：单一组分在标准状态下的主要特性值87-88
• 附录三：BWRS模型中的二元交互作用系数 K_(ij)(K_(ij) =K_(ij)88-89
• 附录四：计算常数表89-90
• 致谢90-91
• 参考文献91-94
• 攻读硕士学位期间发表论文情况94-95

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