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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 研究的目的及意义

1．2．1 目的

1．2．2 意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 天然气管网动态仿真软件现状

1．3．2 天然气管道流动模型研究现状

1．3．3 天然气管道动态仿真模型求解现状

1．4 研究内容

第二章 天然气管网仿真基本关系式

2．1 基本假设

2．2 管道流动基本关系式

2．2．1 连续性方程

2．2．2 动量方程

2．2．3 能量方程

2．2．4 管道流动基本关系式

2．3 天然气的相关物性计算

2．3．1 气体状态方程

2．3．2 气体的密度

2．3．3 气体的压缩因子

2．3．4 气体的粘度

2．3．5 气体的比热

2．3．6 气体的焓

2．3．7 气体的熵

2．4 摩阻系数的计算

2．4．1 摩阻系数计算公式介绍

2．4．2 摩阻系数计算

2．5 气体物性求解实例

2．6 本章小结

第三章 天然气管网特征线法动态仿真分析

3．1 引言

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

3．2．1 控制方程

3．2．2 特征线方程和相容关系

3．2．3 特征线和黎曼不变量

3．3 特征线方程的建立

3．4 特征线法状态空间模型的建立

3．5 网格点数值求解

3．5．1 内部网格点求解

3．5．2 边界网格点求解

3．6 初始条件和边界条件

3．6．1 初始条件

3．6．2 边界条件

3．7 管道动态特性状态空间模型

3．8 本章小结

第四章 特征线法动态仿真求解过程及程序设计

4．1 特征线法动态仿真求解过程

4．2 程序设计

4．2．1 程序的功能模块

4．2．2 程序设计流程图

第五章 实例应用

5．1 实例管网概述

5．1．1 管网概况

5．1．2 气源组分

5．1．3 管网参数

5．2 实例应用

5．2．1 现场数据处理

5．2．2 初始条件计算(静态仿真)

5．2．3 边界条件

5．2．4 运行结果分析

5．3 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

附录

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况