输气干线管网瞬态模拟仿真与优化技术研究

随着天然气开发、利用的日益增长,输气干线管网逐渐向高压力、大口径、复杂化的方向发展,因此运行管理难度相应增加。通过管网瞬态模拟仿真掌握管网的运行规律,对于管网的合理调度和优化运行设计具有重要的实际意义。 针对天然气在管网系统中的稳定及不稳定流动特性,以流体的连续性方程、运动方程、能量方程和BWRS状态方程为基础建立了准确的管网仿真数学模型。对于稳态仿真,等温流动采用节点法建立模型并采用改进的平方根法对方程组求解;不等温流动,采用四阶龙格-库塔法数值求解。瞬态仿真采用对时间步长要求不严格、稳定性好的隐式中心差分法将微分方程转化为差分方程,并采用牛顿-拉夫逊法求解非线性方程组,放宽了对迭代初值的要求。 编制的管网稳态、瞬态仿真程序适应性较强,在压力和流速较低时,采用等温仿真结果就可满足工业应用要求,而对于高压输气干线管网则可采用一般管网仿真程序来达到准确度的要求,从而减少资源的浪费。在程序实现过程中,采用组合法对管网系统进行计算机表示,使其对各种形式的管网结构存储和读取都较为方便;针对管网模型中雅克比矩阵高稀疏性的特点,采用三元组顺序表只对矩阵中的非零元素进行存储,提高了程序的存储和计算效率。而且经过大量仿真实例以及部分仿真结果与TGNET和SPS软件的对比验证了程序的可靠性较高。 针对川气东送管道工程,利用一般管网仿真程序对其进行模拟仿真和工艺系统优化分析,包括压气站的优化布置分析,内涂层设置优化分析,地温对输气系统的影响分析以及储气调峰分析等。通过仿真和优化得出以下结论:合理的压气站布站方式能够节能降耗、节省投资;输气干线设置内涂层不但能够减缓腐蚀,而且能够提高输气效率,降低管道运行成本;环境温度的升高会使压缩机的运行工况变差,管道输气效率降低;合理的利用管线末段储气调峰的规律,可以很好的解决短期供气与用气的不平衡问题。