燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線動(dòng)態(tài)模擬及末段儲(chǔ)氣研究

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1、燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線動(dòng)態(tài)模擬及末段儲(chǔ)氣研究唐建峰·段常貴”李玉星··石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)教研室”哈爾濱建筑大學(xué)燃?xì)饨萄惺艺S著輸氣管道向大管徑、高壓力、長(zhǎng)距離和調(diào)峰要求高的方向發(fā)展．氣管不穩(wěn)定流動(dòng)的研究顯得越來越迫切。本文采用基于流體力學(xué)基本原理推導(dǎo)出來的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程，咀及目前認(rèn)為用于天然氣計(jì)算最精確的sHBwR狀態(tài)方程建立燃?xì)忾L(zhǎng)輸管道不穩(wěn)定流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。采用隱式中心有限差分法編制了該模型的通用數(shù)值計(jì)算程序，結(jié)合哈一依燃?xì)夤艿拦こ蹋瑢⒂?jì)算結(jié)果進(jìn)行了整理、分析和驗(yàn)證。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線末段儲(chǔ)氣量進(jìn)行了研究。主題詞輸氣

2、管線末段儲(chǔ)氣不穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型引言目前，世界能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成二次變革，正處于以石油為主向以天然氣或可再生能源為主的時(shí)期過渡，這一時(shí)期，天然氣在一次能源中的地位越來越重要，它作為城市燃?xì)獾淖罴褮庠匆研纬扇蛐怨沧R(shí)．而天然氣氣源大部分遠(yuǎn)離市區(qū)，為了充分利用氣源，必須建立長(zhǎng)距離輸氣管線。而長(zhǎng)輸管線的運(yùn)行由于采氣生產(chǎn)的均衡性和用戶用氣的波動(dòng)性，使其長(zhǎng)期處于上游壓力相對(duì)穩(wěn)定，而下游壓力不斷變化的矛盾之中，這種燃?xì)夤┬璨黄胶獾奈ㄒ豢尚薪鉀Q方法是考慮燃?xì)鈨?chǔ)存。解決日、時(shí)不均勻用氣調(diào)峰的燃?xì)鈨?chǔ)存方式主要有管道儲(chǔ)存和地面儲(chǔ)氣設(shè)施儲(chǔ)存。由于長(zhǎng)輸管道輸、儲(chǔ)氣能

3、力與管徑、輸氣壓力成正比，若一城市準(zhǔn)備把長(zhǎng)輸管道作為日調(diào)峰的主要手段，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮適當(dāng)加大管徑，加大管徑是提高管道儲(chǔ)存能力的主要措施之一。管徑的加大，意味著管道投資和施工費(fèi)用的增加，但可減少地面儲(chǔ)氣設(shè)施的建設(shè)；另一方面，長(zhǎng)輸管道的運(yùn)行費(fèi)用要比地面儲(chǔ)氣設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用低。因此，在引進(jìn)天然氣作為城市燃?xì)獾闹鳉庠磿r(shí)，就要通過一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)氣和地面儲(chǔ)氣設(shè)施儲(chǔ)氣的比例。這一步工作的前提就是較精確地計(jì)算出長(zhǎng)輸管道末段的儲(chǔ)氣能力，而管道末段儲(chǔ)氣能力的計(jì)算精確與否又以動(dòng)態(tài)模擬的準(zhǔn)確性為基礎(chǔ)，所以，目前開發(fā)較準(zhǔn)確的燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線動(dòng)

4、態(tài)模擬軟件勢(shì)在必行。燃?xì)庠陂L(zhǎng)輸管道中的流動(dòng)模擬效果的優(yōu)劣關(guān)鍵在于所建立的數(shù)學(xué)模型能否準(zhǔn)確、全面的描述管道的流動(dòng)過程，以及能否找到求解該模型的有效方法。描述管道工況動(dòng)態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善，世界上發(fā)達(dá)國家，尤其是美國的長(zhǎng)輸管道模擬技術(shù)發(fā)展速度很快，許多管道訪真軟件公司都推出了自己的訪真軟件，例如：美國ssl公司(scientmcsoftwareIntercom口)開發(fā)的TGNET(TransienlGasNetwork)軟件及stoner公司開發(fā)的sPs(stonerPiDeIinesimu

5、lator)軟件。雖然我們不能否認(rèn)國外開發(fā)的這類軟件的權(quán)威性，但是該類軟件的價(jià)格卻會(huì)讓我們望而卻步，特別是我們想模擬單條管道對(duì)，購買這類軟件實(shí)在是有些浪費(fèi)。雖然這類軟件開發(fā)難度大．但不能總依賴進(jìn)口，應(yīng)集中人力、物力開發(fā)屬于我國自己的軟件。國內(nèi)，由于長(zhǎng)輸管道工程敷設(shè)較晚、較少，無論是燃?xì)夤こ碳夹g(shù)水平還是計(jì)算機(jī)技術(shù)水平，都遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國家，以往的毆計(jì)大部分采用穩(wěn)定流動(dòng)構(gòu)計(jì)算方法，所設(shè)計(jì)的管線壓力、流量等參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)存在較大偏差。盡管有些設(shè)計(jì)考慮了氣體的不穩(wěn)定流動(dòng)，但是．其數(shù)學(xué)模型的建立總是在大量簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這些數(shù)學(xué)模型曾經(jīng)得

6、到了廣泛應(yīng)用，甚至目前也還在應(yīng)用。這正如國外在四十至六十年代也只是從事輸氣管道的靜態(tài)模擬，六十年代至七十年代中期，由于管輸氣體的壓力一般不太高，也末引人能量方程，直至，rL十年代，輸氣管的發(fā)展踏^了一個(gè)新階段．那就是醣峰要求高、大管徑、氏距離、高壓力及由此帶來的壓縮機(jī)較高出口溫度，此對(duì)能囂方稃知引片j較精確的壓縮閎子計(jì)算公式的實(shí)際氣體j扶態(tài)方程才得§I重視和應(yīng)川。而這一封階段正是我國輸氣管發(fā)展的必然趨勢(shì)，由此導(dǎo)致國內(nèi)考慮沿線溫度變化及引用較精確的壓縮因子計(jì)算公式的實(shí)際氣體狀態(tài)方程的氣管不穩(wěn)定流動(dòng)的研究顯得越來越迫切。分析建模及求解燃?xì)庠?/p>

7、長(zhǎng)輸管道中的流動(dòng)遵循一元不穩(wěn)定流動(dòng)模型，在管道中反映氣體流動(dòng)的量主要是流速、壓力、密度、溫度、焓等物理量，這些物理量所遵循的關(guān)系有兩類，一類是自然界普遍規(guī)律得到的，一般是一些偏微分方程，人們常稱它們?yōu)榛痉匠蹋涣硪活愱P(guān)系是由理論分析或?qū)嶒?yàn)研究得到的關(guān)系式，如氣體狀態(tài)方程、天然氣物性與狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系等。本文在此基礎(chǔ)上．建立了燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：連續(xù)性方程：塑+土塑：oaf爿融運(yùn)動(dòng)方程：土塑．曼壁±竺：!垡：!旦))一af缸羔≥一昭字(2)麗一昭夏㈣舶一暑+南心和南肛半一署篆(3)sHBwR狀態(tài)方程：尸=邡丁+(島R丁一4一霧

8、十爭(zhēng)一筍)p2+(aR丁一a一爭(zhēng)盧3+口(口+要)p6+魯(1+妒2)eXp(一歸2)焓方程：^圳+c風(fēng)R，圳。一等十等一等”弘月Hn一等∥如a+》+壽阡+譬∥小卅∽]p’對(duì)長(zhǎng)輸管線的每個(gè)剖分管段，都可建立