燃气长输管线动态模拟及末段储气研究

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1、燃气长输管线动态模拟及末段储气研究唐建峰·段常贵”李玉星··石油大学(华东)储运教研室”哈尔滨建筑大学燃气教研室摘要随着输气管道向大管径、高压力、长距离和调峰要求高的方向发展．气管不稳定流动的研究显得越来越迫切。本文采用基于流体力学基本原理推导出来的连续性方程、动量方程、能量方程，咀及目前认为用于天然气计算最精确的sHBwR状态方程建立燃气长输管道不稳定流动数学模型。采用隐式中心有限差分法编制了该模型的通用数值计算程序，结合哈一依燃气管道工程，将计算结果进行了整理、分析和验证。并在此基础上，对燃气长输管线末段储气量进行了研究。主题词输气

2、管线末段储气不稳定流数学模型引言目前，世界能源结构已经完成二次变革，正处于以石油为主向以天然气或可再生能源为主的时期过渡，这一时期，天然气在一次能源中的地位越来越重要，它作为城市燃气的最佳气源已形成全球性共识．而天然气气源大部分远离市区，为了充分利用气源，必须建立长距离输气管线。而长输管线的运行由于采气生产的均衡性和用户用气的波动性，使其长期处于上游压力相对稳定，而下游压力不断变化的矛盾之中，这种燃气供需不平衡的唯一可行解决方法是考虑燃气储存。解决日、时不均匀用气调峰的燃气储存方式主要有管道储存和地面储气设施储存。由于长输管道输、储气能

3、力与管径、输气压力成正比，若一城市准备把长输管道作为日调峰的主要手段，在规划设计时，就要考虑适当加大管径，加大管径是提高管道储存能力的主要措施之一。管径的加大，意味着管道投资和施工费用的增加，但可减少地面储气设施的建设；另一方面，长输管道的运行费用要比地面储气设施运行费用低。因此，在引进天然气作为城市燃气的主气源时，就要通过一定的技术经济比较，确定长输管道储气和地面储气设施储气的比例。这一步工作的前提就是较精确地计算出长输管道末段的储气能力，而管道末段储气能力的计算精确与否又以动态模拟的准确性为基础，所以，目前开发较准确的燃气长输管线动

4、态模拟软件势在必行。燃气在长输管道中的流动模拟效果的优劣关键在于所建立的数学模型能否准确、全面的描述管道的流动过程，以及能否找到求解该模型的有效方法。描述管道工况动态变化的数学模型非常复杂，随着计算机技术的发展及数值计算方法的不断完善，世界上发达国家，尤其是美国的长输管道模拟技术发展速度很快，许多管道访真软件公司都推出了自己的访真软件，例如：美国ssl公司(scientmcsoftwareIntercom口)开发的TGNET(TransienlGasNetwork)软件及stoner公司开发的sPs(stonerPiDeIinesimu

5、lator)软件。虽然我们不能否认国外开发的这类软件的权威性，但是该类软件的价格却会让我们望而却步，特别是我们想模拟单条管道对，购买这类软件实在是有些浪费。虽然这类软件开发难度大．但不能总依赖进口，应集中人力、物力开发属于我国自己的软件。国内，由于长输管道工程敷设较晚、较少，无论是燃气工程技术水平还是计算机技术水平，都远落后于西方发达国家，以往的殴计大部分采用稳定流动构计算方法，所设计的管线压力、流量等参数与实际运行数据存在较大偏差。尽管有些设计考虑了气体的不稳定流动，但是．其数学模型的建立总是在大量简化的基础上进行，这些数学模型曾经得

6、到了广泛应用，甚至目前也还在应用。这正如国外在四十至六十年代也只是从事输气管道的静态模拟，六十年代至七十年代中期，由于管输气体的压力一般不太高，也末引人能量方程，直至，rL十年代，输气管的发展踏^了一个新阶段．那就是醣峰要求高、大管径、氏距离、高压力及由此带来的压缩机较高出口温度，此对能嚣方稃知引片j较精确的压缩闳子计算公式的实际气体j扶态方程才得§I重视和应川。而这一封阶段正是我国输气管发展的必然趋势，由此导致国内考虑沿线温度变化及引用较精确的压缩因子计算公式的实际气体状态方程的气管不稳定流动的研究显得越来越迫切。分析建模及求解燃气在

7、长输管道中的流动遵循一元不稳定流动模型，在管道中反映气体流动的量主要是流速、压力、密度、温度、焓等物理量，这些物理量所遵循的关系有两类，一类是自然界普遍规律得到的，一般是一些偏微分方程，人们常称它们为基本方程；另一类关系是由理论分析或实验研究得到的关系式，如气体状态方程、天然气物性与状态参数之间的关系等。本文在此基础上．建立了燃气长输管线动态数学模型如下：连续性方程：塑+土塑：oaf爿融运动方程：土塑．曼壁±竺：!垡：!旦))一af缸羔≥一昭字(2)丽一昭夏㈣舶一暑+南心和南肛半一署篆(3)sHBwR状态方程：尸=邡丁+(岛R丁一4一雾

8、十争一笋)p2+(aR丁一a一争卢3+口(口+要)p6+鲁(1+妒2)eXp(一归2)焓方程：^圳+c风R，圳。一等十等一等”弘月Hn一等∥如a+》+寿阡+譬∥小卅∽]p’对长输管线的每个剖分管段，都可建立