天然氣輸送管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能仿真

1、 天然氣輸送管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能仿真 亞伯拉罕debebe woldeyohannes1阿卜杜勒馬吉德穆罕默德阿明（universiti teknologi petronas，機(jī)械工程學(xué)系，斯里巴加灣艾斯坎達(dá)，馬來西亞31750 tronoh，）摘要：模擬已被證明是對(duì)于管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（pns）分析有效的工具，以確定這是必要的評(píng)估系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)和運(yùn)行變量。本文討論了使用模擬傳輸pns的性能分析。仿真模型的開發(fā)由pns的不同配置的流量和壓力變量確定。仿真模型的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，基于能量守恒和質(zhì)量平衡原則，壓縮機(jī)的特點(diǎn)對(duì)于確定的壓力和流量變量，程序開發(fā)的基礎(chǔ)上迭代牛頓拉夫森計(jì)劃的解決方案，并使用visual

2、 c + +6.0實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真模型的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該模型使不少于10次迭代操作變量被確定。在管網(wǎng)系統(tǒng)，其中包括能源消耗，對(duì)壓縮比和排出壓力的工作壓縮機(jī)的性能進(jìn)行了評(píng)估，以滿足在不同的速度范圍從4000-5000kpa的壓力要求。從模擬分析結(jié)果表明，該模型可用于性能分析、協(xié)助決策方面的設(shè)計(jì)和傳輸pns的最佳操作。關(guān)鍵詞：能源；輸氣管網(wǎng)；壓縮機(jī)站；天然氣；仿真。 1 介紹管網(wǎng)系統(tǒng)是天然氣從源傳輸?shù)娇蛻舻淖钣行У姆椒?。?dāng)氣體通過pns移動(dòng)，氣體的壓力將減少，主要是由于摩擦和傳熱。因此，氣體的壓力應(yīng)被安裝在網(wǎng)絡(luò)壓縮機(jī)站，以保持氣體的刺激。據(jù)估計(jì)，為了彌補(bǔ)丟失的氣體壓力，由于種種原因，

3、將壓縮機(jī)消耗在3至5的天然氣傳輸13。這實(shí)際上是巨額成本，尤其是對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸大體積的氣體。電源燒天然氣的成本，剩下的氣體運(yùn)輸相當(dāng)于每年約2億美元，為美國的傳輸系統(tǒng)3。據(jù)報(bào)道，輸送管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能提高1，可以節(jié)省4860萬美元，導(dǎo)致美國網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)4。模擬分析系統(tǒng)的性能成為重要的工具之一，并在各個(gè)領(lǐng)域的經(jīng)營或資源決策。仿真分析中起著重大的貢獻(xiàn)在地區(qū)的天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)59。模擬被用來預(yù)測不同條件下的傳輸，可以決定對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作指南使用三七的行為。在設(shè)計(jì)過程中，模擬可以協(xié)助選擇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)滿足要求的管道。此外，它也有利于選擇應(yīng)安裝在壓縮機(jī)，閥門，調(diào)節(jié)器和其他元素的網(wǎng)站。評(píng)估傳輸網(wǎng)絡(luò)

4、系統(tǒng)的組成部分1014的性能也進(jìn)行模擬分析。pns由管道和非管元素組成，如壓縮機(jī)，穩(wěn)壓器，閥門，刮削器，等等。pns的仿真是沒有非管元素，在以前的開發(fā)研究中相對(duì)比較容易處理。但是，非管元素的加入使模擬傳輸pns更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步調(diào)查。管道網(wǎng)絡(luò)沒有非管元素模擬是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗鼉H涉及管道和開發(fā) 9基于圖論。在分析過程中應(yīng)該有更多的方程被添加到模擬方程的非管元素。壓縮機(jī)站是一個(gè)主要的任何氣體傳輸系統(tǒng)的組成部分非管和被視為一個(gè)關(guān)鍵因素，壓縮機(jī)站的運(yùn)行成本占總傳輸公司預(yù)算的25至50 15，16。輸送管道網(wǎng)絡(luò)仿真分析模型與非管元素之間的基本分歧之一是壓縮機(jī)站如何在仿真建模的方法。已經(jīng)有不同的研究

5、人員嘗試用pns在模擬建模壓縮機(jī)站。選項(xiàng)之一是考慮壓縮機(jī)站作為一個(gè)黑盒子通過設(shè)置要么吸入或排出壓力17。只有很少的資料可被納入到仿真模型來代表壓縮機(jī)站。pns的模擬過程中的壓縮機(jī)站的影響已被納入預(yù)先設(shè)定的排放壓力9，18。但是，在分析過程中忽略了壓縮機(jī)吸氣壓力，吸氣溫度，流經(jīng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)在于發(fā)展為壓縮機(jī)內(nèi)傳輸性能評(píng)價(jià)的仿真模型進(jìn)行各種操作納入壓縮機(jī)站的細(xì)節(jié)特征，即速度，吸氣壓力，排氣壓力，流速，吸的溫度。2.問題描述根據(jù)研究的管道配置，采取從現(xiàn)有的部分pns。pns包括一個(gè)壓縮機(jī)站（cs）中并行工作的兩個(gè)離心式壓縮機(jī)。pns服務(wù)于八大電廠客戶和天然氣區(qū)冷卻系統(tǒng)（gdc）。傳輸p

6、ns詳細(xì)規(guī)范如表1所示。要發(fā)送的氣體是甲烷，乙烷（92）（5），氮（1）和其他（2）的混合物。氣體的其他相關(guān)信息包括氣體比重g=0.5，平均氣體流動(dòng)溫度t=308k和氣體的壓縮因子z= 0.92。氣體流速在管段被指定為,q1,q2.等，傳遞出不同客戶的天然氣管道的流速被指定為qc1,qc2等，如圖1所示。 表1 現(xiàn)有的管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)格輸氣管道特征 價(jià)格壓縮機(jī)數(shù)量 12 客戶需求 22.65至48.14的mm scmd管道數(shù) 19管道直徑 200毫米至900mm管道長度 6公里200公里3.仿真模型該仿真模型由兩部分組成;數(shù)學(xué)公式和解決方案。數(shù)學(xué)公式的討論是模擬方程的基本組成部分。如何獲取所需的

7、流量和壓力的解決方案，這是討論解決方案計(jì)劃中必不可少的壓縮機(jī)內(nèi)的氣體傳輸系統(tǒng)性能分析。3.1數(shù)學(xué)公式1 從19壓縮機(jī)被替換成最大容量為標(biāo)準(zhǔn)的0.98萬公噸，每立方米一天在分析（mmscmd）因資料不足關(guān)于外地壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的最高時(shí)速被限制在10500轉(zhuǎn)和壓縮機(jī)的最大頭108kj/kg。為pns模擬的數(shù)學(xué)模型根據(jù)壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)被開發(fā)，氣體通過管道流動(dòng)方程和質(zhì)量守恒的原則。在數(shù)學(xué)公式的發(fā)展中假設(shè)為單相，干氣，不斷的氣體溫度和管道內(nèi)部腐蝕可以忽略不計(jì)，3.1.1流建模氣體通過管道流可受各種因素影響，如氣性能，摩擦系數(shù)和管道的幾何形狀。上游的壓力，下游壓力和管道中的氣體流量之間的關(guān)系可謂各方程9，2

8、0。采用一般的流動(dòng)方程分析。任何管道與上游壓力pi pj，下游的壓力和流通過管道qij元素的流動(dòng)方程可以表示為： (1)其中kij是管流動(dòng)阻力。為p千帕 k= km，qm/小時(shí)和d毫米，kij表達(dá)形式： （2）在圖1所示的管道網(wǎng)絡(luò)中，所有19個(gè)管流方程得到以下方程式相同的程序。 （1）。對(duì)于一個(gè)特定的情況下，有關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)2和3的管流方程已給出： （3）3.1.2壓縮機(jī)站建模一般壓縮機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)是以壓縮機(jī)性能圖的形式提供。為了融入壓縮機(jī)的仿真模型的特點(diǎn)，它是必要的近似數(shù)學(xué)方程的特征圖。與離心壓縮機(jī)基本單元數(shù)量是進(jìn)口體積流率q，轉(zhuǎn)速n，絕熱揚(yáng)程h，和絕熱效率 。近似的數(shù)學(xué)壓縮機(jī)性能圖基于歸特點(diǎn)可以做

9、到。三是必要的說明壓縮機(jī)性能圖歸一化參數(shù)包括h / n2，q / n和。根據(jù)歸一參數(shù)，壓縮機(jī)的特點(diǎn)可以近似為兩個(gè)學(xué)位 4或三個(gè)多項(xiàng)式6。三多項(xiàng)式為地圖的特點(diǎn)和在本研究中的使用提供更好的近似值。使用歸一參數(shù)，壓縮機(jī)的特點(diǎn)可以基于三個(gè)多項(xiàng)式表示： 為管網(wǎng)仿真模型的發(fā)展，如式的關(guān)系（4）和式（5）可能無法直接使用。從壓縮機(jī)的圖信息應(yīng)與排氣壓力，吸氣壓力和流量，吸氣壓力和流量有關(guān)。吸氣壓力ps，排出壓力pd與揚(yáng)程h之間的關(guān)系21： h值代入式（6）到（4）式，并重新安排產(chǎn)量所需的壓縮機(jī)性能方程可以被納入仿真模型 在壓縮機(jī)的性能圖的基礎(chǔ)上使用，用數(shù)學(xué)近似代表壓縮機(jī)的特點(diǎn)確定的系數(shù)進(jìn)行仿真分析。因此，壓縮

10、機(jī)的數(shù)學(xué)近似值的系數(shù)被確定為：3.1.3制定質(zhì)量平衡方程質(zhì)量平衡方程，由每個(gè)交界處的管道網(wǎng)絡(luò)根據(jù)質(zhì)量守恒的原則得到。對(duì)于如圖1所示的給定網(wǎng)絡(luò)，在路口節(jié)點(diǎn)2的質(zhì)量平衡方程表述為： 所有其他每個(gè)路口的質(zhì)量平衡方程式由相同的程序制定 如式（8）。 3.1.4循環(huán)條件基于循環(huán)的條件20，圖1所示為現(xiàn)有的管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在壓降環(huán)形分支2 - 8必須等于在支管2-4-6-7-8的壓降。由于這一事實(shí)，這兩個(gè)管道分支有一個(gè)共同的起點(diǎn)（2節(jié)點(diǎn)）和共同的終點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)8）。根據(jù)一般的流動(dòng)方程，在圖1所示的管道網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)條件可以表示為： 3.2 仿真模型解決方案的程序 圖1所示的是管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的10個(gè)壓力變量和20個(gè)流

11、量變量。管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由19個(gè)管道元件，一個(gè)壓縮機(jī)站，一個(gè)環(huán)路，和9個(gè)交匯處組成。因此有19個(gè)管流方程，一個(gè)壓縮機(jī)方程，一個(gè)循環(huán)方程和質(zhì)量平衡方程。因此有30個(gè)方程可用于管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從而30個(gè)方程有30個(gè)未知數(shù)，是管道網(wǎng)絡(luò)問題可以解決。未知數(shù)的確定是根據(jù)牛頓拉夫森迭代方案22, 23 而確定的。矩陣型式的管道網(wǎng)絡(luò)仿真模擬方程表示為22。 向量x 表示未知的壓力和流量的變量的總和，f是根據(jù)質(zhì)量平衡和循環(huán)條件及相應(yīng)的流通管道壓縮機(jī)的特性方程參數(shù)。 多元牛頓拉夫森迭代式，則(10) 變?yōu)槠渲衋為其對(duì)關(guān)于未知壓力和流量的函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)。 從公式中(11)中反復(fù)計(jì)算未知變量的值，直到相對(duì)誤差小于指定公差或

12、等于所需的值。圖2顯示了visual c+6的仿真模型的快照。visual c+代碼是以牛頓拉夫森解決方案為基礎(chǔ)模擬研發(fā)的。4.系統(tǒng)的能源消耗 利用仿真模型的基礎(chǔ)上獲得壓力和流量來評(píng)估各種配置的pns的能源消耗，從而選擇最佳的系統(tǒng)。根據(jù)公式 (12)對(duì)不同的方案進(jìn)行計(jì)算比較以選擇能源消耗最小的。 壓縮機(jī)對(duì)氣體投入的能源消耗取決于氣體的壓力和流速。壓縮機(jī)所需的能源，要考慮到20中的氣體的可壓縮性。 其中，hp是壓縮功率單位kw。 5.結(jié)果與討論 在表1和圖1所示數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)開發(fā)的仿真模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)。開發(fā)的仿真模型主要功能包括輸入?yún)?shù)的分析，評(píng)價(jià)功能模塊，網(wǎng)絡(luò)評(píng)估模塊。 圖1現(xiàn)有的輸送給不同客

13、戶天然氣的管道網(wǎng)絡(luò)。 5.1輸入?yún)?shù)的分析 這一階段的網(wǎng)絡(luò)仿真，是從用戶的輸入作出分析，已得到適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，為下一階段進(jìn)行模擬。模擬輸入包括，管道的數(shù)據(jù)，壓縮機(jī)的數(shù)據(jù)，客戶的要求，未知變量的初步估計(jì)數(shù)據(jù)和迭代次數(shù)。 5.2模擬輸出 從仿真模型的輸出包括每一個(gè)壓力和流量的變量，系統(tǒng)的壓縮比和功耗。例如，壓力源為 3500kpa而最終壓力要求為 4000kpa，是次迭代后未知壓力變量結(jié)果如表2所示。 表3表示了經(jīng)過時(shí)次迭代后在壓縮機(jī)在8500轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析的相應(yīng)結(jié)果。需要注意的是只要壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過工作限制這都可以進(jìn)行分析。初步估計(jì)壓力為4000kpa ，流量為4000m3/hr 。 表2 十次

14、迭代后的節(jié)點(diǎn)壓力 節(jié)點(diǎn)壓力【kpa】0123456789103500.002799.264151.474101.924064.664006.724030.424022.64021.884002.874002.68 表3 十次迭代后主干和分支的流量參數(shù)主要流程 流量（m3/hr） 支流 流量（m3/hr） 變量 q1 760909 qc1 133722 q2 140273 qc2 133722 q3 353192 qc3 59121.7 q4 267444 qc4 64126.5q5 123248 qc5 132794q6 229944 qc6 68645.8q7 97149.2 qc7 755

15、09.5q8 28503.4 qc8 40739.9q9 93267.4 qc9 1705.01q10 52527.5q11 50822.5 圖2 開發(fā)的仿真工具快照 圖3 前十次迭代p1收斂圖 在第十次迭代結(jié)束時(shí)，獲得了最大的壓力和流量變量的相對(duì)誤差百分比是8.1271e-17.未知的壓力和流量的最初估算是根據(jù)誤差變化確定的。為仿真模型的測試提供了廣泛范圍的初步估算，并進(jìn)行多次試驗(yàn)。從在仿真模型上進(jìn)行的試驗(yàn)，根據(jù)測試的壓力和流量的變量初步估計(jì)管線壓力的要求。連續(xù)迭代之間的相對(duì)誤差通常在迭代的開始和隨著迭代次數(shù)的增加而減少。根據(jù)不同的初始估計(jì)在節(jié)點(diǎn)1,2和主要的流量變量q1的壓力變量下進(jìn)行收斂

16、性研究。圖3圖4顯示前十次迭代節(jié)點(diǎn)壓力收斂，最終壓力的解決方案如圖1所示的初始節(jié)點(diǎn)1,2的pns估計(jì)為2500,3000和4000kp。在這兩個(gè)圖中，據(jù)觀察，節(jié)點(diǎn)壓力的解決方案從第三次迭代開始。需要注意的是其余的節(jié)點(diǎn)壓力為收斂，再節(jié)點(diǎn)2上的壓力遵循相同的趨勢。 如圖5所示前十次迭代收斂的主要流量參數(shù)q1初步估計(jì)為2500,3000和4000m3/hr 。 圖4 前十次迭代p2收斂圖 圖5 前十次迭代q1收斂圖 5.3仿真模型的驗(yàn)證基于兩個(gè)不同的管道網(wǎng)絡(luò)配置pns的仿真模型結(jié)果與其他兩個(gè)模型進(jìn)行了比較。在第一種情況下，仿真模型與gunbarrel管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1 詳盡的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了比較。管道網(wǎng)絡(luò)

17、包括6個(gè)節(jié)點(diǎn)，三個(gè)管道，兩個(gè)壓縮機(jī)站并且無閉環(huán)。表4所示的各種投入和對(duì)問題的描述很詳盡。 表4 gunbarrel網(wǎng)絡(luò)配置問題的實(shí)例項(xiàng)目 吳1 開發(fā)的仿真模型網(wǎng)絡(luò)問題 尋找最佳的節(jié)點(diǎn)壓力 查找節(jié)點(diǎn)的壓力和流量參數(shù)輸入?yún)?shù) 流量 需求和源壓力壓縮機(jī)數(shù)量 5 8壓縮機(jī)速度 - 5775rpm流動(dòng)方程 一般 一般壓縮機(jī)的特點(diǎn) 不包括 綜合管理的模擬方程解法 徹底搜索 牛頓拉夫森計(jì)劃據(jù)觀察，隨著壓縮機(jī)的速度增加，pns仿真模型的節(jié)點(diǎn)壓力越來越接近1中得到的節(jié)點(diǎn)壓力的結(jié)果。進(jìn)行各種模擬試驗(yàn)后，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)在5775rpm 時(shí)最大百分誤差為 2.37 %這時(shí)有較好的效果，相應(yīng)流量偏差為10.7%。表5顯示

18、了和發(fā)達(dá)國家pns仿真模型的詳細(xì)比較結(jié)果。 表5 gunbarrel配置仿真與結(jié)果1 的比較節(jié)點(diǎn)的壓力和流量變量 結(jié)果1 仿真模型的結(jié)果 絕對(duì)誤差p1 4112.88 4112.88 0.00p2 3433.59 3497.23 1.85p3 3640.43 3616.10 0.67p4 2850.70 2896.84 1.62p5 3088.85 3015.71 2.37p6 2101.13 2100.00 0.05q 707921 783715 10.71 第二個(gè)比較基礎(chǔ)的問題，例如從9中獲取。該網(wǎng)絡(luò)由10個(gè)管道和兩個(gè)循環(huán)組成。對(duì)于這個(gè)問題，在假定固定壓力比為每臺(tái)壓縮機(jī)時(shí)，牛頓環(huán)路節(jié)點(diǎn)的方

19、法適用于獲得壓力和流量的變量。然而，滿足預(yù)設(shè)的錯(cuò)誤線之后得到的最終節(jié)點(diǎn)壓力未能滿足以前承擔(dān)的壓力比。在cs1壓力比假定為1.8和cs2的假設(shè)是1.4.而經(jīng)壓力比后得到的解決方案實(shí)際上是cs1，cs2分別是1.34和1.1832。在進(jìn)行各種模擬試驗(yàn)之后，當(dāng)cs1壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為5025 rpm 和cs2壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4750 rpm 時(shí)的節(jié)點(diǎn)壓力和流量參數(shù)在9中所得結(jié)果附近。表6顯示了開發(fā)的環(huán)形配置的仿真模型的節(jié)點(diǎn)壓力和流動(dòng)變量與結(jié)果9之間的比較。發(fā)現(xiàn)兩種方法間的平均絕對(duì)百分誤差為5.10%。在使用9這種方法時(shí)流量方程的使用方式，分析和壓縮機(jī)站的簡單化會(huì)導(dǎo)致流量和節(jié)點(diǎn)壓力參數(shù)的變化。9中的一般流動(dòng)方

20、程已經(jīng)在發(fā)達(dá)的仿真模型中應(yīng)用。此外pns的壓縮機(jī)僅局限于詳盡的壓縮比而已。 在比較的基礎(chǔ)上開發(fā)的仿真模型是有優(yōu)越性的，因?yàn)樗藟嚎s機(jī)站這是評(píng)估網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要的詳細(xì)信息。 表6 基于gunbarrel配置的模擬結(jié)果與9結(jié)果的比較交點(diǎn)p（kpa）16的結(jié)果仿真模型的結(jié)果abs誤差%流量 m3/hr 16的結(jié)果仿真模型的結(jié)果abs誤差%p1p2p3p4p5p6p7p8p9p10 5000.004790.604818.10 4468.70 5995.40 4762.30 5634.90 5637.70 5549.90 5486.30 5000.004991.81 4990.624979.0

21、6 5936.70 4987.98 5921.97 5921.70 5918.02 5915.10 0.004.203.5811.42 0.98 4.74 5.09 5.046.63 7.82 q1q2q3q4q5q6q7q8q9q1064715.0065283.10-18713.1063429.00 26570.90 63429.00 26570.90 17924.80 30504.50 14495.50 57984.30167015.70-19649.1057453.30 27546.70 57453.30 27546.70 17763.30 29690.00 15310.00 0.402.654.04 9.42 3.67 9.42 3.67 0.90 2.67 5.62 5.4仿真模型中壓縮機(jī)性能分析與應(yīng)用 進(jìn)一步進(jìn)行了對(duì)圖1所示的pns的壓縮機(jī)的性能分析模型的研究。對(duì)壓縮機(jī)的性能分析是通過對(duì)排氣壓力(p2)和流量(q1) 實(shí)現(xiàn)的。對(duì)壓縮機(jī)的性能研究是為了使3500kp的壓力源來滿足壓力范圍從4000至5000kp的壓力要求。與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為 5000, 5500, 6000 和6500rpm的進(jìn)行分析。要注意壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速只要是在壓縮機(jī)的工作線之內(nèi)就可以。 圖6 釋放的壓力與流量的