燃气管网仿真技术综述

四川科宏石油天然气工程有限公司 殷武松

吉林建筑工程学院 朱传芝

哈尔滨工业大学市政环境工程学院 王海超

仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。

随着燃气开发规模和使用规模的不断扩大，燃气管道系统也日趋庞大和复杂，一方面使得人们更难了解和掌握管道系统的运行规律，分析和处理管道系统的事故工况，论证和提出合理的运行方案；另一方面，管道系统的运行状况直接影响燃气的产、供、销，因此人们对管道系统的运行和管理水平的要求越来越高。为了掌握燃气在管道内的运行规律，合理地确定管道系统的设计方案和改造方案，保证管道系统的优化运行，提高管道系统的调度管理水平，解决管网流动的动态特性，对各种燃气管网进行不同形式的仿真是十分有意义的。

对燃气管网进行的仿真主要有静态仿真和动态仿真，所有的仿真都是建立在一些合理的假设前提下的。但从工程实际应用出发，人们比较关心管网中各管路连接处的压力及流量的瞬态特性、管路几何特征、连接方式及始、终端阻抗对瞬态特性的影响，因为天然气管道系统在运行过程中，由于供气量和用气量的变化、阀门的开关、压缩机的启停等，往往会使管网系统处于不稳定的运行状态，加上目前管网运行中存在着区域供用气不平衡、管网服役时间长、运行环境恶劣、管线破漏频繁、事故隐患严重等问题。因此管道系统动态仿真是很有意义的，本文着重介绍燃气管网的动态仿真技术。

1 燃气管网仿真技术

上世纪 70年代，我国才开始管网的静态仿真研究工作，所谓“静态仿真”是指系统状态与时间无关的工况模拟。80年代开始进行动态仿真的初步研究。由于我国燃气管网仿真起步较晚，目前建模理论和求解方法主要借鉴国外的方法。

在静态仿真方面，我国目前主要以非等温为研究重点。在计算中，为了简化常将气体的流动按稳定流动计算，即指管道内流动状态与时间无关。建立仿真模型时把描述静态仿真的微分方程转换成为在计算机上容易求解的模型，然后求得数值解。

动态仿真是指系统状态与时间有关的非稳态工况模拟。其方法可分为解析法和数值法，解析法是在一定简化和假设下推导出一个统一的数学表达式，其优点是物理意义明确，计算简单、无需解方程组，但由于过多的简化和假设以及对管网结构的严格限制减少了它的应用范围和计算精度，限制了其进一步发展。数值法又分为变分法和有限差分法，变分法是从泛函理论出发的一种方法(它的代表为伽辽金法)，在计算精度和稳定性上具有优越性；有限差分法可分为直接差分法和特征线网格差分法。根据差分格式的不同，直接差分法又发展为显式和隐式两种方法，显式法避免解大型方程组的麻烦，可在小型计算机上使用，但在其步长之间必须满足一定关系，以保证计算稳定；此外，显式法忽略了惯性的影响，对较剧烈的瞬变流现象就不适用了。隐式法在计算步长方面提供了方便，使得能够选取较大的时间步长，减少了计算次数和时间，但在计算的每一步均需联立求解方程组，所以在进行大型管网的动态仿真时，要求计算机有较大的存储量和较高的计算速度。

特征线法利用原数学模型的特征，将偏微分方程化为沿特征线上的全微分问题，对方程未作简化处理，随着惯性因子的引人，特征线法对时间步长的限制也放宽，这样就减少了计算的次数和时间。此外，特征线法是用网络理论来研究流体管网系统动态特性的一个有效方法。该方法的实质是基于描述流体管路瞬态特性的基本方程具有满足一阶双曲型拟线性偏微分方程这一性质，引入特征方向将偏微分方程归结为常微分方程的求解方法。将整个管网系统化分为各个元件，对每个元件画特征线，前一个元件的输出条件即是后一个元件的输入条件。对于许多流体瞬变问题，当瞬变压力变化较快，以致来不及与外界进行热交换，可以认为流体流动是绝热的。管网规模越大，该方法计算速度上的优越性也就越明显。上述各种方法如图1所示。

图1 燃气管网动态仿真方法

仿真经历了由数字仿真到可视化仿真阶段，而可视化仿真是数字模拟与科学计算可视化技术相结合的产物。一般地讲，可视化仿真包括两方面的内容：一是将仿真计算中产生的结果转换为图形和图像形式；二是仿真交互界面可视化。随着仿真技术的发展，可视化仿真实时性要求更加严格，要求不仅能够实时跟踪显示仿真计算结果，而且要求能够对仿真过程进行实时干预。当前国内可视化仿真技术研究及应用的显著特征是实时计算机图形及图像处理，国内有很多人利用 GIS(Geographical Information System)进行管网的可视化仿真研究。在我国，真正意义上的管网仿真可视化环境研制尚处于初期阶段，还没有一个非常实用的系统。因此开发管网可视化仿真软件是值得的。

2 燃气管网仿真研究中存在的主要问题

目前燃气管网仿真研究中存在的问题主要有：

(1)在现有的仿真模型中，有一些模型为了化简计算，忽视温度变化，即不考虑能量方程。同时，目前进行的所有非等温问题研究中均视环境温度恒定，然而对于大型复杂管网，环境温度不断变化，在我国还很少有动态仿真中考虑温度变化的相关文献，但已经有人在进行这方面的研究。

(2)在仿真中虽然考虑了摩擦系数及压缩因子，但没有考虑温度的变化，也就忽略了管内燃气的流动摩擦系数及压缩因子随着燃气温度的变化而发生的变化。

(3)在利用有限差分法求解数值模型时，并未修正其中采用的中性隐式差分模型，但是，只有在该求解模型中添加人工粘性系数，即耗散项才能保证解的稳定性。

在燃气管网仿真软件的研究方面，我国自主开发的GASFLOW和EGPNS动态仿真软件已经得到了初步的应用，但这两套软件的建模思想均忽略了温度的变化。可见其计算所得结果对于低压燃气管网是可以接受的，相对误差较小，但对于长输管线、复杂的燃气管网以及在燃气和环境温差较大时计算所得结果将会与实际情况有较大的偏差。受到动态仿真研究水平的限制，我国目前在管道在线控制系统仿真方面的研究工作还很薄弱，这将是我国研究的一个重要方向。

3 总结

燃气管道仿真是对管道系统的特性进行描述的一种手段，它是通过计算机程序来完成的。它可自动地将系统的压力、流量与管线各截而的流动特性、压气站特性、管道支线及城市配气特性以及气体的市场供应情况联系起来。在设计阶段可以用做方案比较和优化设计；在生产过程可以用来制定优化运行方案，在不影响生产的条件下分析系统的工作状况，预测和预报事故的发生，以提供调度在线运行决策，这对安全性要求特别严格的输气管来说，显得格外迫切和重要。对燃气输配管网的仿真主要有静态仿真和动态仿真两种类型，但是从工程实际应用出发，人们比较关心管网中的压力及流量等的瞬态特性，因此对管道系统进行动态仿真是很有意义的。目前的动态仿真技术较多，国内学者也已经将很多方法进行了改进和应用，但是仍然存在一些简化计算不可忽略的问题，值得进一步的深入研究，并与管线在线控制或可视化模块结合，最终形成可靠的燃气管网仿真软件系统，这将是我国燃气管网仿真的一个重要研究方向。