输气管网的静态仿真研究与系统设计

高 扬， 韩云萍， 潘 振， 王桂霞， 刘培胜， 高 兴

(1.辽宁石油化工大学 计算机与通信工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；3.中国石油抚顺石化公司 石油三厂，辽宁 抚顺 113001)

输气管网的静态仿真研究与系统设计

高 扬1， 韩云萍1， 潘 振2， 王桂霞3， 刘培胜1， 高 兴1

(1.辽宁石油化工大学 计算机与通信工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；3.中国石油抚顺石化公司 石油三厂，辽宁 抚顺 113001)

随着输气管网技术的不断发展，计算机仿真技术在输气管网上的应用也不断加大。把仿真模型与计算机模拟相结合，可以有效地应用到实际生产中，真实地表现天然气输气管网内气体的流动规律，确保天然气输气管网合理、优化地运行。在全面、系统地研究 TGNET、SPS等软件的基础上，使用当前天然气物性计算最精确的方程式MBWRS状态方程，以及四阶龙格-库塔法(Runge-Kutte)来求解输气管网的稳定流动微分方程组。并以C#软件为工具，结合相关软件的优势，充分考虑初始和边界条件及输气管网的焦耳-汤姆逊效应等，开发了仿真软件，更适用于压缩机、管道、阀门、气田等组成的多气源任意管网。与TGNET软件相对比可知，计算结果可信度较高，可作为非稳态流动模拟的初始值，具有较高的工程应用价值。

天然气； 输气管网； 仿真软件； 数学模型； 稳定流动； 龙格-库塔法； TGNET

我国天然气工业发展十分迅速，受供气系统设备故障、供气不足等多方面因素影响，天然气的供应量在不断变化[1]。居民和工业生产呈现出不均匀的用气规律，因此输气管网负荷随时变化，由于气体具有可压缩性，压力、流速和温度等参数的变化滞后和衰减，导致输气管网的工况始终处于动态(不稳定流)的过程[2]。

随着输气管网的高速发展，需要对沿线输气管网的不稳定流动过程进行模拟和研究[3]，一般采用静态计算的参数值来确定初始值。输气管网的稳定流动，是指气体在输气管网任一截面上的质量流量是一个常数，即气体的质量流量不随时间及距离而改变。

输气管网的系统仿真大都是基于TGNET、SPS等软件来完成的。然而现有的仿真软件在研究稳态模拟时，其公式推导都假设气体在管网中的流动过程是等温过程，但输气管网具有焦耳-汤姆逊效应，流动过程不可能是等温过程[4-7]。本文开发的仿真软件基于气体的连续性方程、运动方程、能量方程和气体状态方程，充分考虑了初始和边界条件以及节流效应等问题，并运用MBWRS状态方程，以及Runge-Kutte来求解输气管网的稳定流动，该解即为输气管网不稳定流动仿真模拟的初始值。

1 天然气物性计算

在管输天然气过程中，当水力、热力计算时应该计算天然气的各种热物性参数，即使用状态方程。而且随着输气管网仿真技术的不断发展，针对模型精度的要求也不断提高，因而计算天然气的热物性及建立热力学模型时，就要应用准确的状态方程。因此，提出了改写的BWRS状态方程即MBWRS状态方程。

2.1 BWRS状态方程

BWRS状态方程的基本形式[8]：

式中，ρ为气体的浓度，kmol/m3；p为系统的压力，kPa；T为气体的温度，K；R为气体常数，8.314 3 kJ/(kmol·K)；A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ为状态方程的11个参数。

2.2 MBWRS状态方程

MBWRS为改写的BWRS状态方程，将BWRS状态方程中的11个参数进行改写，把BWRS方程中的函数关系变换成无因次或齐次函数关系。使用MBWRS状态方程，既可以使用国际单位制，又能够应用非国际单位制。因此，在计算过程中不用进行单位制的转换，避免了管道在静态模拟以及其他计算中的单位换算带来的累积误差，比BWRS状态方程更准确。

对BWRS状态方程中的各个参数进行如下方式改写：

式中，W为平均相对分子质量；A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ11个参数的关系式依旧不变，而且混合规则也保持不变。则BWRS状态方程转化为[9]：

(2)

式(2)即为MBWRS状态方程，其中气体的浓度ρ其因次为ML-3，系统的压力p其因次为ML-1T-2，气体的温度T其因次为Θ，气体常数R其因次为L2T-2Θ-1。

2 数学模型的建立与求解

通过流体力学的基本原理推导得到动量方程、能量方程和连续性方程，建立水平输气管网的数学模型[10-11]。

运动方程：

(3)

能量方程：

(4)

连续性方程：

(5)

式中，h为气体的比焓，J/kg；u为气体的流速，m/s；Q为单位质量流量气体的吸热量，J/kg；f气体流动的摩擦因子。

式(3)—(5)可整理成以下形式[12]：

(6)

方程组(6)中的物性参数都是压力与温度的函数，对于给定温度、压力、流量，都可以利用MBWRS气体状态方程和相关的热力学性质来求解，并应用四阶龙格-库塔(Runge-Kutte)算法求解输气管道的稳定流动。该算法计算简单、精度较高[13-14]。

(7)

式中，K1、K2、K3、K4为输出变量的一阶导数，即在某一点处的微分。

计算步骤如下：

(6)利用四阶龙格-库塔积分求出各个变量增量值后的值：

反复运算式(1)—(6)，得出输气管道各截面的参数。

3 软件设计与特色

3.1 系统结构图

输气管网静态仿真系统以Microsoft Visual Studio 2010为开发平台、C#程序设计语言为开发工具。Microsoft.NET是微软的新一代技术开发平台，为敏捷商务构建标准的、联通的、适应变化的、稳定的和高性能的互联互通应用系统。通用语言运行时(Common Language Runtime, CLR)和Microsoft.NET框架类库[15]是Microsoft.NET平台的主要内核，.NET应用是使用.NET Framework类库来编写，并运行于CLR之上的应用程序。而C#语言是微软公司专门为.NET量身打造的编程语言，是一种全新的计算机编程语言，汇集了多种语言优秀的特点，并具有自身的特性。

输气管网静态仿真系统可以对准备建设的输气管网各个组件模块实现自动绘制，并且可以调整组件顺序、灵活组合。按照实际工程为各组件设定相应参数，输入该管网内实际传输的介质，可以是单一气体也可以是复杂气体，若为复杂气体，可灵活设置各组分的百分比，然后实现输气管网的静态仿真，精确稳定地模拟天然气在输气管网内运行情况，模拟结果可以以曲线图的方式直观地显示给用户，还可以以Excel表格形式显示，方便使用者对数据做进一步处理。该系统对输气管网系统的优化设计及调度起着十分重要的作用。输气管网静态仿真系统结构如图1所示，该系统由管网工程画图模块、模拟计算模块和结果显示模块3大模块构成。

图1 输气管网静态仿真系统结构

管网工程画图模块用于对天然气传输组件绘制，以图型的方式模拟真实的天然气传输，由输入、管道、阀门、压缩机、输出和插入气体6个组件构成，用在设计出的管网中插入传输的气体，模拟真实的气体运输情况，有助于用户的设计与分析。

模拟计算模块用于对管网的测试和分析，用户可以通过改变气体参数获得不同气体运输时的管道测量数据，有效地对天然气传输安全性做出评估，同时可以计算出每个组件各时段各位置的模拟数据，对天然气供应方案做出具体调整。

结果显示模块用于保存各种设计和仿真结果，结果以曲线和Excel报表的两种形式生成，曲线可以直观地表示仿真结果，并当鼠标放置曲线上的某点时，自动显示该点的仿真结果，即直观的曲线与精确的数据相结合。结果也可以存放在Excel报表中，该形式有助于使用者保留计算结果，方便使用者对比不同时间段的数据及对数据做进一步的分析。

3.2 工作流程

首先根据管网设计说明书，绘出传输管网并设置管网中各组件的参数，插入工艺中要传输的气体，然后进行静态仿真计算，最后查看仿真结果，输气管网静态仿真系统流程如图2所示。

图2 输气管网静态仿真系统流程

3.3 软件特色

为了确保仿真系统软件的实用性，在深入了解TGNET、SPS等软件的基础上，有效地结合软件计算的精确性和软件界面的友好性做出详尽的设计，保证计算的可靠性和准确性。操作简单、明确，具有很强的适用性。

采用C#语言进行仿真系统开发，操作简单高效，具有直观友好的人机界面、全功能的图形界面、稳定的数字求解技术。充分考虑了初始、边界条件，以及变径管的焦耳-汤姆逊效应，较为真实地反映了实际输气管网的运行情况；完备的设备模拟，特别是对实际输气管网中的压缩机、阀门、变径管等组件的模拟；多约束条件设定，温度、气体属性跟踪，系统全面地分析了输气管网的压力、流速和温度的变化趋势。

此仿真系统软件具有较广泛的应用范围，适用于相关专业技术人员、调度人员及现场工作人员等，能够实现输气管网的可视化，以及对历史数据的连续、精确的仿真模拟。本软件可以对输气管网的正常工况和事故工况进行分析，测试和评价输气管网的设计及操作参数的设置情况，最终获得优化的系统性能。

图3 某市 T 型高压天然气管网示意图

4 实例应用及对比分析

气管网示意图如图3所示，各管段长度、管径、用户用气信息及压缩机、节流阀各参数、地温等已知，管网内传输介质为单一气源，供气压力为5.097 MPa，天然气各组分的摩尔分数如表1所示。

表1 天然气各组分的摩尔分数 %

为了验证所开发仿真模拟软件的实用性与可靠性，利用TGNET软件对实际运行管网进行水力、热力计算。管径及管道长度取值见表2，开发仿真模拟软件与TGNET软件计算结果对比见表3。

表2 管径及管道长度取值

表3 管网水力、热力计算结果对比

续表3

注：T表示TGNET软件计算结果；B表示本文开发软件计算结果。

通过对管网水力、热力计算结果分析，可以得到以下结果：

(1)TGNET软件计算管网沿线压力与本文软件计算结果基本吻合，管网沿线压力最大计算误差为-2.38%，最小误差为0，满足实际工程精度要求。

(2)输气管网沿线流速随出站口距离逐渐升高，沿线流速最大计算误差为3.95%。该软件结合了TGNET软件的优点，分析了管道气体流速的变化情况，由于气体的可压缩性，输气管网沿线流速不仅受管径的影响，而且与管内压力、温度有直接关系。

(3)管网沿线温度最大计算误差为-3.53%。本文软件不仅考虑了输气管网沿线的温度变化，还分析了输气管网沿线的地温对稳定流动的影响，由于焦耳-汤姆逊效应的作用，有可能呈现输气管网内气体温度比土壤温度低的情况。

5 结 论

通过与TGNET软件对比，本文软件计算结果与之十分接近，而且各参数的变化趋势也大致相同，证明了仿真系统程序的正确性。将输气管网仿真程序与可视化技术相结合，更加科学、直观地为输气管网的安全、经济、高效运行提供可靠的保障，具有一定的实际应用价值。

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Static Simulation Research and System Design of Gas Transmission Pipeline Network

Gao Yang1， Han Yunping1， Pan Zhen2， Wang Guixia3， Liu Peisheng1， Gao Xing1

(1.SchoolofComputerandCommunicationEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China;2.CollegeofPetroleumEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China;3.FushunNo.3FactoryofCNPC,FushunLiaoning113001,China)

With the continuous development of gas transmission pipeline technology, application of computer simulation technology in the gas pipeline network is also increasing. The simulation model combined with the computer, can be effectively applied to the actual production, the true performance of the gas flow rule of gas in transmission line to ensure that natural gas pipeline reasonable optimization operation. Based on a comprehensive, systematic study of TGNET, SPS and other software ,useing the equation MBWRS equation of state the most accurate current gas properties calculation, and the fourth order Runge-Kutta method to solve the gas pipe network steady flow differential equations. And by means of C# software, combined with the advantages of related software, give full consideration to the initial and boundary conditions as well as the gas pipeline Joule-Thomson effect, etc. The simulation software is developed, and it's more suitable for compressors, pipes, valves, gas and other components of the source of arbitrary network. Compared with the TGNET software, the calculate results are reliable,and can be used as the initial value of the unsteady flow simulation,which has higher engineering application value.

Natural gas; Gas transmission pipeline; Simulation software; Mathematical model; Steady flow; Runge-Kutta method; TGNET

1672-6952(2017)05-0061-06

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2017-02-23

2017-03-29

辽宁省高等学校优秀人才支持计划资助项目(LJQ2014038)；辽宁省大学生创新训练计划项目(201510148022)。

高扬(1995-)，男，本科生，计算机科学与技术专业，从事计算机应用、软件开发研究；E-mail：1211589743@qq.com。

韩云萍(1981-)，女，硕士，讲师，从事计算机图形学、计算机应用研究；E-mail：39143960@qq.com。

TE8

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.05.012

(编辑 陈 雷)