動(dòng)態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、動(dòng)態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用動(dòng)態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用李彤民吳長(zhǎng)春梁江摘要概述了動(dòng)態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計(jì)中的作用和意義，闡述了傳統(tǒng)的工藝穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)方法的局限性，提出了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法的基本原則與步驟。通過實(shí)例對(duì)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，指出動(dòng)態(tài)模擬是提高輸氣管道工藝設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵。主題詞主題詞輸氣管道動(dòng)態(tài)模擬工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用一、引一、引言工藝設(shè)計(jì)是輸氣管道設(shè)計(jì)中的最基本內(nèi)容。工藝設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的選擇在很大程度上影響輸氣管道

2、運(yùn)行的可靠性和投資效益。在干線輸氣管道設(shè)計(jì)中，對(duì)工藝設(shè)計(jì)方案的基本技術(shù)要求是：能比較可靠地滿足目標(biāo)用戶需求，具有較大的運(yùn)行靈活性。此外，在滿足技術(shù)要求的前提下，工藝設(shè)計(jì)方案還應(yīng)有較好的經(jīng)濟(jì)性。在70年代以前，由于設(shè)計(jì)手段的限制，輸氣管道工藝設(shè)計(jì)方案的確定基本上是以穩(wěn)態(tài)工藝計(jì)算為基礎(chǔ)的。自70年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為輸氣管道設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的手段。特別是進(jìn)入80年代后，國(guó)外輸氣管道工藝模擬軟件的發(fā)展相當(dāng)迅速，目前已有多種商業(yè)軟件在世界

3、各地使用，其中比較著名的有Stoner、SIMONE、TG、Gregg、LIC等。這些商業(yè)軟件均同時(shí)具有穩(wěn)態(tài)工況模擬和動(dòng)態(tài)工況模擬的功能，設(shè)計(jì)人員可以利用這些軟件對(duì)輸氣管道的工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行任何工況下的動(dòng)態(tài)模擬，從而對(duì)方案的可行性、可靠性、靈活性和合理性做出更客觀的評(píng)價(jià)，并根據(jù)對(duì)多種方案的比選和評(píng)價(jià)結(jié)果選出較好的方案。多年來，這些軟件已在全世界許多輸氣管道的設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，既提高了輸氣管道工藝設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，又在很大程度上改變了工藝設(shè)

4、計(jì)人員傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)觀念。二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)方法的局限性二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)方法的局限性〔1〕〔〕〔2〕穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)是輸氣管道工藝設(shè)計(jì)的基本方法，其出發(fā)點(diǎn)是假設(shè)管道在設(shè)計(jì)流量下按穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行。然而，輸氣管道的實(shí)際流量往往是變化的。這種變化不僅來源于運(yùn)行壽命期內(nèi)管道年輸氣量的變化，而且在年輸氣量一定的前提下，管道在一年中的實(shí)際流量往往隨季節(jié)、月份、周、日而變化，即使在一日之中也會(huì)隨小時(shí)而變化。例如，北京市在某一年的用氣高峰周的最大用氣量為26.54104N

5、m3／h，最小用氣量為2.24104Nm3／h。因此，在對(duì)輸氣管道進(jìn)行穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)最基本的問題是確定管道的設(shè)計(jì)流量。如果管道的年輸氣量在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)有較大幅度的變化，通常需要根據(jù)年輸氣量的具體變化情況選擇多個(gè)設(shè)計(jì)流量，并針對(duì)這些流量分別進(jìn)(城市配氣管網(wǎng))，其用氣量幾乎時(shí)刻都在變化。因此，為城市配氣系統(tǒng)供氣的干線輸氣管道的工況基本上都是非穩(wěn)態(tài)的。此外，由于氣體的壓縮性大，故由擾動(dòng)引起的非穩(wěn)態(tài)工況在輸氣管道中延續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，這一因素也在

6、很大程度上決定了輸氣管道難以達(dá)到真正的穩(wěn)態(tài)工況。正因?yàn)槿绱?，在輸氣管道的工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理中引入動(dòng)態(tài)模擬是完全必要的，而且在當(dāng)今計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)高度發(fā)展的時(shí)代也是完全可行的。輸氣管道非穩(wěn)態(tài)工況的模擬基于下述基本方程組：連續(xù)性方程（1）能量方程（2）動(dòng)量方程（3）氣體狀態(tài)方程ρ＝ρ（p，T）（4）為了對(duì)一個(gè)具體的輸氣管道系統(tǒng)在某段時(shí)間內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，需要根據(jù)該系統(tǒng)在這段時(shí)間內(nèi)的初始條件和邊界條件求解上述方程組，及求解一個(gè)偏微分方

7、程組的定解問題。對(duì)于這類定解問題，目前主要采取各種數(shù)值方法求解，這些方法基本上可分為隱式中心差分法和特征線差分法兩類。由于數(shù)值方法的實(shí)現(xiàn)在很大程度上要依賴數(shù)字計(jì)算機(jī)，故國(guó)外已有多家公司推出了商品化的輸氣管道工藝模擬軟件。這些軟件的功能大致相同，一般都有穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬功能，其差別主要在于某些輔助功能和人機(jī)交互界面。工藝模擬軟件的應(yīng)用為輸氣管道設(shè)計(jì)人員和運(yùn)行管理人員提供了很大的方便，也使得輸氣管道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理水平有了很大提高。單從工