专利名称：天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法
技术领域：
本发明是一种天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法。涉及管道系统技术领域。
背景技术：
天然气管网输送系统仿真包括稳态仿真和动态仿真两方面，稳态仿真是进行管网设计的有力工具，动态仿真能够模拟管网运行参数随时间的变化，可以针对不同的工艺设计方案进行瞬态计算，保障有效的调度管理和及时发现并处理突发事故。天然气管网输送系统动态仿真与稳态仿真相比求解难度更大，应用范围更广。而能否对管网系统进行较好 的动态仿真，关键在于建立能够准确完整地描述管网动态运行时各种状态的数学模型。2005年“天津大学论文”中“燃气管网系统安全性及仿真的理论分析与应用研究”公开了一种以三大守恒方程为基础建立等温和非等温条件下的燃气管网稳动态仿真理论模型，通过对比所得结果进行比较和分析，得出其工程的可应用性，进而为燃气管网的优化提供参考。完整的天然气管网输送系统包括管段和非管元件等。经典的天然气管网输送系统动态仿真数值模型已经可以较为准确描述灌完动态运行时的各种状况，但整体求解也比较困难，计算效率较低。对于建立满足生产应用的动态仿真数值模型，必须权衡模型准确度和计算效率两方面问题。
发明内容
本发明的目的是发明一种建立任意拓扑结构准确度和计算效率高的天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法。本发明提出的适用于任意拓扑结构天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法，是将管段及非管元件数学模型联立，离散化后进行线性化处理，形成工程上等价、可直接求解的动态仿真系统线性数值模型。本发明的流程如下(见图I):建立天然气管网输送系统动态仿真数学模型；天然气管网输送系统动态仿真数学模型离散化；离散化各节点方程后重排序；线性化处理；得到天然气管网输送系统动态仿真数值模型。所述建立天然气管网输送系统动态仿真数学模型是天然气管网输送系统主要包括管段和阀门、压缩机以及分支点等非管元件；I.管段的控制方程I)质量守恒控制方程(Ap )t+(Ap v)x = 0,0 ^ X ^ L ；t ^ O (I)
式中L为管长，m ；x为距离，m ;t为时间，s ；A管道截面积，m2 ； P为气体密度，kg/m3 ；v为气体流速,m/s。2)动量守恒控制方程
权利要求
1.一种天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法，其特征是将管段及非管元件数学模型联立，离散化后进行线性化处理，形成工程上等价、可直接求解的动态仿真系统线性数值模型； 其流程为 建立天然气管网输送系统动态仿真数学模型； 天然气管网输送系统动态仿真数学模型离散化； 离散化各节点方程后重排序； 线性化处理； 得到天然气管网输送系统动态仿真数值模型。
2.根据权利要求I所述的天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法，其特征是所述建立天然气管网输送系统动态仿真数学模型是 天然气管网输送系统主要包括管段和阀门、压缩机以及分支点非管元件； 1)管段的控制方程 (1)质量守恒控制方程 (Ap)t+(Apv)x = 0,0^x^L；t^0 (I) 式中L为管长，m ；x为距离，m ；t为时间，s ；A管道截面积，m2 ； P为气体密度，kg/m3 ；V为气体流速，m/s。
(2)动量守恒控制方程 Pf Vt + Wx + ^ + ghx + v|v| = 0, 0<x<L;t>0(2) 式中f为摩阻系数，无单位办为管道内径，m ；g为重力加速度，m/s2 ；h为管段高程，m0 (3)能量守恒控制方程 pcv(Tt+vTx) = -T[^ Vx+pJ-\vf-^L(T-Tg), 0<x<Lj>0(3) 式中=P为气体压力，Pa ；T为气体温度，V ；UW为总传热系数，ff/(m2. °C .) ；Tg为土壤温度，V ;cv为气体比热容，J/(kg. V );其它变量意义同质量守恒控制方程和动量守恒控制方程。
2)阀门的控制方程 (1)质量守恒控制方程Aup P upvup = Adw P dwvdw(4) 式中下标up表示上游变量，dw表示下游变量。
(2)压降特性方程 AUppUpVUp — Cg\J(Pup - Pdw)Pdw(5) 式中cg为阀门阻抗系数。
(3)能量守恒方程式中cp为定压比热容，kj/ (kmol K)。
3)离心式压缩机的控制方程 (1)质量守恒控制 Adw P dwvdw_Aup P UpVup — Mfuel (7) 式中MfU6l为燃料消耗。
(2)增压特性方程 Pdw = e Pup⑶ 式中e为压比。
(3)升温特性方程 f m-\ \ I Tdw = Tup 1+ sm-\ m(9) 式中m为多方指数，n为绝热效率。 B2 =々 ++ C1Q2(10) 4)分支点的控制方程 设分支管为m进n出型。
(1)连续性方程 (2)动量方程Vl < i < m V I <j <n Inpourpi = Outpourpj (3)能量方程 m = I 时，V I S n，InpourT = OutpourTjm > I 时，V2 <j <nCp定压比热容，P为压力，M质量流量，T温度；
3.根据权利要求I所述的天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法，其特征是所述天然气管网输送系统动态仿真数学模型离散化是根据管网拓扑顺序对管段进行离散，将非管元件视为边界离散； I)管段的离散化根据天然气管网拓扑排序的顺序按照一定的空间步长依次对每个管段进行空间离散，得到一系列计算节点；针对每个计算节点，将其流动的质量守恒、动量守恒、能量守恒三大控制方程分别用数值形式表示即完成管段的离散化； 2)边界的离散化 天然气管网输送系统中的边界包括外部边界和内部边界两种；外部边界主要指气源和分输点，而内部边界主要指阀门、压缩机和分支点；对于所有边界均视为一个计算节点，夕卜部边界和内部边界状态方程离散化不同的地方在于，外部边界节点状态方程只是上游或者下游中的一种情况，而内部边界节点状态方程则包括上下游节点间的约束关系； 将以上每个计算节点所得的控制方程及边界约束关系式联立起来形成一个封闭的方程组；原则上到此一般建模方法中已完成天然气管网的数值离散，管段和边界等节点状态方程排列顺序不影响离散方程组解的存在性；按照以下顺序对联立后方程组进行排序的工作 (1)管段 按照有向图的深度优先搜索算法对元件进行拓扑排序，按照在拓扑序列中出现的顺序，依次对管段的空间离散计算节点进行排序； (2)内部边界建立的计算节点间的约束关系式； (3)除分支点外外部边界建立的计算节点间的约束关系式； (4)分支点建立的计算节点间的约束关系式；
4.根据权利要求I所述的天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法，其特征是所述天然气管网输送系统动态仿真数值模型线性化是 线性化的处理方法是将数值模型中的非线性部分线性化； .1)管段流动方程线性化处理 首先对离散化后偏微分方程组按自变量重写，都写成以P、V、T为自变量的方程，形式如下 ut+Aux = F(11) 下面将非线性项Aux进行线性化处理。根据下式 其中使用[DuA(x，v) ；z]来表示位于(i，j)的元素为
全文摘要
本发明是一种天然气管网输送系统动态仿真系统建立方法。涉及管道系统技术领域。它是将管段及非管元件数学模型联立，离散化后进行线性化处理，形成工程上等价、可直接求解的动态仿真系统线性数值模型；其流程为建立天然气管网输送系统动态仿真数学模型；天然气管网输送系统动态仿真数学模型离散化；离散化各节点方程后重排序；线性化处理；得到天然气管网输送系统动态仿真数值模型。本发明建立任意拓扑结构准确度和计算效率高。
文档编号G06F17/50GK102779198SQ201110124648
公开日2012年11月14日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者宋飞, 柳建军, 艾慕阳, 赵佳丽, 郑建国, 陈国群, 鹿广辉 申请人:中国石油天然气股份有限公司