燃氣管網(wǎng)仿真技術綜述

四川科宏石油天然氣工程有限公司 殷武松

吉林建筑工程學院 朱傳芝

哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院 王海超

仿真是利用模型復現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質過程，并通過對系統(tǒng)模型的實驗來研究存在的或設計中的系統(tǒng)，又稱模擬。當所研究的系統(tǒng)造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時，仿真是一種特別有效的研究手段。仿真過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。

隨著燃氣開發(fā)規(guī)模和使用規(guī)模的不斷擴大，燃氣管道系統(tǒng)也日趨龐大和復雜，一方面使得人們更難了解和掌握管道系統(tǒng)的運行規(guī)律，分析和處理管道系統(tǒng)的事故工況，論證和提出合理的運行方案；另一方面，管道系統(tǒng)的運行狀況直接影響燃氣的產(chǎn)、供、銷，因此人們對管道系統(tǒng)的運行和管理水平的要求越來越高。為了掌握燃氣在管道內(nèi)的運行規(guī)律，合理地確定管道系統(tǒng)的設計方案和改造方案，保證管道系統(tǒng)的優(yōu)化運行，提高管道系統(tǒng)的調度管理水平，解決管網(wǎng)流動的動態(tài)特性，對各種燃氣管網(wǎng)進行不同形式的仿真是十分有意義的。

對燃氣管網(wǎng)進行的仿真主要有靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真，所有的仿真都是建立在一些合理的假設前提下的。但從工程實際應用出發(fā)，人們比較關心管網(wǎng)中各管路連接處的壓力及流量的瞬態(tài)特性、管路幾何特征、連接方式及始、終端阻抗對瞬態(tài)特性的影響，因為天然氣管道系統(tǒng)在運行過程中，由于供氣量和用氣量的變化、閥門的開關、壓縮機的啟停等，往往會使管網(wǎng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的運行狀態(tài)，加上目前管網(wǎng)運行中存在著區(qū)域供用氣不平衡、管網(wǎng)服役時間長、運行環(huán)境惡劣、管線破漏頻繁、事故隱患嚴重等問題。因此管道系統(tǒng)動態(tài)仿真是很有意義的，本文著重介紹燃氣管網(wǎng)的動態(tài)仿真技術。

1 燃氣管網(wǎng)仿真技術

上世紀 70年代，我國才開始管網(wǎng)的靜態(tài)仿真研究工作，所謂“靜態(tài)仿真”是指系統(tǒng)狀態(tài)與時間無關的工況模擬。80年代開始進行動態(tài)仿真的初步研究。由于我國燃氣管網(wǎng)仿真起步較晚，目前建模理論和求解方法主要借鑒國外的方法。

在靜態(tài)仿真方面，我國目前主要以非等溫為研究重點。在計算中，為了簡化常將氣體的流動按穩(wěn)定流動計算，即指管道內(nèi)流動狀態(tài)與時間無關。建立仿真模型時把描述靜態(tài)仿真的微分方程轉換成為在計算機上容易求解的模型，然后求得數(shù)值解。

動態(tài)仿真是指系統(tǒng)狀態(tài)與時間有關的非穩(wěn)態(tài)工況模擬。其方法可分為解析法和數(shù)值法，解析法是在一定簡化和假設下推導出一個統(tǒng)一的數(shù)學表達式，其優(yōu)點是物理意義明確，計算簡單、無需解方程組，但由于過多的簡化和假設以及對管網(wǎng)結構的嚴格限制減少了它的應用范圍和計算精度，限制了其進一步發(fā)展。數(shù)值法又分為變分法和有限差分法，變分法是從泛函理論出發(fā)的一種方法(它的代表為伽遼金法)，在計算精度和穩(wěn)定性上具有優(yōu)越性；有限差分法可分為直接差分法和特征線網(wǎng)格差分法。根據(jù)差分格式的不同，直接差分法又發(fā)展為顯式和隱式兩種方法，顯式法避免解大型方程組的麻煩，可在小型計算機上使用，但在其步長之間必須滿足一定關系，以保證計算穩(wěn)定；此外，顯式法忽略了慣性的影響，對較劇烈的瞬變流現(xiàn)象就不適用了。隱式法在計算步長方面提供了方便，使得能夠選取較大的時間步長，減少了計算次數(shù)和時間，但在計算的每一步均需聯(lián)立求解方程組，所以在進行大型管網(wǎng)的動態(tài)仿真時，要求計算機有較大的存儲量和較高的計算速度。

特征線法利用原數(shù)學模型的特征，將偏微分方程化為沿特征線上的全微分問題，對方程未作簡化處理，隨著慣性因子的引人，特征線法對時間步長的限制也放寬，這樣就減少了計算的次數(shù)和時間。此外，特征線法是用網(wǎng)絡理論來研究流體管網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)特性的一個有效方法。該方法的實質是基于描述流體管路瞬態(tài)特性的基本方程具有滿足一階雙曲型擬線性偏微分方程這一性質，引入特征方向將偏微分方程歸結為常微分方程的求解方法。將整個管網(wǎng)系統(tǒng)化分為各個元件，對每個元件畫特征線，前一個元件的輸出條件即是后一個元件的輸入條件。對于許多流體瞬變問題，當瞬變壓力變化較快，以致來不及與外界進行熱交換，可以認為流體流動是絕熱的。管網(wǎng)規(guī)模越大，該方法計算速度上的優(yōu)越性也就越明顯。上述各種方法如圖1所示。

圖1 燃氣管網(wǎng)動態(tài)仿真方法

仿真經(jīng)歷了由數(shù)字仿真到可視化仿真階段，而可視化仿真是數(shù)字模擬與科學計算可視化技術相結合的產(chǎn)物。一般地講，可視化仿真包括兩方面的內(nèi)容：一是將仿真計算中產(chǎn)生的結果轉換為圖形和圖像形式；二是仿真交互界面可視化。隨著仿真技術的發(fā)展，可視化仿真實時性要求更加嚴格，要求不僅能夠實時跟蹤顯示仿真計算結果，而且要求能夠對仿真過程進行實時干預。當前國內(nèi)可視化仿真技術研究及應用的顯著特征是實時計算機圖形及圖像處理，國內(nèi)有很多人利用 GIS(Geographical Information System)進行管網(wǎng)的可視化仿真研究。在我國，真正意義上的管網(wǎng)仿真可視化環(huán)境研制尚處于初期階段，還沒有一個非常實用的系統(tǒng)。因此開發(fā)管網(wǎng)可視化仿真軟件是值得的。

2 燃氣管網(wǎng)仿真研究中存在的主要問題

目前燃氣管網(wǎng)仿真研究中存在的問題主要有：

(1)在現(xiàn)有的仿真模型中，有一些模型為了化簡計算，忽視溫度變化，即不考慮能量方程。同時，目前進行的所有非等溫問題研究中均視環(huán)境溫度恒定，然而對于大型復雜管網(wǎng)，環(huán)境溫度不斷變化，在我國還很少有動態(tài)仿真中考慮溫度變化的相關文獻，但已經(jīng)有人在進行這方面的研究。

(2)在仿真中雖然考慮了摩擦系數(shù)及壓縮因子，但沒有考慮溫度的變化，也就忽略了管內(nèi)燃氣的流動摩擦系數(shù)及壓縮因子隨著燃氣溫度的變化而發(fā)生的變化。

(3)在利用有限差分法求解數(shù)值模型時，并未修正其中采用的中性隱式差分模型，但是，只有在該求解模型中添加人工粘性系數(shù)，即耗散項才能保證解的穩(wěn)定性。

在燃氣管網(wǎng)仿真軟件的研究方面，我國自主開發(fā)的GASFLOW和EGPNS動態(tài)仿真軟件已經(jīng)得到了初步的應用，但這兩套軟件的建模思想均忽略了溫度的變化。可見其計算所得結果對于低壓燃氣管網(wǎng)是可以接受的，相對誤差較小，但對于長輸管線、復雜的燃氣管網(wǎng)以及在燃氣和環(huán)境溫差較大時計算所得結果將會與實際情況有較大的偏差。受到動態(tài)仿真研究水平的限制，我國目前在管道在線控制系統(tǒng)仿真方面的研究工作還很薄弱，這將是我國研究的一個重要方向。

3 總結

燃氣管道仿真是對管道系統(tǒng)的特性進行描述的一種手段，它是通過計算機程序來完成的。它可自動地將系統(tǒng)的壓力、流量與管線各截而的流動特性、壓氣站特性、管道支線及城市配氣特性以及氣體的市場供應情況聯(lián)系起來。在設計階段可以用做方案比較和優(yōu)化設計；在生產(chǎn)過程可以用來制定優(yōu)化運行方案，在不影響生產(chǎn)的條件下分析系統(tǒng)的工作狀況，預測和預報事故的發(fā)生，以提供調度在線運行決策，這對安全性要求特別嚴格的輸氣管來說，顯得格外迫切和重要。對燃氣輸配管網(wǎng)的仿真主要有靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真兩種類型，但是從工程實際應用出發(fā)，人們比較關心管網(wǎng)中的壓力及流量等的瞬態(tài)特性，因此對管道系統(tǒng)進行動態(tài)仿真是很有意義的。目前的動態(tài)仿真技術較多，國內(nèi)學者也已經(jīng)將很多方法進行了改進和應用，但是仍然存在一些簡化計算不可忽略的問題，值得進一步的深入研究，并與管線在線控制或可視化模塊結合，最終形成可靠的燃氣管網(wǎng)仿真軟件系統(tǒng)，這將是我國燃氣管網(wǎng)仿真的一個重要研究方向。