1、 天然氣輸送管道網絡系統的性能仿真 亞伯拉罕debebe woldeyohannes1阿卜杜勒馬吉德穆罕默德阿明（universiti teknologi petronas，機械工程學系，斯里巴加灣艾斯坎達，馬來西亞31750 tronoh，）摘要：模擬已被證明是對于管道網絡系統（pns）分析有效的工具，以確定這是必要的評估系統的性能設計和運行變量。本文討論了使用模擬傳輸pns的性能分析。仿真模型的開發由pns的不同配置的流量和壓力變量確定。仿真模型的數學公式推導，基于能量守恒和質量平衡原則，壓縮機的特點對于確定的壓力和流量變量，程序開發的基礎上迭代牛頓拉夫森計劃的解決方案，并使用visual

2、 c + +6.0實現?，F有的管道網絡系統的仿真模型的評價結果表明，該模型使不少于10次迭代操作變量被確定。在管網系統，其中包括能源消耗，對壓縮比和排出壓力的工作壓縮機的性能進行了評估，以滿足在不同的速度范圍從4000-5000kpa的壓力要求。從模擬分析結果表明，該模型可用于性能分析、協助決策方面的設計和傳輸pns的最佳操作。關鍵詞：能源；輸氣管網；壓縮機站；天然氣；仿真。 1 介紹管網系統是天然氣從源傳輸到客戶的最有效的方法。當氣體通過pns移動，氣體的壓力將減少，主要是由于摩擦和傳熱。因此，氣體的壓力應被安裝在網絡壓縮機站，以保持氣體的刺激。據估計，為了彌補丟失的氣體壓力，由于種種原因，

3、將壓縮機消耗在3至5的天然氣傳輸13。這實際上是巨額成本，尤其是對網絡傳輸大體積的氣體。電源燒天然氣的成本，剩下的氣體運輸相當于每年約2億美元，為美國的傳輸系統3。據報道，輸送管道網絡系統的性能提高1，可以節省4860萬美元，導致美國網絡傳輸系統4。模擬分析系統的性能成為重要的工具之一，并在各個領域的經營或資源決策。仿真分析中起著重大的貢獻在地區的天然氣輸送網絡系統59。模擬被用來預測不同條件下的傳輸，可以決定對實際系統的設計和操作指南使用三七的行為。在設計過程中，模擬可以協助選擇的網絡結構和幾何參數滿足要求的管道。此外，它也有利于選擇應安裝在壓縮機，閥門，調節器和其他元素的網站。評估傳輸網絡

4、系統的組成部分1014的性能也進行模擬分析。pns由管道和非管元素組成，如壓縮機，穩壓器，閥門，刮削器，等等。pns的仿真是沒有非管元素，在以前的開發研究中相對比較容易處理。但是，非管元素的加入使模擬傳輸pns更加復雜，需要進一步調查。管道網絡沒有非管元素模擬是具有挑戰性的，因為它僅涉及管道和開發 9基于圖論。在分析過程中應該有更多的方程被添加到模擬方程的非管元素。壓縮機站是一個主要的任何氣體傳輸系統的組成部分非管和被視為一個關鍵因素，壓縮機站的運行成本占總傳輸公司預算的25至50 15，16。輸送管道網絡仿真分析模型與非管元素之間的基本分歧之一是壓縮機站如何在仿真建模的方法。已經有不同的研究

5、人員嘗試用pns在模擬建模壓縮機站。選項之一是考慮壓縮機站作為一個黑盒子通過設置要么吸入或排出壓力17。只有很少的資料可被納入到仿真模型來代表壓縮機站。pns的模擬過程中的壓縮機站的影響已被納入預先設定的排放壓力9，18。但是，在分析過程中忽略了壓縮機吸氣壓力，吸氣溫度，流經壓縮機的轉速。這項研究的重點在于發展為壓縮機內傳輸性能評價的仿真模型進行各種操作納入壓縮機站的細節特征，即速度，吸氣壓力，排氣壓力，流速，吸的溫度。2.問題描述根據研究的管道配置，采取從現有的部分pns。pns包括一個壓縮機站（cs）中并行工作的兩個離心式壓縮機。pns服務于八大電廠客戶和天然氣區冷卻系統（gdc）。傳輸p

6、ns詳細規范如表1所示。要發送的氣體是甲烷，乙烷（92）（5），氮（1）和其他（2）的混合物。氣體的其他相關信息包括氣體比重g=0.5，平均氣體流動溫度t=308k和氣體的壓縮因子z= 0.92。氣體流速在管段被指定為,q1,q2.等，傳遞出不同客戶的天然氣管道的流速被指定為qc1,qc2等，如圖1所示。 表1 現有的管道網絡系統規格輸氣管道特征 價格壓縮機數量 12 客戶需求 22.65至48.14的mm scmd管道數 19管道直徑 200毫米至900mm管道長度 6公里200公里3.仿真模型該仿真模型由兩部分組成;數學公式和解決方案。數學公式的討論是模擬方程的基本組成部分。如何獲取所需的

7、流量和壓力的解決方案，這是討論解決方案計劃中必不可少的壓縮機內的氣體傳輸系統性能分析。3.1數學公式1 從19壓縮機被替換成最大容量為標準的0.98萬公噸，每立方米一天在分析（mmscmd）因資料不足關于外地壓縮機。壓縮機的最高時速被限制在10500轉和壓縮機的最大頭108kj/kg。為pns模擬的數學模型根據壓縮機的性能特點被開發，氣體通過管道流動方程和質量守恒的原則。在數學公式的發展中假設為單相，干氣，不斷的氣體溫度和管道內部腐蝕可以忽略不計，3.1.1流建模氣體通過管道流可受各種因素影響，如氣性能，摩擦系數和管道的幾何形狀。上游的壓力，下游壓力和管道中的氣體流量之間的關系可謂各方程9，2

8、0。采用一般的流動方程分析。任何管道與上游壓力pi pj，下游的壓力和流通過管道qij元素的流動方程可以表示為： (1)其中kij是管流動阻力。為p千帕 k= km，qm/小時和d毫米，kij表達形式： （2）在圖1所示的管道網絡中，所有19個管流方程得到以下方程式相同的程序。 （1）。對于一個特定的情況下，有關網絡節點2和3的管流方程已給出： （3）3.1.2壓縮機站建模一般壓縮機相關數據是以壓縮機性能圖的形式提供。為了融入壓縮機的仿真模型的特點，它是必要的近似數學方程的特征圖。與離心壓縮機基本單元數量是進口體積流率q，轉速n，絕熱揚程h，和絕熱效率 。近似的數學壓縮機性能圖基于歸特點可以做

9、到。三是必要的說明壓縮機性能圖歸一化參數包括h / n2，q / n和。根據歸一參數，壓縮機的特點可以近似為兩個學位 4或三個多項式6。三多項式為地圖的特點和在本研究中的使用提供更好的近似值。使用歸一參數，壓縮機的特點可以基于三個多項式表示： 為管網仿真模型的發展，如式的關系（4）和式（5）可能無法直接使用。從壓縮機的圖信息應與排氣壓力，吸氣壓力和流量，吸氣壓力和流量有關。吸氣壓力ps，排出壓力pd與揚程h之間的關系21： h值代入式（6）到（4）式，并重新安排產量所需的壓縮機性能方程可以被納入仿真模型 在壓縮機的性能圖的基礎上使用，用數學近似代表壓縮機的特點確定的系數進行仿真分析。因此，壓縮

10、機的數學近似值的系數被確定為：3.1.3制定質量平衡方程質量平衡方程，由每個交界處的管道網絡根據質量守恒的原則得到。對于如圖1所示的給定網絡，在路口節點2的質量平衡方程表述為： 所有其他每個路口的質量平衡方程式由相同的程序制定 如式（8）。 3.1.4循環條件基于循環的條件20，圖1所示為現有的管道網絡系統，在壓降環形分支2 - 8必須等于在支管2-4-6-7-8的壓降。由于這一事實，這兩個管道分支有一個共同的起點（2節點）和共同的終點（節點8）。根據一般的流動方程，在圖1所示的管道網絡的循環條件可以表示為： 3.2 仿真模型解決方案的程序 圖1所示的是管道網絡系統中的10個壓力變量和20個流

11、量變量。管道網絡系統由19個管道元件，一個壓縮機站，一個環路，和9個交匯處組成。因此有19個管流方程，一個壓縮機方程，一個循環方程和質量平衡方程。因此有30個方程可用于管道網絡系統。從而30個方程有30個未知數，是管道網絡問題可以解決。未知數的確定是根據牛頓拉夫森迭代方案22, 23 而確定的。矩陣型式的管道網絡仿真模擬方程表示為22。 向量x 表示未知的壓力和流量的變量的總和，f是根據質量平衡和循環條件及相應的流通管道壓縮機的特性方程參數。 多元牛頓拉夫森迭代式，則(10) 變為其中a為其對關于未知壓力和流量的函數的偏導數。 從公式中(11)中反復計算未知變量的值，直到相對誤差小于指定公差或

12、等于所需的值。圖2顯示了visual c+6的仿真模型的快照。visual c+代碼是以牛頓拉夫森解決方案為基礎模擬研發的。4.系統的能源消耗 利用仿真模型的基礎上獲得壓力和流量來評估各種配置的pns的能源消耗，從而選擇最佳的系統。根據公式 (12)對不同的方案進行計算比較以選擇能源消耗最小的。 壓縮機對氣體投入的能源消耗取決于氣體的壓力和流速。壓縮機所需的能源，要考慮到20中的氣體的可壓縮性。 其中，hp是壓縮功率單位kw。 5.結果與討論 在表1和圖1所示數據的基礎上，對開發的仿真模型進行了評價。開發的仿真模型主要功能包括輸入參數的分析，評價功能模塊，網絡評估模塊。 圖1現有的輸送給不同客

13、戶天然氣的管道網絡。 5.1輸入參數的分析 這一階段的網絡仿真，是從用戶的輸入作出分析，已得到適當的數據，為下一階段進行模擬。模擬輸入包括，管道的數據，壓縮機的數據，客戶的要求，未知變量的初步估計數據和迭代次數。 5.2模擬輸出 從仿真模型的輸出包括每一個壓力和流量的變量，系統的壓縮比和功耗。例如，壓力源為 3500kpa而最終壓力要求為 4000kpa，是次迭代后未知壓力變量結果如表2所示。 表3表示了經過時次迭代后在壓縮機在8500轉的轉速進行分析的相應結果。需要注意的是只要壓縮機的轉速不超過工作限制這都可以進行分析。初步估計壓力為4000kpa ，流量為4000m3/hr 。 表2 十次

14、迭代后的節點壓力 節點壓力【kpa】0123456789103500.002799.264151.474101.924064.664006.724030.424022.64021.884002.874002.68 表3 十次迭代后主干和分支的流量參數主要流程 流量（m3/hr） 支流 流量（m3/hr） 變量 q1 760909 qc1 133722 q2 140273 qc2 133722 q3 353192 qc3 59121.7 q4 267444 qc4 64126.5q5 123248 qc5 132794q6 229944 qc6 68645.8q7 97149.2 qc7 755

15、09.5q8 28503.4 qc8 40739.9q9 93267.4 qc9 1705.01q10 52527.5q11 50822.5 圖2 開發的仿真工具快照 圖3 前十次迭代p1收斂圖 在第十次迭代結束時，獲得了最大的壓力和流量變量的相對誤差百分比是8.1271e-17.未知的壓力和流量的最初估算是根據誤差變化確定的。為仿真模型的測試提供了廣泛范圍的初步估算，并進行多次試驗。從在仿真模型上進行的試驗，根據測試的壓力和流量的變量初步估計管線壓力的要求。連續迭代之間的相對誤差通常在迭代的開始和隨著迭代次數的增加而減少。根據不同的初始估計在節點1,2和主要的流量變量q1的壓力變量下進行收斂

16、性研究。圖3圖4顯示前十次迭代節點壓力收斂，最終壓力的解決方案如圖1所示的初始節點1,2的pns估計為2500,3000和4000kp。在這兩個圖中，據觀察，節點壓力的解決方案從第三次迭代開始。需要注意的是其余的節點壓力為收斂，再節點2上的壓力遵循相同的趨勢。 如圖5所示前十次迭代收斂的主要流量參數q1初步估計為2500,3000和4000m3/hr 。 圖4 前十次迭代p2收斂圖 圖5 前十次迭代q1收斂圖 5.3仿真模型的驗證基于兩個不同的管道網絡配置pns的仿真模型結果與其他兩個模型進行了比較。在第一種情況下，仿真模型與gunbarrel管道網絡系統1 詳盡的優化技術進行了比較。管道網絡

17、包括6個節點，三個管道，兩個壓縮機站并且無閉環。表4所示的各種投入和對問題的描述很詳盡。 表4 gunbarrel網絡配置問題的實例項目 吳1 開發的仿真模型網絡問題 尋找最佳的節點壓力 查找節點的壓力和流量參數輸入參數 流量 需求和源壓力壓縮機數量 5 8壓縮機速度 - 5775rpm流動方程 一般 一般壓縮機的特點 不包括 綜合管理的模擬方程解法 徹底搜索 牛頓拉夫森計劃據觀察，隨著壓縮機的速度增加，pns仿真模型的節點壓力越來越接近1中得到的節點壓力的結果。進行各種模擬試驗后，壓縮機的轉數在5775rpm 時最大百分誤差為 2.37 %這時有較好的效果，相應流量偏差為10.7%。表5顯示

18、了和發達國家pns仿真模型的詳細比較結果。 表5 gunbarrel配置仿真與結果1 的比較節點的壓力和流量變量 結果1 仿真模型的結果 絕對誤差p1 4112.88 4112.88 0.00p2 3433.59 3497.23 1.85p3 3640.43 3616.10 0.67p4 2850.70 2896.84 1.62p5 3088.85 3015.71 2.37p6 2101.13 2100.00 0.05q 707921 783715 10.71 第二個比較基礎的問題，例如從9中獲取。該網絡由10個管道和兩個循環組成。對于這個問題，在假定固定壓力比為每臺壓縮機時，牛頓環路節點的方

19、法適用于獲得壓力和流量的變量。然而，滿足預設的錯誤線之后得到的最終節點壓力未能滿足以前承擔的壓力比。在cs1壓力比假定為1.8和cs2的假設是1.4.而經壓力比后得到的解決方案實際上是cs1，cs2分別是1.34和1.1832。在進行各種模擬試驗之后，當cs1壓縮機的轉速為5025 rpm 和cs2壓縮機轉速為4750 rpm 時的節點壓力和流量參數在9中所得結果附近。表6顯示了開發的環形配置的仿真模型的節點壓力和流動變量與結果9之間的比較。發現兩種方法間的平均絕對百分誤差為5.10%。在使用9這種方法時流量方程的使用方式，分析和壓縮機站的簡單化會導致流量和節點壓力參數的變化。9中的一般流動方

20、程已經在發達的仿真模型中應用。此外pns的壓縮機僅局限于詳盡的壓縮比而已。 在比較的基礎上開發的仿真模型是有優越性的，因為它包含了壓縮機站這是評估網絡系統的性能至關重要的詳細信息。 表6 基于gunbarrel配置的模擬結果與9結果的比較交點p（kpa）16的結果仿真模型的結果abs誤差%流量 m3/hr 16的結果仿真模型的結果abs誤差%p1p2p3p4p5p6p7p8p9p10 5000.004790.604818.10 4468.70 5995.40 4762.30 5634.90 5637.70 5549.90 5486.30 5000.004991.81 4990.624979.0

21、6 5936.70 4987.98 5921.97 5921.70 5918.02 5915.10 0.004.203.5811.42 0.98 4.74 5.09 5.046.63 7.82 q1q2q3q4q5q6q7q8q9q1064715.0065283.10-18713.1063429.00 26570.90 63429.00 26570.90 17924.80 30504.50 14495.50 57984.30167015.70-19649.1057453.30 27546.70 57453.30 27546.70 17763.30 29690.00 15310.00 0.402.654.04 9.42 3.67 9.42 3.67 0.90 2.67 5.62 5.4仿真模型中壓縮機性能分析與應用 進一步進行了對圖1所示的pns的壓縮機的性能分析模型的研究。對壓縮機的性能分析是通過對排氣壓力(p2)和流量(q1) 實現的。對壓縮機的性能研究是為了使3500kp的壓力源來滿足壓力范圍從4000至5000kp的壓力要求。與壓縮機轉速為 5000, 5500, 6000 和6500rpm的進行分析。要注意壓縮機的轉速只要是在壓縮機的工作線之內就可以。 圖6 釋放的壓力與流量的