天然气输送管道网络系统的性能仿真

1、 天然气输送管道网络系统的性能仿真 亚伯拉罕debebe woldeyohannes1阿卜杜勒马吉德穆罕默德阿明（universiti teknologi petronas，机械工程学系，斯里巴加湾艾斯坎达，马来西亚31750 tronoh，）摘要：模拟已被证明是对于管道网络系统（pns）分析有效的工具，以确定这是必要的评估系统的性能设计和运行变量。本文讨论了使用模拟传输pns的性能分析。仿真模型的开发由pns的不同配置的流量和压力变量确定。仿真模型的数学公式推导，基于能量守恒和质量平衡原则，压缩机的特点对于确定的压力和流量变量，程序开发的基础上迭代牛顿拉夫森计划的解决方案，并使用visual

2、 c + +6.0实现。现有的管道网络系统的仿真模型的评价结果表明，该模型使不少于10次迭代操作变量被确定。在管网系统，其中包括能源消耗，对压缩比和排出压力的工作压缩机的性能进行了评估，以满足在不同的速度范围从4000-5000kpa的压力要求。从模拟分析结果表明，该模型可用于性能分析、协助决策方面的设计和传输pns的最佳操作。关键词：能源；输气管网；压缩机站；天然气；仿真。 1 介绍管网系统是天然气从源传输到客户的最有效的方法。当气体通过pns移动，气体的压力将减少，主要是由于摩擦和传热。因此，气体的压力应被安装在网络压缩机站，以保持气体的刺激。据估计，为了弥补丢失的气体压力，由于种种原因，

3、将压缩机消耗在3至5的天然气传输13。这实际上是巨额成本，尤其是对网络传输大体积的气体。电源烧天然气的成本，剩下的气体运输相当于每年约2亿美元，为美国的传输系统3。据报道，输送管道网络系统的性能提高1，可以节省4860万美元，导致美国网络传输系统4。模拟分析系统的性能成为重要的工具之一，并在各个领域的经营或资源决策。仿真分析中起着重大的贡献在地区的天然气输送网络系统59。模拟被用来预测不同条件下的传输，可以决定对实际系统的设计和操作指南使用三七的行为。在设计过程中，模拟可以协助选择的网络结构和几何参数满足要求的管道。此外，它也有利于选择应安装在压缩机，阀门，调节器和其他元素的网站。评估传输网络

4、系统的组成部分1014的性能也进行模拟分析。pns由管道和非管元素组成，如压缩机，稳压器，阀门，刮削器，等等。pns的仿真是没有非管元素，在以前的开发研究中相对比较容易处理。但是，非管元素的加入使模拟传输pns更加复杂，需要进一步调查。管道网络没有非管元素模拟是具有挑战性的，因为它仅涉及管道和开发 9基于图论。在分析过程中应该有更多的方程被添加到模拟方程的非管元素。压缩机站是一个主要的任何气体传输系统的组成部分非管和被视为一个关键因素，压缩机站的运行成本占总传输公司预算的25至50 15，16。输送管道网络仿真分析模型与非管元素之间的基本分歧之一是压缩机站如何在仿真建模的方法。已经有不同的研究

5、人员尝试用pns在模拟建模压缩机站。选项之一是考虑压缩机站作为一个黑盒子通过设置要么吸入或排出压力17。只有很少的资料可被纳入到仿真模型来代表压缩机站。pns的模拟过程中的压缩机站的影响已被纳入预先设定的排放压力9，18。但是，在分析过程中忽略了压缩机吸气压力，吸气温度，流经压缩机的转速。这项研究的重点在于发展为压缩机内传输性能评价的仿真模型进行各种操作纳入压缩机站的细节特征，即速度，吸气压力，排气压力，流速，吸的温度。2.问题描述根据研究的管道配置，采取从现有的部分pns。pns包括一个压缩机站（cs）中并行工作的两个离心式压缩机。pns服务于八大电厂客户和天然气区冷却系统（gdc）。传输p

6、ns详细规范如表1所示。要发送的气体是甲烷，乙烷（92）（5），氮（1）和其他（2）的混合物。气体的其他相关信息包括气体比重g=0.5，平均气体流动温度t=308k和气体的压缩因子z= 0.92。气体流速在管段被指定为,q1,q2.等，传递出不同客户的天然气管道的流速被指定为qc1,qc2等，如图1所示。 表1 现有的管道网络系统规格输气管道特征 价格压缩机数量 12 客户需求 22.65至48.14的mm scmd管道数 19管道直径 200毫米至900mm管道长度 6公里200公里3.仿真模型该仿真模型由两部分组成;数学公式和解决方案。数学公式的讨论是模拟方程的基本组成部分。如何获取所需的

7、流量和压力的解决方案，这是讨论解决方案计划中必不可少的压缩机内的气体传输系统性能分析。3.1数学公式1 从19压缩机被替换成最大容量为标准的0.98万公吨，每立方米一天在分析（mmscmd）因资料不足关于外地压缩机。压缩机的最高时速被限制在10500转和压缩机的最大头108kj/kg。为pns模拟的数学模型根据压缩机的性能特点被开发，气体通过管道流动方程和质量守恒的原则。在数学公式的发展中假设为单相，干气，不断的气体温度和管道内部腐蚀可以忽略不计，3.1.1流建模气体通过管道流可受各种因素影响，如气性能，摩擦系数和管道的几何形状。上游的压力，下游压力和管道中的气体流量之间的关系可谓各方程9，2

8、0。采用一般的流动方程分析。任何管道与上游压力pi pj，下游的压力和流通过管道qij元素的流动方程可以表示为： (1)其中kij是管流动阻力。为p千帕 k= km，qm/小时和d毫米，kij表达形式： （2）在图1所示的管道网络中，所有19个管流方程得到以下方程式相同的程序。 （1）。对于一个特定的情况下，有关网络节点2和3的管流方程已给出： （3）3.1.2压缩机站建模一般压缩机相关数据是以压缩机性能图的形式提供。为了融入压缩机的仿真模型的特点，它是必要的近似数学方程的特征图。与离心压缩机基本单元数量是进口体积流率q，转速n，绝热扬程h，和绝热效率 。近似的数学压缩机性能图基于归特点可以做

9、到。三是必要的说明压缩机性能图归一化参数包括h / n2，q / n和。根据归一参数，压缩机的特点可以近似为两个学位 4或三个多项式6。三多项式为地图的特点和在本研究中的使用提供更好的近似值。使用归一参数，压缩机的特点可以基于三个多项式表示： 为管网仿真模型的发展，如式的关系（4）和式（5）可能无法直接使用。从压缩机的图信息应与排气压力，吸气压力和流量，吸气压力和流量有关。吸气压力ps，排出压力pd与扬程h之间的关系21： h值代入式（6）到（4）式，并重新安排产量所需的压缩机性能方程可以被纳入仿真模型 在压缩机的性能图的基础上使用，用数学近似代表压缩机的特点确定的系数进行仿真分析。因此，压缩

10、机的数学近似值的系数被确定为：3.1.3制定质量平衡方程质量平衡方程，由每个交界处的管道网络根据质量守恒的原则得到。对于如图1所示的给定网络，在路口节点2的质量平衡方程表述为： 所有其他每个路口的质量平衡方程式由相同的程序制定 如式（8）。 3.1.4循环条件基于循环的条件20，图1所示为现有的管道网络系统，在压降环形分支2 - 8必须等于在支管2-4-6-7-8的压降。由于这一事实，这两个管道分支有一个共同的起点（2节点）和共同的终点（节点8）。根据一般的流动方程，在图1所示的管道网络的循环条件可以表示为： 3.2 仿真模型解决方案的程序 图1所示的是管道网络系统中的10个压力变量和20个流

11、量变量。管道网络系统由19个管道元件，一个压缩机站，一个环路，和9个交汇处组成。因此有19个管流方程，一个压缩机方程，一个循环方程和质量平衡方程。因此有30个方程可用于管道网络系统。从而30个方程有30个未知数，是管道网络问题可以解决。未知数的确定是根据牛顿拉夫森迭代方案22, 23 而确定的。矩阵型式的管道网络仿真模拟方程表示为22。 向量x 表示未知的压力和流量的变量的总和，f是根据质量平衡和循环条件及相应的流通管道压缩机的特性方程参数。 多元牛顿拉夫森迭代式，则(10) 变为其中a为其对关于未知压力和流量的函数的偏导数。 从公式中(11)中反复计算未知变量的值，直到相对误差小于指定公差或

12、等于所需的值。图2显示了visual c+6的仿真模型的快照。visual c+代码是以牛顿拉夫森解决方案为基础模拟研发的。4.系统的能源消耗 利用仿真模型的基础上获得压力和流量来评估各种配置的pns的能源消耗，从而选择最佳的系统。根据公式 (12)对不同的方案进行计算比较以选择能源消耗最小的。 压缩机对气体投入的能源消耗取决于气体的压力和流速。压缩机所需的能源，要考虑到20中的气体的可压缩性。 其中，hp是压缩功率单位kw。 5.结果与讨论 在表1和图1所示数据的基础上，对开发的仿真模型进行了评价。开发的仿真模型主要功能包括输入参数的分析，评价功能模块，网络评估模块。 图1现有的输送给不同客

13、户天然气的管道网络。 5.1输入参数的分析 这一阶段的网络仿真，是从用户的输入作出分析，已得到适当的数据，为下一阶段进行模拟。模拟输入包括，管道的数据，压缩机的数据，客户的要求，未知变量的初步估计数据和迭代次数。 5.2模拟输出 从仿真模型的输出包括每一个压力和流量的变量，系统的压缩比和功耗。例如，压力源为 3500kpa而最终压力要求为 4000kpa，是次迭代后未知压力变量结果如表2所示。 表3表示了经过时次迭代后在压缩机在8500转的转速进行分析的相应结果。需要注意的是只要压缩机的转速不超过工作限制这都可以进行分析。初步估计压力为4000kpa ，流量为4000m3/hr 。 表2 十次

14、迭代后的节点压力 节点压力【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参数主要流程 流量（m3/hr） 支流 流量（m3/hr） 变量 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 图2 开发的仿真工具快照 图3 前十次迭代p1收敛图 在第十次迭代结束时，获得了最大的压力和流量变量的相对误差百分比是8.1271e-17.未知的压力和流量的最初估算是根据误差变化确定的。为仿真模型的测试提供了广泛范围的初步估算，并进行多次试验。从在仿真模型上进行的试验，根据测试的压力和流量的变量初步估计管线压力的要求。连续迭代之间的相对误差通常在迭代的开始和随着迭代次数的增加而减少。根据不同的初始估计在节点1,2和主要的流量变量q1的压力变量下进行收敛

16、性研究。图3图4显示前十次迭代节点压力收敛，最终压力的解决方案如图1所示的初始节点1,2的pns估计为2500,3000和4000kp。在这两个图中，据观察，节点压力的解决方案从第三次迭代开始。需要注意的是其余的节点压力为收敛，再节点2上的压力遵循相同的趋势。 如图5所示前十次迭代收敛的主要流量参数q1初步估计为2500,3000和4000m3/hr 。 图4 前十次迭代p2收敛图 图5 前十次迭代q1收敛图 5.3仿真模型的验证基于两个不同的管道网络配置pns的仿真模型结果与其他两个模型进行了比较。在第一种情况下，仿真模型与gunbarrel管道网络系统1 详尽的优化技术进行了比较。管道网络

17、包括6个节点，三个管道，两个压缩机站并且无闭环。表4所示的各种投入和对问题的描述很详尽。 表4 gunbarrel网络配置问题的实例项目 吴1 开发的仿真模型网络问题 寻找最佳的节点压力 查找节点的压力和流量参数输入参数 流量 需求和源压力压缩机数量 5 8压缩机速度 - 5775rpm流动方程 一般 一般压缩机的特点 不包括 综合管理的模拟方程解法 彻底搜索 牛顿拉夫森计划据观察，随着压缩机的速度增加，pns仿真模型的节点压力越来越接近1中得到的节点压力的结果。进行各种模拟试验后，压缩机的转数在5775rpm 时最大百分误差为 2.37 %这时有较好的效果，相应流量偏差为10.7%。表5显示

18、了和发达国家pns仿真模型的详细比较结果。 表5 gunbarrel配置仿真与结果1 的比较节点的压力和流量变量 结果1 仿真模型的结果 绝对误差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 第二个比较基础的问题，例如从9中获取。该网络由10个管道和两个循环组成。对于这个问题，在假定固定压力比为每台压缩机时，牛顿环路节点的方

19、法适用于获得压力和流量的变量。然而，满足预设的错误线之后得到的最终节点压力未能满足以前承担的压力比。在cs1压力比假定为1.8和cs2的假设是1.4.而经压力比后得到的解决方案实际上是cs1，cs2分别是1.34和1.1832。在进行各种模拟试验之后，当cs1压缩机的转速为5025 rpm 和cs2压缩机转速为4750 rpm 时的节点压力和流量参数在9中所得结果附近。表6显示了开发的环形配置的仿真模型的节点压力和流动变量与结果9之间的比较。发现两种方法间的平均绝对百分误差为5.10%。在使用9这种方法时流量方程的使用方式，分析和压缩机站的简单化会导致流量和节点压力参数的变化。9中的一般流动方

20、程已经在发达的仿真模型中应用。此外pns的压缩机仅局限于详尽的压缩比而已。 在比较的基础上开发的仿真模型是有优越性的，因为它包含了压缩机站这是评估网络系统的性能至关重要的详细信息。 表6 基于gunbarrel配置的模拟结果与9结果的比较交点p（kpa）16的结果仿真模型的结果abs误差%流量 m3/hr 16的结果仿真模型的结果abs误差%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仿真模型中压缩机性能分析与应用 进一步进行了对图1所示的pns的压缩机的性能分析模型的研究。对压缩机的性能分析是通过对排气压力(p2)和流量(q1) 实现的。对压缩机的性能研究是为了使3500kp的压力源来满足压力范围从4000至5000kp的压力要求。与压缩机转速为 5000, 5500, 6000 和6500rpm的进行分析。要注意压缩机的转速只要是在压缩机的工作线之内就可以。 图6 释放的压力与流量的