《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 8-19燃气管网水力仿真虚拟实验

燃气管网水力仿真虚拟实验1.实验目的①通过该实验学习，对城镇燃气管网水力计算和水力工况分析有更深入地了解，掌握管网调度和规划设计基本方法，激发投身燃气输配领域科学研究，探索更加安全、稳定和经济的燃气输配理论与技术兴趣和使命感。②通过实验学习，掌握城镇燃气输配系统构成以及各部分功能，掌握城镇燃气输配系统基本知识，并了解城镇燃气输配系统设计主要内容、过程及原则，同时，对城镇燃气输配系统运行特性、泄漏计算、压力流量控制等有更深入地理解和思考。③通过实验学习，锻炼对知识学习、消化、应用的自学能力，自主构建城镇燃气输配系统知识体系，对燃气输配系统规划设计、调度、泄漏流量计算等复杂问题有自主的思考和创新。2.实验原理本实验的原理及知识点涵盖了《流体力学》《流体输配管网》《燃气输配与应用》等课程及《城镇燃气设计规范》（GB50028—2006）（2020年版）、《城镇燃气输配工程施工及验收标准》（GB/T51455—2023）等国家规范、标准的内容。气体在管道内流动，随着压力下降，密度逐渐变小，流速不断增大。同时气体在管道流动过程中还要气体与周围介质进行热交换，温度会逐步降低，在管道的末段趋近于甚至低于周围介质的温度。特别是在不稳定流动的情况（输气管大多数处于不稳定流动状态）下，更导致压力、流量和温度的变化。因此，描述气体管内流动状态的主要参数有：压力P、密度r、流速v和温度T。其进行模拟计算的理论基础主要包括有：1）输气管段流动过程的基本方程连续性方程： A∂ρ∂t+∂∂x式中A——截面积，m²；ρ——密度，kg/m³；t——时间，s；x——位置，m；w——流速，m/s；运动方程： ∂(ρw)∂t+式中ρ——密度，kg/m³；t——时间，s；x——位置，m；w——流速，m/s；g——重力加速度，m/s²；s——位置，m；ds/dx——位置梯度；λ——摩擦系数；d——管道直径，m。能量方程： -∂∂t(ρwA)=式中ρ——密度，kg/m³；t——时间，s；w——流速，m/s；A——截面积，m²；u——内能，J/kg；g——重力加速度，m/s²；s——位置，m；h——焓，J/kg；状态方程： ρ=ρ(p,式中ρ——密度，kg/m³；p——压力，Pa；T——温度，K。内能方程： u=u(p,式中u——内能，J/kg；p——压力，Pa；T——温度，K。焓方程： h=h(p,式中h——焓，J/kg；p——压力，Pa；T——温度，K；以上6个方程刚好包括p、T、ρ、w、u、h这6个未知函数，因此从求微分方程通解的角度看，这个方程组是封闭的。该方程组通常称为气体管流的基本微分方程组。2）气体状态方程理想气体状态方程： P=ρRT通用气体状态方程： P=ZρRT范德瓦尔斯状态方程： P=RTV-b+式中P——压力，Pa；ρ——密度，kg/m³；R——气体常数，J/(kg·K)；T——温度，K；Z——压缩因子；V——体积，m³；a——范德瓦尔斯常数，Pa·m6/mol2；b——范德瓦尔斯常数，m³/mol。以上理想气体状态方程的精度肯定是不够的，还需要使用Sarem状态方程、SRK方程、Peng方程和BWRS方程等较为复杂的方程，以及NX-19和AGA-8等靠对大量输气管道的实测数据进行研究产生的纯经验公式。3）阻力系数公式水力摩阻系数计算推荐采用Colebrook公式： 1λ=-2.0lg⁡(式中k——管内壁绝对粗糙度，m；d——管内径，m；Re——雷诺数。ColebrookWhite公式考虑了不同管子光滑或粗糙的内壁情况，在较宽的流动状态范围下有较好的模拟精度，适用于紊流3个区。3.实验系统本实验采用流体管网模拟软件PipelineStudio（Tgnet）对燃气输配管道进行模拟。PipelineStudio（Tgnet）是经过使用证明的、历史悠久的输气体管道离线模拟软件，能够对管道的正常工况和事故工况进行稳态和动态分析，测试和评价管道的输送、改建、扩建方案，最终获得优化的系统性能和最佳的实际方案。PipelineStudio具有全功能的图形界面、稳定的数字求解技术、完备的设备模拟、灵活实用的理想化的控制方式和多约束条件设定、温度跟踪、气体属性跟踪、详尽的默认值集合、既能以批量处理方式又能以交互（互动）方式运作、灵活多样的开放的输入输出方式、易学易用等特点。软件主要应用于以下方面：①设计管道，管径、输气量研究；②确定管线尺寸，压缩机规格；③评价因为操作改变导致的管道工况；④模拟供气中断、压缩机故障及意外事故，评价事故影响及采取的恢复行动；⑤进行供需平衡、调峰、管存量分析，进行操作优化；⑥进行管道战略性规划和分析，确定管道5年、10年、15年的长远规划。4.实验步骤与方法1）实验前的准备实验前，学生提前学习实验指示书，了解实验内容，提前下载并安装好实验软件PipelineStudio，熟悉操作界面和步骤，复习本实验所涉及的专业理论知识，并应提前预习实验教材燃气管网水力仿真的相关内容，掌握模拟计算方法和原理。2）建立模型①建立管网模型文件：启动软件，单击标准工具条上“NEW”（新建）按钮，将出现提示窗口，选择“Pipelinestudio（Tgnet）”并单击“确定”按钮，就会出现一个空白的管网视窗，此后即可开始建立一个新的管网模型。②设置使用的单位制（图1）和单位：点击Simulation菜单或标准工具条上的Units按钮，进入Unit对话框。结合中国的情况，比较简捷的做法是点击Unit对话框中的Load按钮直接装入并使用米制（Metric）。米制中使用的单位大部分符合中国的习惯，可以直接使用。选择要使用的单位后，特别注意要在Unit对话框的ShowPressuresas列表中选择压力单位是使用表压还是绝压，还要规定好在压力单位后面区分表压和绝压的后缀，通常用A表示绝压（MPaA)、用G表示表压（MPaG)。图1设置单位制③设置模拟选项：点击Simulation菜单的Option按钮，会出现一个含有11个标签的组合对话框。这一看起来很复杂的对话框平时需要注意的只是General和Fluid标签，作动态模拟时需要用到Report和Control标签，其余部分都可以不动，使用程序的默认值即可，如图2所示。图2设置模拟选项④设置气体组分：点击Insert菜单的CompositionalFluid按钮，在弹出的对话框中设置模拟管网的气体组分，如图3所示。图3设置气体组分⑤建立管网模型并设置参数：本实验的主要元件有气源（supply）、分输点（delivery）和管道（pipe）。点击3个元件的按钮，在视窗中建立模型。建立完成后的管网模型如图4所示图4建立管网模型并设置参数双击管网视窗中的管网元件，会弹出一个对话框，在General选项中包含了元件的各项参数。单击Rename按钮可设置管道元件的名称，其他管网元件的名称也均可进行类似设置，需要注意的是管网元件名称的唯一性。供气点的参数（图5）包括气体组分（Fluid）、气体温度（FluidTemperature)、最大流量（MaximumFlow）、最大压力（MaximumPressure）、最小压力（MinimumPressure）、是否允许反向流动（CheckValve）和初始条件（Mode）。在实际模拟时需要根据需求进行设置。图5供气点的参数设置输气点的参数设置（图6）与供气点相似。图6输气点参数设置管道的参数设置（图7）包括管道内径、长度、壁厚、粗糙度、效率系数、步长等，另外还需要在HeatTransferData标签下输入总传热系数。图7管道参数设置另外，在进行模拟计算时需要设置泄漏点计算事故工况，泄漏点（图8）可以在绘图工具点击leak图标进行设置，其相应的参数包括：泄漏孔径（Diameter）、外界压力（AmbientPressure）和泄漏系数（Coefficient）。图8设置泄漏点3）模拟计算（1）稳态模拟点击Simulation菜单或模拟工具条上的Steady-State按钮进行稳态模拟。这时软件会先判断是否进行过有效性检查，如果已经检查并获得通过，就跳过这一步直接进行模拟计算；如果没有做过有效性检查，就自动进行检查，如果没有错误，就接着进行计算，如果有错误，将产生出错信息，不往下进行计算。在计算过程中会显示一个表示稳态计算收敛过程的曲线，如果所有的曲线（迭代误差）都降到了收敛容限之下，表明迭代收敛，结果可信。在管网有效性结果窗/稳态窗/报警事件窗中可以看到有无出错信息。如果不收敛，原因大多数是起点压力太低，管内流量太大或管径太小等。（2）动态模拟运行动态模拟的必要条件是管网模型要有一个初始状态。最常用的初始状态是稳态计算的结果，以前动态模拟的结果也可以作为下一次动态模拟的初始状态。任何模型初次运行动态模拟之前都需要先作稳态模拟。①建立动态脚本。所谓动态脚本或动态情景(TransientScenario)实际上是一张表，表中含有在动态模拟的过程中有哪些管网元件的哪些数据会发生改变（阀门的开度、用户的耗气量、气源的压力或气量等），什么时间改变，变成多少等等。软件将把这张表格当预定的脚本或情景，分析计算管网的动态工况。点击Simulation菜单的TransientScenario按钮，将会出现一个只含有标题行的空白脚本表。选中标题行，点鼠标右键，在弹出菜单中选择插入一行，在弹出的对话框中先选择元件种类，再选择元件名称，最后选择要改变它的哪一种数据（只允许改变被指定成约束条件的数据）。②指定报告频度及内容。双击需要趋势报告的管网元件，在对话框中点击Trend标签，在出现的趋势列表中选择需要研究的趋势，如果所有同种类的元件都需要同样的趋势报告，在点击OK之前先点击ApplytoAll。重复以上过程，指定所有需要的动态趋势。③运行动态模拟。用稳态模拟的结果作初态时，点击Simulation菜单或模拟工具条的Transient按钮就可以开始运行动态模拟。在屏幕上会出现一信息框，其中含有模拟计算的起始时间，当前计算的时间和终止时间，当当前时间等于终止时间时，动态模拟即告结束。用上一次动态模拟的结果作初态时，需要点击Simulation菜单或模拟工具条的TransientRestart按钮。4）查看模拟结果（1）稳态计算模拟报告稳态计算结束后查看计算结果有如下方法：①数据块。在管网视窗中选择需要添加数据块的管网元件，然后在Insert菜单中或图形编辑工具条中点击DataBlock按钮，出现一个数据块对话框，在其中逐个选择希望显示的数据，选完后，点击OK就可以在管网视窗中看见一个数据块。有了数据块后，计算一结束就可看见计算结果。数据块中显示的应当是一些关键数据，如果在管网视窗中到处都插满数据块反而会掩盖要突出的重点。②稳态计算报告。点击View菜单下Output子菜单中或模拟命令工具条上Steady-StateReport按钮可以查看整个稳态计算报告，该报告除了含有全部的计算结果外还含有管网统计数据、迭代过程的记录以及质量平衡误差报告等。（2）动态模拟报告和趋势报告动态模拟结束后数据块中的数据是模拟结束时的数据，完整的计算结果分别保存在动态模拟报告和趋势报告两份文件中。View菜单下Output子菜单的TransientReport按钮查看动态模拟报告。该报告按Simulation|Report对话框中指定的频度详细记录了管网在各个时间的全部计算结果。此文件中还记录了约束条件切换的过程、质量平衡误差、报警等信息。用View菜单下Output子菜单的TrendReport按钮查看动态趋势报告。该报告按Simulation|Control对话框中指定的频度详细记录了所要求的趋势数据随时间变化的情况。5）实验模型某小区燃气管网系统在软件PipelineStudio中的模型如图9所示。图9实验模型示意图现已知气源点压力为0.35MPa,各管段管径、长度及流量见表1，利用软件计算气源点流量和各节点压力，管道压力降等参数。表1气源管径、长度、流量表编号长度/m内径/mm流量/（Nm3·h-1）1-239.8110.81433.352-3166.5110.81426.723-4626.6110.81071.064-5189.3110.8851.725-6130.4110.8412.866-7108.2110.8406.827-8292.5110.8101.418-9443.3110.8-215.709-1051.7110.8-222.3310-11