PNS 教程 2012

管网仿真和应用PipelineNetworkSimulationandApplication王寿喜电话:[phone]传真:[phone]西安石油大学•截至2010年底，油气管道的总长度达到约8.5万千米–其中天然气管道4.5万千米–原油管道2.2万千米–成品油管道1.8万千米•油气集输管网?•城市燃气管网29万千米•城市给水管网?中国油气管道系统管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•“十二五”新建管道6.5万千米,2015年油气管道的总长度达到15万千米–新增天然气管道4.5万千米–新增原油管道0.9万千米–新增成品油管道2万千米•城市燃气管网72万千米“十二五”规划管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]中国天然气管网图管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]中缅油气管道管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]北京天然气管网图管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]潍坊市供水管网管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]美国天然气管网图管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]俄罗斯天然气管网管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]问题?•油气管道网络化和系统化–管道是天然气工业发展的三要素之一（资源、市场、管道）–管道是5大运输方式之一–社会化现代化促进了管道的网络化和系统化–统一的水动力系统•静态设计、动态运行•设计和运行方案的比较、优化（系统配置|运行方案）•事故及应急工况处理（管道、用户、油气田）•措施、事故及工矿动态预览(泄漏|调峰|存活时间)•操作预览及操作员培训•在线仿真、实时评价、故障检测和诊断管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•单根管道静态流动关系式，如–气体管道:Weymouth,PanhandleA和B关系式–液体管道:Darcy-Weisbach关系式等•网络化和系统化形成了庞大复杂的统一水动力系统•需要更加先进的方法和手段：管网仿真•管网仿真是一门综合性、交叉性的尖端科学和技术；是认识和解决大型复杂系统问题的最有力工具之一管道/网分析方法管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•目标（计算机实验系统）–从系统工程的观点出发，将管网的产、供、销作为一统一的水动力系统，实现任意结构、规模管网的在线和离线系统仿真。•任务–静态仿真–动态仿真–在线仿真油气管网仿真管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•状态仿真(各种事件的最终结果)•过程仿真(操作、控制及事故发生后的过程）•设备仿真（描述各种设备的状态和变化过程）•系统仿真（描述管网系统的状态和变化过程）仿真的内容要求管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•管道网络及规模–节点（进出点、站场、库、罐、连接点、压力参考点）–元件（管道及设施）•管道•增压（泵、压缩机）•阀门（调压、安全、截止、单向）•热力（加热、冷却）•流体（气、液、多相流）•流动（状态、过程、顺序输送、清管、临界、DRA)•操作与控制–设备的启动、关闭及控制–操作控制逻辑（投产、应急、停机等）•接口（SCADA,其它应用如优化、决策系统）分析对象管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•能模拟油气管网中的各项设施、流动、过程和操作控制•采用最基本的管网设施流动的水力和热力模型，结果准确•开放结构，便于升级以及同其它软件和系统通讯及相互调用•智能可视化建模、操作和控制，结果图表定制•与SCADA系统及其他应用软件的通讯功能要求及总体描述管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•管网静态仿真–流量平衡法：HaydyCross法，线性化法，Newton-Raphson法–压力平衡法（节点压力法）•管网动态仿真（管道模型）–解析法–数值法•变分法•有限差分法–直接差分法»显示»隐式–特征线网格差分法管网模型和仿真方法管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•管道水力分析流体性质–密度ρ(p,t)–粘度μ(p,t)•管道热力分析流体性质–热容或焓h(p,t)–导热系数λ(p,t)–气体的比热率K(p,t)流体性质管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•PR方程压力式：•PR方程压缩系数：PR状态方程管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]mmmmmmmrrmmbbbTabRTP,023132233mmmmmmmmmmmBBBAZBBAZBZAaPRTayyaaBbPRTbybmmmijciicjjjninmmmiiin2,,aRTPTmTmaaTbRTPciciciiriiiriiiiiciiriiicici04572411037464154226026992007780222.,...,.•管道流体流动控制方程•无流向限制•无流体限制（气体或液体）•无敷设限制管道模型管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]xQAdVfdxdzgVXPVtPxhVthVVDfxzgxPXVVtVxVAtA12||10||210)()(3•条件:定常流动+质量流量不变•基本关系式–液体–气体•摩阻系数(Darcy=4Fanning)–Weymouth–Colebrook管道静态流动方程管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]gVKDLfhHhgPPPill2,221TZLfDPPCMKH522•差分网格和离散化•中心差商•状态方程管道动态模型：数值化管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]xt隐式法网格01ii+1n1jJ+1(i+1,j)(i+1,j+1)(i,j)(i,j+1)C仿真时间t管长xL△△x=Lnt=QxQQQQxQtQQQQtijijijijijijijijijij1111111122FPMTPMTkikiiiiii31110012,,,,,,,,•给定功率：•给定特性：•特性曲线修正:粘度、叶轮、转速、密度泵模型管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone])P-(PHP=M)P-(PM=HP1212b-a=HbH-a=M2M•压缩机热力学模型•绝热和多变压缩过程压缩机模型管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]HMHP1)PP(1RTZM=HP)PP(KM=HP1PP11-KKZRTMHP12/1-n12112K1211121mol3HnnKnKK•压力、流量调节器•截断阀•单向阀•差压阀•泄压阀阀门模型管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]LiquidPPGaskPPCriticalliftfKKPPAKPAKMvaporkkcurve,,12211max00211010AuGQRPPLVW)313000G19625.1)KKK(KAQbL,PP0,=M21阀门打开阀门关闭,)P(P,PP,)P(P0,=M021021021阀门打开阀门关闭PPP021PPP•加热炉•换热器热力设备模型管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone])T-(t)T-(tln)T-(t-)T-(tT-T1221122112mpmTCMTAKplCMQB12T-T•单位时间油罐内液体质量（液位）的变化等于流入流出流量的总合油罐模型管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]n0iiMdtd=dtdmhA•单位时间油罐内液体质量（密度）的变化等于流入流出流量的总合储气库模型管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]n0iiMdtdV=dtdm•由节点和元件组成的有向图•管网结构–节点：压力、温度和节点输入来描述节点，管网系统通过节点同外界（用户、气源等）联系•压力参考点•进出气点•元件连接点•站场、库、罐–元件：元件是连接于节点间的输气设备，实现气体的传输和管网系统的某些特定功能和工艺要求，是系统的内部单元•管道•增压（泵、压缩机）•阀门（调压、安全、截止、单向）•热力（加热、冷却）管网结构管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]•节点连接条件•环路和路径方程•网络结构关系式管道网络关系式管网仿真和应用陕西,西安,2012.10.12王寿喜西安石油大学电话:[phone]传真:[phone]niiiiniiVhMM0200210