TGNET在管网仿真中的应用

.....摘要简要介绍管网仿真技术研究现状、TGNET软件发展背景及应用情况，分析TGNET的几大模块及使用步骤。运用TGNET软件对某燃气管网进行静态模拟、敏感性分析、瞬态模拟等，总结TGNET在管网仿真中的强大功能。关键词：TGNET、模拟、仿真、管网.....目录摘要................................................................I1绪论..............................................................11.1管网仿真背景................................................11.2管网仿真的国内外研究现状....................................12TGNET软件........................................................32.1TGNET软件简介..............................................32.2TGNET软件模拟的基本方程....................................32.3使用TGNET的主要步骤........................................43TGNET应用实例分析................................................63.1稳态模拟....................................................63.2管道输气能力分析............................................73.3管网瞬态工况分析............................................84结语.............................................................11参考文献...........................................................12.....1绪论1.1管网仿真背景近十年来，中国油气管道建设进入快速发展期，已逐步形成了横跨东西、纵贯南北、覆盖全国的油气管道网络，至2015年，管网总里程将超过8104km。随着油气管网规模越来越大、结构越来越复杂，管网水力系统相互影响、运行工况复杂多变，要实现管网经济、安全、高效运行的目标，难度巨大。管道仿真技术正是为了满足现代管网的设计和管理需求而发展起来的，其通过计算机模拟准确再现管道内油品的流动规律以及压力、流量等运行参数，为管道设计和运行管理提供重要的辅助工具，从而大大提高工作效率与管理水平。经过40多年的发展，国外管道仿真技术基本发展成熟，研发了多套商业仿真软件产品，国际通用，工业应用效果良好。近五年，国内管道仿真技术取得重大突破，实现了油气管网仿真引擎的国产化。随着管网的持续发展以及生产需求的变化，管道仿真软件不断朝着智能型、多功能型、实用型方向发展。1.2管网仿真的国内外研究现状（1）国外研究现状国外管网仿真技术起源于20世纪60年代初，发展于20世纪70年代，进入80年代逐渐实现商业化和工业化[1]。经过40多年的技术发展与工业化应用，目前已经形成以SynerGEE（德国GL公司，并购SPS水力引擎）、ATMOSSIM（英国ATMOS公司）、TGNET/TLNET（英国ESI公司）、GREEG（美国GREEG公司）为代表的国际通用商业仿真软件产品，广泛应用于全球油气管网，约占90%的市场份额，为油气管网输送业务发展与管理水平提高发挥了重要作用[2]。自20世纪80年代始，国内逐渐引进国外商业仿真软件，应用于国内管道设计、投产、运行管理、培训等各个方面，促进了国内油气管网管理水平的提高[5]。（2）国内研究现状在管道仿真技术应用方面，迄今为止，国内工业应用的仿真软件仍依靠进口.....仿真软件产品。2000年后，通过引进、消化、吸收，基于SPS仿真计算引擎，二次开发了油气管网仿真培训系统，在国内管道公司广泛应用，效果良好[3]。自2008年始，中国石油引进了GREEG、ATMOS两套在线仿真系统，分别应用于天然气骨干管网及西部成品油管道，为管道运行在线分析及优化提供了工具，目前正在推进规模化工业应用。在管道仿真技术研究方面，国内起步于20世纪80年代初，主要集中研究数值模型与求解算法，国内仿真建模与求解技术基本成熟，但理论与实践脱节，未曾开发出通用的仿真软件产品，无法走向工业应用[4]。直至2008年，中国石油开始组织实施油气管道仿真引擎国产化，并于2010年在国内首次发布了天然气管道仿真软件RealPipe-Gas1.0，该软件是适应于天然气管网瞬态运行的通用仿真软件，实现了天然气管道仿真引擎的国产[4]。截至2014年，已成功研发出适应于天然气、成品油、原油3种介质输送管网的仿真软件RealPipe3.0，全面实现了离线管网仿真软件国产化。该软件功能与性能均达到商业仿真软件水平，在需求定制、软件易用性等方面超越了进口仿真软件，而且填补了易凝高粘原油管道各种运行工况精确模拟的空白，降低工业应用成本70%，具备了替代进口商业仿真软件的条件。.....2TGNET软件2.1TGNET软件简介TGNETforGas是经过使用证明的，历史悠久的输气体管道离线模拟软件，能够对输气管道中的单相流进行稳态模拟和动态模拟，已经在全世界得到了广泛的应用。本软件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。使用本软件可以对输气管道的正常工况和事故工况进行分析，测试和评价输气管道的设计或操作参数的设置，最终获得优化的系统性能。使用本软件还可以为实时模拟软件的组态提供建模数据。2.2TGNET软件模拟的基本方程TGNET进行管网模拟使用的基本方程是一组偏微分方程：质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程。质量守恒方程：能量守恒方程：动量守恒方程：虽然进行稳态模拟时，在有些情况下为了快速求得近似解可以选用代数方程。但省缺的做法总是使用隐式有限差分技术求解上述偏微分方程，而且在进行动态模拟时一律是求解偏微分方程。与基本方程配套的其他方程有：状态方程：Sarem方程、范德瓦尔斯（Peng-Robinson）方程、SRK方程、Peng方程、BWRS方程。摩阻公式：威莫.....斯公式、潘汉德公式、潘汉德修正公式、科尔布鲁克公式。此外还有很多与离心式压缩机、往复式压缩机、压力调节器、流量调节器、截断阀、阻尼元件等相关的配套方程。2.3使用TGNET的主要步骤（1）建立管网模型所谓建立管网模型实际上是建立一个基本数据输入条件,TGNET把这一文件称为KEYWORD文件。包括绘制管网模型结构图、输入管网元件的参数、输入气体参数、指定约束条件和设定值等。（2）管网模型的有效性检查新建立的管网模型或对原模型做了大量修改时，需要进行一次管网有效性检查。此项检查的内容包括：管网元件连接关系检查、是否缺少必须输入的数据、数据是否有效等。检查出的错误分为两类，警告和错误。警告是需要改正的非关键性错误；错误是必须改正的关键性错误，如果不改正就不能进行模拟。TGNET把读到的输入文件和发现的错误用一种清晰的格式显示出来,使用户很容易找到自己的管网模型存在的问题。（3）进行稳态模拟TGNET根据前面的设置条件把各管段划分成很小的计算段进行计算。只要模型元件的参数和连接关系正确,没有相互矛盾的约束条件,控制方式合理,在大多数情况下都能得到收敛解。（4）进行动态模拟当管网负荷变化很大,或需要了解管网在各种调度工况和事故工况下的性能时需要进行动态模拟。TGNET可以用批处理方式或交互（互动）方式进行动态模拟。以批处理方式运行动态模拟速度较快,但程序运行时看不到模拟过程的中间结果,而且不能中途改变约束条件和控制方式。但由于动态模拟花费的时间较长,当确信在规定的模拟时间内不会产生无法求解的情况时,宜于用批处理方式进行动态模拟。以交互方式运行的动态模拟,除具有以批处理方式运行时的全部功能外还.....增加了若干功能。在程序运行时可以看到指定模型元件状态的变化,可以随时暂停模拟过程,查看所关心的参数,检索和保存不断变化着的模型状态,干预数据的显示方式,改变约束条件和控制方式,然后继续进行模拟，但是，这种方式的运行速度太慢,要求记忆的命令较多。当不定因素太多,时间要求不高时,宜使用以交互方式运行的动态模拟。以批处理方式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。（5）查看模拟计算结果TGNET软件可以用图表方式查看管道沿线压力、流量、温度、高程等数据的变化情况。.....3TGNET应用实例分析以下列举一简单的燃气管网系统，并用TGNET对其进行模拟，简要分析TGNET在管网仿真中的功能。基本数据：（1）环境温度200C,大气压0.1Mpa，输送效率90%。（2）管道参数如表（3-1）表（3-1）管道号管长(km)内径(m)粗糙(micron)壁厚(mm)HTC[BTU/h-ft-F]Pipe0001100.52512.71Pipe0002100.52512.71Pipe0003100.52512.71Pipe0004100.52512.71Pipe0005100.52512.71Pipe0006500.52512.713.1稳态模拟（1）气源supply0001、supply0002均限定最大压力1.0Mpa，用户deliv0001、deliv0002均限定流量sm/83。模拟结果如图（3-1）.....图（3-1）（2）敏感性分析在改变参数的情况下对管道的输量进行敏感性分析，此管网的敏感性分析结果为：内径输送效率管长大于入口温度传热系数。如图(3-2)是将各根管道的管径设置为0.55m时候的流量变化，且其变化率较其他参数更大图（3-2）3.2管道输气能力分析如图（3-3）、（3-4），可以通过设置不同的副管来增加对用户的输气能力。.....图(3-3)图（3-4）根据选择结果，我们可以发现在上图的两个地方添加副管对输量的增加起到最好的效果。3.3管网瞬态工况分析设阀门blkv0008在12小时内随时间的开度变化如表(3-2)，supply0002在12小时内的压力变化如表（3-3）。表（3-2）.....时间h123456789101112开度100100908070605060708090100表（3-3）时间h123456789101112压强Kpa1000900800700600500600700800700600500（1）阀门开度的变化对输送流量的影响，据此可以调节阀门的开度来部分控制接收端流量。图（3-5）（2）气源进口压力变化对管网末端储气能力的影响，据此可以控制气体进口压强来调节管道末端储气量。.....图（3-6）.....4结语TGNET软件功能强大，使用方便，几乎可以处理天然气管道项目中所有的管道计算问题，对于高压管道的设计具有较大的帮助作用。利用动态模型可以直观的计算出各气源点和用户的流量、压力的动态变化规律，解决了一些常规计算方法无法计算的问题。另外，该软件还可以直接考察管网运行时各用户的供需平衡情况。根据TGNET的这些基本模拟功能，我们可以充分发挥TGNET在工程中的应用，可以对管道储气能力、调峰能力、燃气停输、压缩机停机、燃气泄漏、环境温度变化等案例进行分析研究。.....参考文