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城市燃气管网仿真研究.doc

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.40M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    一、SPS
    1．实时在线仿真（Statefinder）
    2．泄露检测(Leakfinder)
    3.动态预测管网未来工况(Predictor)
    4.离线仿真(Simulator)
    5.操作员培训系统（Trainer）
    二、负荷预测（Forecaster）
    城市燃气管网仿真研究 宋汉成 1，蒋永明 2，梁金凤 2，王在峰 2 （1 中国石油管道研究中心，廊坊，065000； 2 新奥集团燃气研发中心，廊坊，065001；） 摘要：随着能源结构的不断改变，燃气开发规模和应用规模的不断扩大，燃气输 配管网系统也日趋庞大和复杂，为了掌握燃气在管道内的运行规律，合理地确定 管道系统的设计和改造方案，保证管道系统的优化运行，提高管道系统的调度管 理水平，解决管网流动的动态特性，对燃气管网进行仿真是十分有意义的。本文 对燃气管网仿真的国内外研究现状进行了分析，提出了燃气管网仿真系统开发研 究的框架，并给出了国内开发强实用性仿真软件的紧迫性。 关键字：城市燃气；管网；仿真系统；软件开发； The Simulation Research of City Gas PipelineNetwork SONG Han-cheng1, JIANGYong-ming2, LIANG Jin-feng2, WANGZai-feng2 （1 R&D Center ofPetroChina Pipeline, Langfang, 065000, China; 2 R&D Center of XinAo Group gas, Langfang,065001, China;) Abstract：Along with the structure of energysource changing, the gas exploitation and application is larger,the city gas pipeline network system is huge and complicated, forthe purpose of mastering the operation regular of the city gas inpipe, ensuring the design and reconstruction scheme reasonably,ensuring the optimization operation of pipeline system, improvingthe dispatch management level of pipeline system, solving the flowdynamic characteristic of pipeline, and it is very meaningful forcity gas pipeline simulation. This paper analyzed the researchstatus of city gas pipeline network simulation both here andabroad, put forward the research framework of city gas pipelinesimulation system, also gave the urgency of the development of thebetter practicability simulation software in china.
    Keywords：City gas；Pipeline network; Simulationsystem; Software development; 0 引言 燃气管网仿真经历了由数字仿真到可视化仿真阶段，而可视化仿真是数字模拟与 科学计算可视化技术相结合的产物。随着仿真技术的发展，可视化仿真实时性要 求更加严格，要求不仅能够实时跟踪显示仿真计算结果，而且要求能够对仿真过 程进行实时干预。管内燃气与管外环境之间存在温度差，燃气管线内燃气的流动 也必将处于一个非等温的流动过程，动态非等温仿真模型的建立和研究，更符合 实际情况，也是燃气管网仿真研究的必然趋势。当前国内已有很多人利用 GIS 进行管网的可视化仿真研究。 1 国外研究动态 国外油气管道仿真技术已经发展了 40 多年，离线与在线仿真成功地应用到实际 生产当中，获得了油气管道行业的认可。20 世纪 60 年代，美国、欧洲等国家相 继开始了输气管道优化运行问题的研究。到 20 世纪末，输气管道或管网稳态模 拟和优化运行技术已基本成熟。近几年来，国外的一些软件公司，如 AdvanticaStoner 公司和 Simone 公司、美国 TETCO 输气管道公司等都进行了 输气管网非稳态下优化运行的研究，并且已经在模型和算法上取得了一定的进展。 在仿真软件方面，美国的 SSI 公司开发的 TGNET (Transient gasnetwork)软件 是一套功能较强的燃气长输管道的离线仿真软件，也是我国最早引进的燃气管网 仿真软件。该软件的自动选择时步功能确保了计算结果精确，且其计算速度高于 实时运行速度，另外，该软件含有精确的普通管道设备模型，如球阀、泵、止回 阀及调节阀。美国 Stoner 公司开发了用于气体稳态管网设计的软件 SWS，以及 模拟长输管道动态工况的软件 SPS。还有 Williams 管道公司开发的 CBT(Computer-BasedTranining)软件，以及法国燃气公司 GazdeFrance 开发的 ACROLOLE 的软件。除此，SSI 公司在离线仿真软件的基础上，开发了在线仿 真软件，该软件由实时模块、预测模块、自动预测模块、管道设计运行方案优化 应用模块等构成。意大利 Snamprogetti 公司开发了专门用于气体管网的仿真软 件 DTS(DisPatchinTutoralSystem)，该软件可以通过 SCADA 系统接口软件，以 在线仿真软件方式运行，也可以离线形式运行。下面就以 TGNET 仿真软件（见 图 1）为例说明国外软件的基本情况。
    图 1 TGNET 界面 Figure1 The interface of TGNET TGNET 可用于离线仿真和在线仿真。离线计算依赖一套用户定义的操作条件。 操作条件包括下列参数：设备设定点和状态；在供气和输气点的流量和或压力设 定值；设备活动设定点的选择（控制开始模型）；供气温度和质量；计算的稳态 值必须满足所有应用约束。离线仿真结果用来作为在线仿真的初始状态。在在线 仿真期间，用户可以改变在设备和供气/输气设定点的设定点。仿真器将计算那 些改变的反映，但是不允许违反任何约束条件。在线仿真可以进行供气中断模拟， 泄漏分析，操作员培训，操作计划比选，调度方案优化。用户通过分析在线计算 结果，完全调查管网，并进行决策分析。计算时能考虑管道沿线的高程变化、环 境温度变化，能对不同的管段分别指定管壁粗糙度、输送效率、环境条件和摩阻 公式，能快速进行多调度方案分析，配产分析，计划分析和管网的改扩建研究。 软件设有数据库，可以储存设备参数，气体组分，并指定名称，当建立新模型时， 可以从数据库调出已有设备和参数，气体和组分，无需多次重复输入，极大地节
    省了每次建立模型的时间，能输出管网沿线压力、流量、高程、温度、流速、气 体粘度、密度等参数的变化曲线。 2 国内研究动态 上世纪 70 年代，我国才开始管网的静态仿真研究工作，80 年代开始进行动态仿 真的初步研究。“静态仿真”是指系统状态与时间无关的工况模拟。动态仿真是指 系统状态与时间有关的非稳态工况模拟。在动态仿真方面，我国许多学者做了大 量的研究，曾试了多种求解方法，这些仿真方法忽略了温度变化的影响且对沿程 中压缩因子、摩擦系数等做了简化处理。隐式法在计算步长方面提供了方便，使 得能够选取较大的时间步长，减少了计算次数和时间，但因在计算的每一步时均 需联立求解方程组，所以在进行大型管网的动态仿真时，要求计算机有较大的存 储量和较高的计算速度。特征线法利用原数学模型的特征，将偏微分方程化为沿 特征线上的全微分问题，对方程未作简化处理，随着惯性因子的引人，特征线法 对时间步长的限制也放宽，这样就减少了计算的次数和时间。 西南石油大学袁崇明、汪玉春、李长俊等人在建立数学模型和求解模型所采用 的数学方法上作了许多探讨，并且取得了一定的成果，其开发的 GASFLOW 和 EGPNS 动态仿真软件已得到了初步应用，但这两套软件的建模思想均忽略了温 度变化。可见，其计算所得结果对于低压燃气管网是可以接受的，相对误差较小， 但对于长输管线、复杂的燃气管网以及在燃气和环境温差较大时计算所得结果将 会与实际情况有较大偏差。石油大学吴长春等人与石油规划总院进行了干线输气 管道（管网）稳态优化运行方面的研究，并研发了稳态优化运行软件 GPNOPT2。 2002 年，石油大学又开发了西气东输稳态优化运行软件 WEGPOPT。另外，哈 尔滨工业大学、天津大学、同济大学、重庆大学的许多科研人员在燃管网方面也 取得了很大的研究成果。由于受到动态仿真研究水平的限制，我国目前在管道在 线控制系统仿真方面还没有进行过任何研究工作，这方面将是我国学者今后研究 的一个重要方向。 3 仿真软件分析 随着计算机的发展，仿真的智能化趋势增强，管道控制系统仿真模型的建立及应 用也受到人们更广泛的重视。天然气在管道中的流动受到许多因素的影响，根据 管网系统的物理模型和数学模型，结合相应的求解方法，利用程序开发语言进行 计算机程序的编制。
    一个好的燃气管网仿真软件应至少能够实现以下功能：图形的绘制及修改；图形 的识别及数据的输入；管网水力计算；管网稳动态仿真；燃气负荷需求量预测； 管网负荷动态平衡；管网可靠性分析；管网遥测监控；仿真图表的输出等。燃气 管网仿真系统的开发是一个长期的数学模型研究和软件编制的过程，鉴于国内燃 气管网系统的现状及需求，作者给出了仿真系统开发研究的一个基本框架（见图 2）。 图 2 燃气管网仿真系统研究 Figure2 The research of gas pipeline networksimulation system 4 结论 目前为止，国内燃气管道仿真模拟软件功能单一，没有实现系列化和产品化，国 内的软件成果都是针对具体的工程进行个案开发，距离通用化软件产品还有很多 差距。我们应加强重大工程技术难题攻关，加强具有自主知识产权的核心技术开 发，建立适用国内燃气配送的仿真模型。 燃气管网仿真研究应充分利用现代计算机与信息通讯技术，开发友好交互可视化 界面，具有灵活多样的设计、改建和工况模拟等使用功能，以满足目前众多用户 多层次的业务需求。 参考文献
    1. 张甫仁.燃气管网系统安全性及仿真的理论分析与应用研究[M]，天津大学博士 学位论文，2005，6 2. 彭世尼，周茂林.城市燃气管网 GIS 系统的开发[J].天然气工业，2006，26（2）： 132-134 3. 隋元春，段常贵，邹瑜.不稳定工况下燃气管网的模拟计算[J]. 煤气与热力， 1992，(1)：36-41 联系人： 宋汉成 地址：河北省廊坊市金光道 51 号中国石油管道研究中心完整性所 邮编：065000 电话：13403160903 E-mail: songhancheng@163.com 管网仿真系统技术方案
    天然气管网运营公司在日常的生产调度管理过程中，越来越深刻地意识到管网运行安全和用户用气量预测的 重要性。他们希望有一种软件可以完全准确地模拟管网实际的运行状态，使操作员不仅可以得到 SCADA 实时数据还可 以通过模拟软件知道实时数据的正确性。在进一步的使用过程中，调度人员还希望这种仿真软件能够对管网未来的状 态进行预测，以使操作员提前了解管网的运行，制定调度计划或避免故障发生。针对天然气管网的实际情况我们选择 了 GL 公司的管网仿真软件。GL 公司的软件可以提供综合有效的管网模拟软件系统，客户可以根据不同的要求选择不 同的模块，模拟软件具有可扩展能力，能够适应管线未来的项目扩展。 GL 公司的 SPS 可以实现管网的离线和在线仿 真，Forecast 可以进行管网的负荷预测。 一、SPS SPS 软件家族包括管道的实时在线仿真（Statefinder）、泄露检测（Leakfinder）、实时状态预测（Predictor）、 操作员培训系统（Trainer）和离线仿真（Simulator）5 个软件。其中 Statefinder、Leakfinder 和 Predictor 是 SPS 软件中的在线产品，它们的运行需要 SCADA 系统实时数据的支持，能够实时动态的模拟管网的运行状态。Leakfinder 可以在管网实时运行中进行泄漏检测，而 Predictor 则可以对动态管网的未来运行状态进行预测。Trainer 用于培训 管网系统操作人员，它可以模拟真实的 SCADA 系统运行状态，使操作员在模拟的环境下学习如何操作管理管网系统。 Simulator 是其它四个软件模块的基础，，用于管道离线仿真、管道设计、管道运行能力的估算等。 众所周知，SPS/仿真器拥有精确模拟管道设备中流体液力学和全部控制系统性能（非理想化）的手段，它所
    提供的仿真精度是任何其它软件所不能比拟的。 SPS 拥有的强大的二次开发能力，是其他同等软件所不具备的。它提供的 ADL 开发环境使得在不改变基本的 核心仿真软件的前提下，可以设置与基本仿真同时运行的应用，或者控制仿真过程。新定义的变量可以表示为仿真数 据的函数，它们的值可以象任何隐式仿真数据一样用于报告、结果显示、或传递给第三方的应用或系统。操作员可以 根据需要开发自己的应用程序、可选择多种数学函数、可模拟 PLC 多种运行逻辑、可增改泄漏检测的算法，等等，以 满足仿真过程中的各种需要。ADL 开发环境可以应用于 SPS 的所有模块。 SPS 不仅可以运行在 Windows 系统还可以运行在 UNIX 系统下。
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