城市天然气输配管网水力模拟研究与实践

【摘要】：随着天然气事业的迅猛发展，我国的天然气管网建设规模不断壮大，城市天然气管网的监管越来越受到重视，并且城市天然气管网向智能化的方向发展。由于，管网实际运行水力工况对经济性、安全性及末端用气的稳定性有着极其重要的影响，因此，了解和掌握其水力工况对于整个管网的监测、管理和调控是必不可少的，对城市天然气管网模拟的研究也就显得异常重要。 传统的节点法进行稳态模拟结果的精度并不能完全满足城市天然气管网实际运行的需求，因此，为了保证模拟结果的精确度，计算程序采用精度更高、适用性更强的数据处理和参数选择方法。然后通过比较分析，选择适当的动态模拟方法，编制动态模拟计算程序，并且验证程序计算结果的准确性。 如今，城市天然气需求量不断增加，促使管网建设的规模化发展，管网结构越来越复杂，并且压力也越来越高，甚至达到超高压。而超高压管网的模拟必须考虑管路中燃气的可压缩性。本文通过对比几种压缩因子的计算方法，最终确定采用SHBWR状态方程法，同样，热力学参数的计算也采用SHBWR状态方程法。 另外，城市多气源天然气管网建设也成为发展的趋势，而多气源管网的模拟需要根据不同的气源情况进行分析，采用不同的处理方式计算。笔者利用模拟程序对规划的多气源城市天然气管网项目进行水力工况分析。提出未来各气源在管网系统中的适用性，并提出各气源的主要影响范围，有利于未来管网运行过程中，及时准确的应对各种状况提供依据。 最后，根据多气源天然气输气管网中各气源的供气量和水力模拟计算结果中的管段流量值，可以确定各种气源在各个管段及各个节点的气质组成，为供气单位的运行管理及对气价的制定提供理论依据和数据支持。 本课题的研究表明，模拟程序不仅可以应用于在用管网系统的模拟计算，分析管网运行水力工况，而且可以应用于规划的管网。对于未来管网运行工况的结果的分析对指导燃气管网的设计规划、优化运行及调控管理等方面具有明显的实用价值，对于中游供气模式及下游燃气用具适用性研究都有一定的指导意义。 【关键词】：天然气管网 MATLAB 稳态模拟 动态模拟 水力工况 气体组成
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU996.7
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 课题提出的背景10-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 课题的理论意义及实用价值14-15
• 1.4 课题研究的主要内容15-16
• 1.5 本章小结16-18
• 2 管网模拟的重要基础参数与基本理论18-28
• 2.1 天然气的物理性质18-19
• 2.1.1 单一气体的物理特性18
• 2.1.2 天然气的焓18-19
• 2.2 天然气压缩因子确定19-23
• 2.2.1 压缩因子确定方法19-21
• 2.2.2 压缩因子计算方法选择21-23
• 2.3 摩阻系数的计算23-25
• 2.3.1 摩阻系数计算公式介绍24-25
• 2.3.2 摩阻系数计算公式选择分析25
• 2.4 天然气在管网内流动的基本规律25-27
• 2.4.1 连续性方程26
• 2.4.2 运动方程26
• 2.4.3 能量方程26-27
• 2.4.4 理想气体状态方程27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 在用城市天然气管网运行工况的等温稳态模拟28-58
• 3.1 管网等温稳态模拟通用方法28-31
• 3.1.1 等温稳态模拟基本假设29
• 3.1.2 等温稳态流动基本方程29-30
• 3.1.3 流动状态方程30
• 3.1.4 管道模型求解30-31
• 3.2 城市天然气管网系统模拟计算31-34
• 3.2.1 环网系统水力计算基础31-32
• 3.2.2 算法的选择32
• 3.2.3 水力模拟步骤和计算框图32-34
• 3.3 多气源等温稳态模拟34-38
• 3.3.1 多气源稳态模拟处理方法34-35
• 3.3.2 多气源管网中流量的组成35-38
• 3.4 提高等温稳态模拟的精度38-48
• 3.4.1 管段途泄流量的确定38-41
• 3.4.2 同时工作系数计算41-45
• 3.4.3 集中负荷确定45-46
• 3.4.4 管段局部阻力调整46-48
• 3.5 燃气管网等温稳态模拟方法的应用与实践48-55
• 3.5.1 输气管网结构与气源参数49-52
• 3.5.2 程序所得管网水力模拟结果52-55
• 3.6 本章小结55-58
• 4 天然气管网运行工况非等温稳态模拟58-78
• 4.1 管网温降计算分析58-65
• 4.1.1 温降计算公式59-60
• 4.1.2 龙格—库塔法60-65
• 4.2 重要参数确定65-73
• 4.2.1 状态方程的选择65-68
• 4.2.2 混合气体状态参数计算68-69
• 4.2.3 热力学参数计算69-73
• 4.3 非等温稳态模拟的原理73-75
• 4.3.1 建立数学模型73-74
• 4.3.2 求解数学模型74-75
• 4.4 非等温稳态模拟方法的应用与实践75-77
• 4.5 本章小结77-78
• 5 天然气管网运行工况动态模拟78-98
• 5.1 动态模拟基本数学模型78-79
• 5.2 管网动态模拟求解方法介绍79-93
• 5.2.1 特征线法80-87
• 5.2.2 有限差分法87-93
• 5.2.3 动态模拟方法的比较选择93
• 5.3 动态模拟验证93-97
• 5.3.1 管网系统计算条件及处理方法94
• 5.3.2 管网系统模拟基础数据94
• 5.3.3 模拟计算结果及分析94-96
• 5.3.4 特征线法管网模拟程序总结96-97
• 5.4 本章小结97-98
• 6 模拟程序形成及分析98-102
• 6.1 MATLAB 语言特点98
• 6.2 管网拓扑结构的程序实现98-100
• 6.3 模拟计算对比分析100-101
• 6.4 本章小结101-102
• 7 多气源超高压输气管网工况的模拟研究102-126
• 7.1 输气管网结构与气源参数102-103
• 7.2 管网流量确定103-108
• 7.2.1 负荷预测103-108
• 7.2.2 小时流量确定原则与数据整理108
• 7.3 超高压环网水力模拟计算108-110
• 7.3.1 超高压管网水力计算公式108-109
• 7.3.2 超高压管网压缩因子109-110
• 7.3.3 摩阻系数公式的选择及其计算110
• 7.4 管网模拟计算和运行分析110-118
• 7.4.1 管网模拟计算111-116
• 7.4.2 运行分析116-118
• 7.5 气体组成分析118-124
• 7.5.1 各分输站流量组成计算118-123
• 7.5.2 各分输站的华白数和燃烧势123-124
• 7.6 本章小结124-126
• 8 结论与展望126-130
• 8.1 结论126-127
• 8.2 主要创新点127-128
• 8.3 展望128-130
• 致谢130-132
• 参考文献132-138
• 附录138-157
• A. 气体组分计算常数值138-139
• B. 通用常数的值139
• C. 纯物质的临界参数139-140
• D. 组分间的二元交互作用系数140-141
• E. 管网系统各时刻节点压力模拟结果141-144
• F. 现有城市用气状况144-146
• G. 电厂用户 24 小时逐时不均匀性统计146-147
• H. 该省各城市月、日、时不均匀系数统计147-150
• I. 各年水力计算图150-153
• J. 各年天然气气体组成153-157
• K. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录157

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