大型天然气管网仿真计算引擎的研究与实现

【摘要】：近10年来,我国天然气工业进入快速发展期,管道仿真技术水平也迅速提高,国内油气储运领域内诸多学者对相关技术进行了深入研究并开发出了相应的管道仿真计算软件,这极大地促进了我国管道运营水平的提高。由于国内天然气管道工业起步晚、基础研究薄弱等原因,国内管道仿真技术与国际上先进国家还有很大的差距,国内还没有形成一款商业化天然气管道仿真软件产品。迄今为止,国内大型油气管道仿真计算与运行分析仍然依赖国外进口商业软件(主要是SPS、TGNET等国际商业管道仿真软件),而国外仿真软件存在价格昂贵、技术垄断、技术服务不到位、产品扩展难等不足,这在很大程度上限制了国内管道公司的业务发展。因此开发出具有完全自主知识产权的仿真软件产品已经势在必行。这对于完全掌握管道仿真核心技术,打破国外公司长期以来对国内市场的垄断,促进国内管道仿真技术的进步具有十分重要的意义。 纵观国外管道仿真技术的发展历程,经历了从探索和尝试阶段、仿真计算软件初步形成、软件的初步工业应用、软件的产品化和商品化到以软件产品为工具定制服务五个阶段。而国内由于现代天然气管道工业起步晚等原因,国内的管道仿真技术处于软件的初步工业应用阶段,还没有完成软件的产品化与商业化。 本文以构建大型商业化天然气管网仿真计算引擎为目标,在总结分析国内外管道仿真领域相关最新研究成果的基础上,对所涉及的关键技术进行了研究。具体来讲,本论文研究工作主要有如下几个方面： (1)按照大型商业软件产品的架构体系,以面向对象的设计原则为出发点,综合运用面向模式的架构设计理念与现代架构设计技术对天然气管网仿真计算引擎进行了架构设计。 (2)考虑任意拓扑结构的天然气管网,采用有向图对管网进行逻辑表征,在此基础上完成管网的拓扑排序、分支点及分支提取、边界识别、模型的有效性验证等预处理。 (3)讨论了大型天然气管网的数值系统的建立方法与步骤,给出了管段和非管元件的数值形式。 (4)深入研究了求解大型天然气管网数值系统时涉及的关键技术,阐述了蛙跳策略、迎风策略的综合应用,以及初始状态的建立过程。 (5)深入研究了压缩机的动态仿真问题,灵活运用“延迟抖动”的策略,实现了气体管网仿真中压缩机的平稳启动和停机,并给出了压缩机动态仿真的方法和步骤。 (6)引入正交测试技术对仿真引擎的最大处理能力进行了探索。 (7)以西气东输一线为例,进行了动态仿真模拟,分别在稳定性、准确性和计算效率方面与SPS进行了对比分析。结果表明,该仿真计算引擎计算结果精度高、易用性强和效率高,具有很强的工程应用价值。 【关键词】：天然气管网 仿真计算引擎 架构设计 线性化 正交化测试
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TE832
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 国外天然气管道仿真技术发展概况13-15
• 1.2.2 国内天然气管道仿真技术发展概况15-17
• 1.3 论文的主要内容与研究思路17-19
• 1.3.1 研究目标17
• 1.3.2 研究内容17-18
• 1.3.3 研究思路18-19
• 1.4 创新点19-20
• 第2章 仿真计算引擎的架构设计20-37
• 2.1 概述20-22
• 2.1.1 架构的定义20-21
• 2.1.2 国内外相关研究工作21-22
• 2.2 仿真计算引擎的架构设计22-34
• 2.2.1 业务需求概述23-26
• 2.2.2 仿真计算引擎的非功能需求26-27
• 2.2.3 架构设计策略27-28
• 2.2.4 架构描述28-34
• 2.3 仿真计算引擎的架构实现34-36
• 2.3.1 实现约束34-35
• 2.3.2 实现技术35-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第3章 大型天然气管网的拓扑结构研究37-51
• 3.1 概述37-39
• 3.1.1 大型天然气管网的结构37-38
• 3.1.2 国内外相关研究工作38-39
• 3.2 管网拓扑结构的计算机描述39-43
• 3.2.1 管网工艺流程的逻辑模型—有向图39-41
• 3.2.2 管网业务数据的持久化41-43
• 3.3 管网拓扑结构的算法设计43-45
• 3.3.1 拓扑排序43-44
• 3.3.2 基本元件的识别44-45
• 3.3.3 分支点提取45
• 3.3.4 分支提取45
• 3.4 实例分析45-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 天然气管网输送工艺的数值系统研究51-70
• 4.1 概述51-52
• 4.1.1 非线性系统求解51
• 4.1.2 线性化处理方法国内外相关研究51-52
• 4.2 天然气管网仿真数值模型建立52-57
• 4.2.1 天然气管网组成部分重排序处理53
• 4.2.2 计算节点序列生成53-54
• 4.2.3 节点控制方程54-57
• 4.2.4 方程组联立57
• 4.3 管段和非管元件模型的线性化处理57-69
• 4.3.1 线性化处理一般原理57
• 4.3.2 管段控制方程线性化57-61
• 4.3.3 离心压缩机模型线性化61-62
• 4.3.4 阀门(截断阀、止回阀、调节阀)模型线性化62-66
• 4.3.5 外部边界模型的数值处理66-67
• 4.3.6 分支点模型的数值处理67-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第5章 天然气管网仿真数值系统求解技术研究70-83
• 5.1 概述70-72
• 5.1.1 天然气管网仿真模型求解技术70
• 5.1.2 国内外相关研究70-72
• 5.2 管网仿真非线性数值模型的求解72-74
• 5.3 管网仿真线性数值模型的求解74-80
• 5.3.1 配置法简介74-75
• 5.3.2 线性数值模型蛙跳的求解策略75-77
• 5.3.3 管网仿真初始状态的建立77-78
• 5.3.4 热力系统迎风求解策略78-80
• 5.4 隐式差分法与线性化方法的对比分析80-82
• 5.5 本章小结82-83
• 第6章 压缩机的动态仿真研究83-98
• 6.1 概述83-85
• 6.1.1 压缩机动态仿真难点83
• 6.1.2 国内外相关研究83-85
• 6.2 压缩机系统工艺图及启、停机描述85-86
• 6.2.1 压缩机系统工艺图85-86
• 6.2.2 压缩机启动过程描述86
• 6.2.3 压缩机停机过程描述86
• 6.3 离心压缩机特性曲线方程86-89
• 6.3.1 恒定转速下离心式压缩机的特性方程87
• 6.3.2 变转速下离心式压缩机的特性方程87-88
• 6.3.3 离心压缩机的喘振和滞止现象88-89
• 6.4 启停过程仿真实现89-91
• 6.4.1 压缩机启动过程仿真(STARTING)—设定转速89-90
• 6.4.2 压缩机停机过程仿真(STOPPING)90-91
• 6.5 仿真实例91-97
• 6.5.1 物理模型91-92
• 6.5.2 压缩机性能曲线数据92-94
• 6.5.3 压缩机启动过程仿真94-96
• 6.5.4 压缩机停机过程仿真96-97
• 6.6 本章小结97-98
• 第7章 仿真计算引擎的最大处理能力探求98-113
• 7.1 概述98-100
• 7.1.1 正交试验设计简介98
• 7.1.2 国内外相关研究工作98-100
• 7.2 仿真计算引擎的影响因素分析100-101
• 7.3 正交化测试设计101-111
• 7.3.1 确定因素和水平101-104
• 7.3.2 正交表的选择104-108
• 7.3.3 正交测试的优势108-111
• 7.4 测试结果分析111-112
• 7.5 本章小结112-113
• 第8章 实现及应用效果分析113-123
• 8.1 天然气管网仿真软件的实现113-117
• 8.2 应用效果分析117-122
• 8.2.1 西气东输一线概述117-119
• 8.2.2 仿真结果对比分析119-122
• 8.3 本章小结122-123
• 第9章 研究展望123-125
• 9.1 结论123-124
• 9.2 建议124-125
• 致谢125-126
• 参考文献126-132
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果132

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