天然气输气管线系统优化设计与运行研究

【摘要】：天然气是一种清洁优质能源，提高天然气在一次能源中的比重，对于优化我国能源结构，缓解我国能源需求紧张和环保压力有着重要的意义。近年来随着天然气开发规模和使用规模的不断增大，天然气输气管线建设也快速发展，天然气输气管线系统日趋庞大和复杂，管线的建设投资和运行费用相应增大，进行天然气输气管线系统进行优化设计和运行研究，对增加管线系统经济效益和保证管线系统安全运行有着重要意义。 本文论述了国内外天然气输气管线系统优化设计和动态数值模拟的研究现状。针对天然气输气管线系统优化设计问题，建立了以输气管线系统总费用最小为目标函数的技术经济模型，约束条件包括边界条件约束、管道强度约束和水力学约束等，优化变量为管径、压缩机压比、压缩机出站压力和管壁厚度。利用遗传算法对数学模型进行了求解分析，通过案例计算与方案比较，模型比较合理的反映出管径、输气压力和管壁厚度对总费用的影响，与实际设计数据误差较小，验证了该模型的可靠性。 天然气输气管线在运行中由于用户用气量随生产负荷的变化、管道进/分气支线的接通或关闭、压缩机站的启停等原因，导致系统处于非稳态工况。针对输气管线系统非稳态工况的特点，根据流体连续性方程、运动方程和能量方程，分别建立了非稳态快瞬变过程和慢瞬变过程的数学模型，采用特征线法和隐式中心差分法分别对快瞬变和慢瞬变模型进行求解，并分析了特征线法和隐式中心差分法求解偏微分方程的数学方法及边界条件的处理方法。将所建立的模型分别应用于输气管线系统的快瞬变工况案例和慢瞬变工况案例，模拟结果与文献值所描述的管道末端压力变化趋势相同，能够较好的反映输气管线的不稳定运行状态，证明了模型的可靠性，可以用来指导天然气输气管线实际运行操作。 【关键词】：输气管线 优化 数学模型 不稳定流动
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TE832
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景10-12
• 1.2 本文的研究意义12-14
• 1.2.1 输气管线系统优化设计的必要性12-13
• 1.2.2 输气管线系统动态模拟的必要性13-14
• 1.3 研究现状14-17
• 1.3.1 输气管道系统优化设计研究现状14-15
• 1.3.2 输气管线系统动态模拟研究现状15-17
• 1.4 研究内容17-18
• 第二章 天然气输气管线系统相关参数的确定18-32
• 2.1 天然气的基本物性18-20
• 2.1.1 天然气分子量18
• 2.1.2 天然气的密度和相对密度18-20
• 2.1.3 天然气的拟临界参数和拟对比参数20
• 2.2 天然气在管道内流动的基本方程20-22
• 2.2.1 输气管道流动过程的基本方程21-22
• 2.2.2 输气管道稳定流动过程基本方程22
• 2.3 气体的状态方程22-25
• 2.3.1 BWRS 状态方程23-24
• 2.3.2 混合气体状态方程24-25
• 2.4 利用 BWRS 计算相关参数25-26
• 2.4.1 利用 BWRS 状态方程计算密度25
• 2.4.2 利用 BWRS 状态方程计算压缩因子25-26
• 2.5 摩阻系数与输气管流量公式26-31
• 2.5.1 雷诺数与流态的划分26-27
• 2.5.2 摩阻系数的确定27-29
• 2.5.3 输气管道稳定流动流量公式29-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 天然气输气管线系统优化设计研究32-54
• 3.1 输气管线系统优化设计问题32
• 3.2 输气管线优化设计的数学模型32-40
• 3.2.1 基本假设33
• 3.2.2 天然气输气管线系统总费用构成33-36
• 3.2.3 输气管线优化设计的目标函数36-37
• 3.2.4 约束条件37-39
• 3.2.5 优化变量39
• 3.2.6 优化设计的数学模型39-40
• 3.3 数学模型求解策略40-44
• 3.3.1 求解方法选择40-41
• 3.3.2 遗传算法概述41-42
• 3.3.3 遗传算法应用于输气系统优化设计模型42-44
• 3.4 案例应用研究44-53
• 3.4.1 案例描述和基础参数数据44-48
• 3.4.2 求解过程分析48-49
• 3.4.3 结果分析和讨论49-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第四章 天然气输气管线非稳态工况模拟54-73
• 4.1 输气系统非稳态工况概述54-55
• 4.1.1 非稳态工况的发生与发展过程54-55
• 4.1.2 输气系统快瞬变与慢瞬变过程55
• 4.2 输气管线动态模拟的数学模型55-61
• 4.2.1 动态模拟数学模型的建立55-57
• 4.2.2 数学模型的简化57-60
• 4.2.3 初始和边界条件的确定60-61
• 4.3 模型的数值求解61-65
• 4.3.1 模型的求解方法分析61-62
• 4.3.2 特征线法求解快瞬变模型62-63
• 4.3.3 隐式中心有限差分法求解慢瞬变模型63-64
• 4.3.4 算法设计64-65
• 4.4 案例应用65-72
• 4.4.1 案例一、慢瞬变过程模拟65-68
• 4.4.2 案例二、快瞬变过程模拟68-70
• 4.4.3 案例三、简单输气系统瞬变过程模拟70-72
• 4.5 本章小结72-73
• 结论与建议73-75
• 结论73
• 建议73-75
• 参考文献75-80
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果80-81
• 致谢81-82
• 附件82

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