天然气输送管道网络系统的性能仿真.docx
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天然气输送管道网络系统的性能仿真
天然气输送管道网络系统的性能仿真
亚伯拉罕 Debebe Woldeyohannes1 阿卜杜勒·马吉德·穆罕默德·阿明（Universiti Teknologi
PETRONAS，机械工程学系，斯里巴加湾艾斯坎达，马来西亚 31750 Tronoh，）
摘要：
模拟已被证明是对于管道网络系统（PNS）分析有效的工具，以确定这是必要的评
估系统的性能设计和运行变量。
本文讨论了使用模拟传输 PNS 的性能分析。
仿真模型的
开发由 PNS 的不同配置的流量和压力变量确定。
仿真模型的数学公式推导，基于能量守
恒和质量平衡原则，压缩机的特点对于确定的压力和流量变量，程序开发的基础上迭代牛
顿拉夫森计划的解决方案，并使用 Visual C + +6.0 实现。
现有的管道网络系统的仿真模型
的评价结果表明，该模型使不少于 10 次迭代操作变量被确定。
在管网系统，其中包括能
源消耗，对压缩比和排出压力的工作压缩机的性能进行了评估，以满足在不同的速度范围
从 4000-5000kPa 的压力要求。
从模拟分析结果表明，该模型可用于性能分析、协助决策
方面的设计和传输 PNS 的最佳操作。
关键词：
能源；输气管网；压缩机站；天然气；仿真。
1 介绍
管网系统是天然气从源传输到客户的最有效的方法。
当气体通过 PNS 移动，气体的压
力将减少，主要是由于摩擦和传热。
因此，气体的压力应被安装在网络压缩机站，以保持
气体的刺激。
据估计，为了弥补丢失的气体压力，由于种种原因，将压缩机消耗在 3 至
5％的天然气传输[1〜3]。
这实际上是巨额成本，尤其是对网络传输大体积的气体。
电源烧
天然气的成本，剩下的气体运输相当于每年约 2 亿美元，为美国的传输系统[3]。
据报道，
输送管道网络系统的性能提高 1％，可以节省 4860 万美元，导致美国网络传输系统[4]。
模拟分析系统的性能成为重要的工具之一，并在各个领域的经营或资源决策。
仿真分析
中起着重大的贡献在地区的天然气输送网络系统[5〜9]。
模拟被用来预测不同条件下的传输，可以决定对实际系统的设计和操作指南使用三七的
行为。
在设计过程中，模拟可以协助选择的网络结构和几何参数满足要求的管道。
此外，
它也有利于选择应安装在压缩机，阀门，调节器和其他元素的网站。
评估传输网络系统的
组成部分[10〜14]的性能也进行模拟分析。
PNS 由管道和非管元素组成，如压缩机，稳压器，阀门，刮削器，等等。
PNS 的仿真
是没有非管元素，在以前的开发研究中相对比较容易处理。
但是，非管元素的加入使模拟
传输 PNS 更加复杂，需要进一步调查。
管道网络没有非管元素模拟是具有挑战性的，因为
它仅涉及管道和开发 [9]基于图论。
在分析过程中应该有更多的方程被添加到模拟方程的非管元素。
压缩机站是一个主要的
任何气体传输系统的组成部分非管和被视为一个关键因素，压缩机站的运行成本占总传输
公司预算的 25％至 50％ [15，16]。
输送管道网络仿真分析模型与非管元素之间的基本分歧之一是压缩机站如何在仿真建模
的方法。
已经有不同的研究人员尝试用 PNS 在模拟建模压缩机站。
选项之一是考虑压缩机
站作为一个黑盒子通过设置要么吸入或排出压力[17]。
只有很少的资料可被纳入到仿真模
型来代表压缩机站。
PNS 的模拟过程中的压缩机站的影响已被纳入预先设定的排放压力
[9，
18]。
但是，在分析过程中忽略了压缩机吸气压力，吸气温度，流经压缩机的转速。
这项研究的重点在于发展为压缩机内传输性能评价的仿真模型进行各种操作纳入压缩机
站的细节特征，即速度，吸气压力，排气压力，流速，吸的温度。
2.问题描述
根据研究的管道配置，采取从现有的部分 PNS。
PNS 包括一个压缩机站
（CS）中并行工作的两个离心式压缩机。
PNS 服务于八大电厂客户和天然气
区冷却系统（GDC）。
传输 PNS 详细规范如表 1 所示。
要发送的气体是甲烷，
乙烷（92％）（5％），氮（1％）和其他（2％）的混合物。
气体的其他相关
信息
包括气体比重 g=0.5，平均气体流动温度 T=308K 和气体的压缩因子 Z= 0.92。
气体流速在管段被指定为,Q1,Q2.等，传递出不同客户的天然气管道的流速被指
定为 QC1,QC2 等，如图 1 所示。
表 1现有的管道网络系统规格
输气管道特征价格
压缩机数量12
客户需求22.65 至 48.14 的 MM SCMD
管道数19
管道直径200 毫米至 900mm
管道长度6 公里 200 公里
3.仿真模型
该仿真模型由两部分组成;数学公式和解决方案。
数学公式的讨论是模拟方程的
基本组成部分。
如何获取所需的流量和压力的解决方案，这是讨论解决方案计
划中必不可少的压缩机内的气体传输系统性能分析。
3.1 数学公式
1 从[19]压缩机被替换成最大容量为标准的 0.98 万公吨，每立方米一天在分析（MMSCMD）因资料不足
关于外地压缩机。
压缩机的最高时速被限制在 10500 转和压缩机的最大头 108kJ/kg。
为 PNS 模拟的数学模型根据压缩机的性能特点被开发，气体通过管道流动方程
和质量守恒的原则。
在数学公式的发展中假设为单相，干气，不断的气体温度和管道内
部腐蚀可以忽略不计，
3.1.1 流建模
气体通过管道流可受各种因素影响，如气性能，摩擦系数和管道的几何形状。
上游的压力，下游压力和管道中的气体流量之间的关系可谓各方程[9，20]。
采
用一般的流动方程分析。
任何管道与上游压力 Pi Pj，下游的压力和流通过管道
Qij 元素的流动方程可以表示为：
（1）
其中 Kij 是管流动阻力。
为 P[千帕] ţ[K]= KM]，Q[m/小时]和 D[毫米]，Kij 表达
形式：
（2）
在图 1 所示的管道网络中，所有 19 个管流方程得到以下方程式相同的程序。
（1）。
对于一个特定的情况下，有关网络节点 2 和 3 的管流方程已给出：
（3）
3.1.2 压缩机站建模
一般压缩机相关数据是以压缩机性能图的形式提供。
为了融入压缩机的仿真模
型的特点，它是必要的近似数学方程的特征图。
与离心压缩机基本单元数量是
进口体积流率 Q，转速 n，绝热扬程 H，和绝热效率。
近似的数学压缩机性能图
基于归特点可以做到。
三是必要的说明压缩机性能图归一化参数包括 H / N2，Q /
n 和 η。
根据归一参数，压缩机的特点可以近似为两个学位 [4]或三个多项式[6]。
三多项式为地图的特点和在本研究中的使用提供更好的近似值。
使用归一参数，压缩机的特点可以基于三个多项式表示：
为管网仿真模型的发展，如式的关系（4）和式（5）可能无法直接使用。
从压缩机的
图信息应与排气压力，吸气压力和流量，吸气压力和流量有关。
吸气压力 Ps，排出压
力 Pd 与扬程 H 之间的关系[21]：
H 值代入式（6）到（4）式，并重新安排产量所需的压缩机性能方程可以被
纳入仿真模型
在压缩机的性能图的基础上使用，用数学近似代表压缩机的特点确定的系数进
行仿真分析。
因此，压缩机的数学近似值的系数被确定为：
3.1.3 制定质量平衡方程
质量平衡方程，由每个交界处的管道网络根据质量守恒的原则得到。
对于如图
1 所示的给定网络，在路口节点 2 的质量平衡方程表述为：
所有其他每个路口的质量平衡方程式由相同的程序制定 如式（8）。
3.1.4 循环条件
基于循环的条件[20]，图 1 所示为现有的管道网络系统，在压降环形分支 2 - 8
必须等于在支管 2-4-6-7-8 的压降。
由于这一事实，这两个管道分支有一个共
同的起点（2 节点）和共同的终点（节点 8）。
根据一般的流动方程，在图 1
所示的管道网络的循环条件可以表示为：
3.2 仿真模型解决方案的程序
图 1 所示的是管道网络系统中的 10 个压力变量和 20 个流量变量。
管道网络
系统由 19 个管道元件，一个压缩机站，一个环路，和 9 个交汇处组成。
因此有
19 个管流方程，一个压缩机方程，一个循环方程和质量平衡方程。
因此有 30
个方程可用于管道网络系统。
从而 30 个方程有 30 个未知数，是管道网络问题
可以解决。
未知数的确定是根据牛顿拉夫森迭代方案[22, 23] 而确定的。
矩阵型式的管道网络仿真模拟方程表示为[22]。
向量 x表示未知的压力和流量的变量的总和，F 是根据质量平衡和循环条件及
相应的流通管道压缩机的特性方程参数。
多元牛顿拉夫森迭代式，则（10） 变为
其中 A 为其对关于未知压力和流量的函数的偏导数。
从公式中（11）中反复计算未知变量的值，直到相对误差小于指定公差或等
于所需的值。
图 2 显示了 Visual C++6 的仿真模型的快照。
Visual C++代码是以
牛顿拉夫森解决方案为基础模拟研发的。
4.系统的能源消耗
利用仿真模型的基础上获得压力和流量来评估各种配置的 PNS 的能源消耗，
从而选择最佳的系统。
根据公式（12）对不同的方案进行计算比较以选择能源消
耗最小的。
压缩机对气体投入的能源消耗取决于气体的压力和流速。
压缩机所需的能源，
要考虑到[20]中的气体的可压缩性。
其中，HP 是压缩功率单位 KW。
5.结果与讨论
在表 1 和图 1 所示数据的基础上，对开发的仿真模型进行了评价。
开发的仿
真模型主要功能包括输入参数的分析，评价功能模块，网络评估模块。
图 1 现有的输送给不同客户天然气的管道网络。
5.1 输入参数的分析
这一阶段的网络仿真，是从用户的输入作出分析，已得到适当的数据，为下
一阶段进行模拟。
模拟输入包括，管道的数据，压缩机的数据，客户的要求，
未知变量的初步估计数据和迭代次数。
5.2 模拟输出
从仿真模型的输出包括每一个压力和流量的变量，系统的压缩比和功耗。
例
如，压力源为 3500kPa 而最终压力要求为 4000kPa，是次迭代后未知压力变量
结果如表 2 所示。
表 3 表示了经过时次迭代后在压缩机在 8500 转的转速进行分析的相应结果。
需要注意的是只要压缩机的转速不超过工作限制这都可以进行分析。
初步估计
压力为 4000kpa ，流量为 4000m3/hr 。
表 2十次迭代后的节点压力
节点压力【KPa】
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3500.00
2799.26
4151.47
4101.92
4064.66
4006.72
4030.42
4022.6
4021.88
4002.87
4002.68
表 3十次迭代后主干和分支的流量参数
主要流程流量（m3/hr）支流流量（m3/hr）
变量
Q1760909QC1133722
Q2140273QC2133722
Q3353192QC359121.7
Q4267444QC464126.5
Q5123248QC5132794
Q6229944QC668645.8
Q797149.2QC775509.5
Q828503.4QC840739.9
Q993267.4QC91705.01
Q1052527.5
Q1150822.5
图 2开发的仿真工具快照
图 3前十次迭代 P1 收敛图
在第十次迭代结束时，获得了最大的压力和流量变量的相对误差百分比是
8.1271E-17.未知的压力和流量的最初估算是根据误差变化确定的。
为仿真模型
的测试提供了广泛范围的初步估算，并进行多次试验。
从在仿真模型上进行的
试验，根据测试的压力和流量的变量初步估计管线压力的要求。
连续迭代之间
的相对误差通常在迭代的开始和随着迭代次数的增加而减少。
根据不同的初始
估计在节点 1,2 和主要的流量变量 Q1 的压力变量下进行收敛性研究。
图 3 图 4
显示前十次迭代节点压力收敛，最终压力的解决方案如图 1 所示的初始节点 1,2
的 PNS 估计为 2500,3000 和 4000KP。
在这两个图中，据观察，节点压力的解
决方案从第三次迭代开始。
需要注意的是其余的节点压力为收敛，再节点 2 上
的压力遵循相同的趋势。
如图 5 所示前十次迭代收敛的主要流量参数 Q1 初步估计为 2500,3000 和
4000m3/hr 。
图 4前十次迭代 P2 收敛图
图 5前十次迭代 Q1 收敛图
5.3 仿真模型的验证
基于两个不同的管道网络配置 PNS 的仿真模型结果与其他两个模型进行了比较。
在第一种情况下，仿真模型与 GUNBARREL 管道网络系统[1] 详尽的优化技术
进行了比较。
管道网络包括 6 个节点，三个管道，两个压缩机站并且无闭环。
表 4 所示的各种投入和对问题的描述很详尽。
表 4GUNBARREL 网络配置问题的实例
项目吴[1]开发的仿真模型
网络问题寻找最佳的节点压力查找节点的压力和流量参数
输入参数流量需求和源压力
压缩机数量58
压缩机速度-5775rpm
流动方程一般一般
压缩机的特点不包括综合管理的模拟方程
解法彻底搜索牛顿拉夫森计划
据观察，随着压缩机的速度增加，PNS 仿真模型的节点压力越来越接近[1]中得
到的节点压力的结果。
进行各种模拟试验后，压缩机的转数在 5775rpm 时最大
百分误差为 2.37 %这时有较好的效果，相应流量偏差为 10.7%。
表 5 显示了和
发达国家 PNS 仿真模型的详细比较结果。
表 5GUNBARREL 配置仿真与结果[1] 的比较
节点的压力和流量变量结果[1]仿真模型的结果绝对误差％
P14112.884112.880.00
P23433.593497.231.85
P33640.433616.100.67
P42850.702896.841.62
P53088.853015.712.37
P62101.132100.000.05
Q70792178371510.71
第二个比较基础的问题，例如从[9]中获取。
该网络由 10 个管道和两个循环
组成。
对于这个问题，在假定固定压力比为每台压缩机时，牛顿环路节点的方
法适用于获得压力和流量的变量。
然而，满足预设的错误线之后得到的最终节
点压力未能满足以前承担的压力比。
在 CS1 压力比假定为 1.8 和 CS2 的假设是
1.4..而经压力比后得到的解决方案实际上是 CS1，CS2 分别是 1.34 和 1.1832。
在进行各种模拟试验之后，当 CS1 压缩机的转速为 5025 rpm 和 CS2 压缩机转
速为 4750 rpm 时的节点压力和流量参数在[9]中所得结果附近。
表 6 显示了开
发的环形配置的仿真模型的节点压力和流动变量与结果[9]之间的比较。
发现两
种方法间的平均绝对百分误差为 5.10%。
在使用[9]这种方法时流量方程的使用
方式，分析和压缩机站的简单化会导致流量和节点压力参数的变化。
[9]中的一
般流动方程已经在发达的仿真模型中应用。
此外 PNS 的压缩机仅局限于详尽的
压缩比而已。
在比较的基础上开发的仿真模型是有优越性的，因为它包含了压缩机站
这是评估网络系统的性能至关重要的详细信息。
表 6基于 GUNBARREL 配置的模拟结果与[9]结果的比较
交点
P（KPa）
P1
[16]的
结果
5000.00
仿真模型的
结果
5000.00
Abs
误差%
流量
[m3/hr]
Q1
[16]的结
果
64715.00
仿真模型的结
果
57984.301
Abs
误差%
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P9
P10
4790.60
4818.10
4468.70
5995.40
4762.30
5634.90
5637.70
5549.90
5486.30
4991.81
4990.62
4979.06
5936.70
4987.98
5921.97
5921.70
5918.02
5915.10
0.00
4.20
3.58
11.42
0.98
4.74
5.09
5.04
6.63
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
65283.10
-18713.10
63429.00
26570.90
63429.00
26570.90
17924.80
30504.50
14495.50
67015.70
-19649.10
57453.30
27546.70
57453.30
27546.70
17763.30
29690.00
15310.00
0.40
2.65
4.04
9.42
3.67
9.42
3.67
0.90
2.67
7.82
5.4 仿真模型中压缩机性能分析与应用
进一步进行了对图 1 所示的 PNS 的压缩机的性能分析模型的研究。
对压缩机
的性能分析是通过对排气压力（P2）和流量（Q1）实现的。
对压缩机的性能研究是
为了使 3500KP 的压力源来满足压力范围从 4000 至 5000KP 的压力要求。
与压
缩机转速为 5000, 5500, 6000 和 6500rpm 的进行分析。
要注意压缩机的转速只
要是在压缩机的工作线之内就可以。
5.62
图 6释放的压力与流量的变化
压缩机的流量 （Q1）与排气压力（P2）的变化如图 6。
如图 6 所示以恒定速度运
转的压缩机，排气压力增加，引起了减少流动系统的能力，反之亦然。
图 6 的
分析结果表明，使用仿真模型生成的特点图形状类似[21,24]中所示的压缩机特
点图。
因此仿真模型可以用来分析压缩机的性能。
图 7压缩流动比率变化
图 8流量与能源消耗的变化
图 7 所示的压缩比（CR） 与流量和速度的变化情况。
从图 7 可以观察到在低
流通能力下，能实现更高的系统压缩比。
对于一个恒定的流通作业，系统的 CR
随着压缩机转速增加而增加。
图 7 的结果也表明了对于此 CR 的压缩机的特征
图与[21]所绘制的特征图类似。
不同转速的压缩机的能源消耗变化如图 8 所示。
据观察，随流量增加功耗
也增加。
在一个恒定的流量作业，随着压缩机转速的增加系统功耗也增加。
因
为在[20]中，系统功耗是流量，CR 和流体特性的函数。
观察图 7，当压缩机的
转速增加，压缩机 CR 也增加。
因此由于系统的 CR 增加，系统的功耗增加。
6.结论
输送管道仿真模型的网络性能分析纳入了开发压缩机特性的详细资料。
该
模型适用于获得在管道网络系统中重要的压力和节点流量等重要的变量。
获得
相对百分误差小于 10 次迭代的压力和流量变量的合理结果。
利用所开发的仿真
模型进行现有管道网络配置压缩机的性能分析。
利用开发的仿真模型绘制的特
点图是类似于文献中的。
因此，仿真模型可用于评估天然气输送网络系统的性
能，这对运营决策至关重要。
所开发的仿真模型，可以很容易的延伸到其他石油产品的 PNS 的应用性能
分析。
管道网络系统可能会受到各种环境因素变化的影响，比如温度和腐
蚀严重的情况会影响运作。
对于仿真模型的性能分析，考虑到这些影响是个很
重要的问题。
瞬态模型是从仿真角度要解决的另一个重要的问题。
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