分類號 密級 U D C 編號 中 南 大 學(xué) 程碩士學(xué)位論文 論文題目 順南天然氣輸配站計算機監(jiān)測控制 系統(tǒng)研究與開發(fā) 學(xué)科、專業(yè) 控制工程 研究生姓名 祝常紅 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職稱 桂衛(wèi)華 教授 分類號 密級 工程碩士學(xué)位論文 順南天然氣輸配站計算機監(jiān)測控制 系統(tǒng)研究與開發(fā) 者姓名： 祝常紅 學(xué)科專業(yè)： 控制工程 學(xué)院 （系、 所） ： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 桂衛(wèi)華 教授 副指導(dǎo)教師： 王 強 論文答辯日期 答辯委員會主席 中 南 大 學(xué) 2005 年 05 月 隨著天然氣開發(fā)和使用規(guī)模的不斷擴大，天然氣輸配系統(tǒng)也日趨龐大和復(fù)雜。使得人們掌握輸配管網(wǎng)的運行規(guī)律和分析處理、輸配管網(wǎng)的事故工況，準(zhǔn)確、實時地對天然氣進行計量監(jiān)控都變得十分困難。因此迫切需要一種新型的、先進的天然氣輸配站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。本文根據(jù)順南天然氣輸配站存在的問題，開發(fā)了對計量點分散計量，集中查詢與管理的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對現(xiàn)場輸配情況的自動檢測和遠程監(jiān)控 ，完成了對天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /動態(tài)仿真，達到天然氣輸配管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化運行，提高了天然氣的利用率。 本文根據(jù)順南天然氣輸配管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，對其進行計算機硬件總體結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)場各計量點的信號采用 片進行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計測量信號傳送中的抗干擾措施，通過組態(tài)軟件 行接口參數(shù)設(shè)置和遠程通訊設(shè)計，按照計量標(biāo)準(zhǔn)（ 6143的規(guī)定，實現(xiàn)對天然氣的實時計量，流量累計和歷史參數(shù)的存儲與管理。 本文給出了順南天然氣輸配站計算機監(jiān)控軟件的總體結(jié)構(gòu)，據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)天然因子， 體積流量算法和補償技術(shù)用 態(tài)軟件對天然氣計量進行腳本程序設(shè)計，對雙機熱備份檢測過程進行軟件編制，對計量監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)庫管理，便于快速把握天然氣產(chǎn)、供、銷的運行情況和分析決策。 最后，本文針對在輸配管網(wǎng)線中的氣體力學(xué)計算問題，利用數(shù)值分析法中的雅可比矩陣和特征線法，建立了天然氣輸配管網(wǎng)中穩(wěn)態(tài) /動態(tài)仿真模型，采用 態(tài)軟件對輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /動態(tài)進行仿真，實現(xiàn)了天然氣輸配管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化運行，使監(jiān)控系統(tǒng)的運行更加精確、可靠、功能更強。 該監(jiān)控系統(tǒng)已投入運行，經(jīng)局技術(shù)監(jiān)督處鑒定，天然氣計量精度高于國家規(guī)定的天然氣一級計量標(biāo)準(zhǔn)，可靠性高，達到工程設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞： 監(jiān)控 流量補償 數(shù)據(jù)采集 穩(wěn)態(tài) /動態(tài)仿真 of is is It is to of to of to It is to a a of on of of on to of Y/996, on up of to on of It is to of it is to At at in of s of It is of by of is of 1摘 要. i . 一章 緒 論. 1 景. 2 內(nèi)外研究現(xiàn)狀. 2 南天然氣輸配站現(xiàn)狀分析和開發(fā). 3 要研究內(nèi)容的結(jié)構(gòu)安排. 5 第二章 順南天然氣輸配站計算機監(jiān)控硬件總體結(jié)構(gòu). 7 南天然氣輸配網(wǎng)管輸配結(jié)構(gòu). 7 然氣計量監(jiān)控硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu). 9 算機計量監(jiān)控工作站的設(shè)計. 10 程通訊設(shè)計. 14 結(jié). 17 第三章 順南天然氣輸配站計算機監(jiān)控軟件總體結(jié)構(gòu). 18 . 18 南天然氣輸配站的計量補償. 20 然氣體積流量計算模塊的編制. 23 特征線法的數(shù)學(xué)原理. 43 于特征線法的動態(tài)仿真計算. 46 控軟件態(tài)仿真監(jiān)控的應(yīng)用. 49 真監(jiān)控模擬總體結(jié)構(gòu). 49 態(tài)仿真監(jiān)控應(yīng)用. 50 態(tài)仿真監(jiān)控應(yīng)用. 52 結(jié). 53 第五章 結(jié)論與展望. 55 參考文獻. 57 攻讀學(xué)位期間主要研究成果. 60 致 謝. 61 第一章 緒 論 景 煤、石油和天然氣仍然是 21 世紀(jì)世界能源供應(yīng)的三大支柱。天然氣不僅是優(yōu)質(zhì)燃料，而且是化學(xué)工業(yè)的重要原料，在世界經(jīng)濟格局中占據(jù)著特別重要的地位。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，推動了世界能源市場的發(fā)展，但大氣環(huán)境質(zhì)量的嚴格要求又制約著煤和石油的發(fā)展，這必然要引起能源結(jié)構(gòu)的改變。世界正朝著清潔能源的方向發(fā)展，如天然氣，電力和再生能源等，這給我國天然氣工業(yè)的發(fā)展提供了極好的發(fā)展機遇。 天然氣是世界上公認的高效、潔凈的能源 ，作為化工原料及能源燃料在世界上得到廣泛的應(yīng)用。一是發(fā)電：利用天然氣發(fā)電效率高，可以起到較好的調(diào)峰作用。二是化工：發(fā)達國家的合成氨和甲醇幾乎全部是用天然氣生產(chǎn)，但在我國的利用率還很低。三是城市工業(yè)用氣：主要是小型燃氣熱、電、冷聯(lián)供（燃氣輪機，余熱鍋爐、溴化鋰制冷）用氣。四是城市居民用氣：城市居民用天然氣替代煤炭，具有很好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。五是其他途徑：天然氣在制氫，汽車用氣等方面也有廣泛的用途。 在天然氣的輸配送的過程中，計量環(huán)節(jié)的 實時監(jiān)控起著重要的作用，正確的選擇測量方法與合理設(shè)計計量監(jiān)控系統(tǒng)，將直接關(guān)系到能源的合理分配與企業(yè)的經(jīng)濟效益。 目前市場有各種各樣的流量計可用于測量天然氣的流量。不管采用哪種方式進行天然氣體積流量計量，往往需要采用補償措施來提高測量的準(zhǔn)確性。 天然氣的開發(fā)與利用離不開輸配管道的輸 送，儲氣與供（配）氣，天然氣輸配系統(tǒng)主要由天然氣輸配管網(wǎng)，儲配站，調(diào)壓計量站等設(shè)施和運行管理操作組成。隨著天然氣開發(fā)規(guī)模和使用規(guī)模的不斷擴大，天然氣輸配系統(tǒng)也日趨龐大和復(fù)雜。使得人們了解與掌握輸配管的運行規(guī)律，分析處理和監(jiān)控輸配管的事故工況，論證和提出經(jīng)濟合理的優(yōu)化運行方案都十分困難；因此人們迫切需要據(jù)天然氣輸配管網(wǎng)中的氣體流動規(guī)律，找出氣體輸配管網(wǎng)中各個參數(shù)間的互相影響和流動關(guān)系，保證輸配系統(tǒng)運行的可靠性、安全性，經(jīng)濟合理地進行天然氣輸配管網(wǎng)的供氣優(yōu)化調(diào)度， 對天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /動態(tài)仿真也是不可缺少的組成部分。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外從二十世紀(jì) 70 年代起對流體輸配運行規(guī)律進行了廣泛的理論研究。80 年代后期，國外天然氣輸配普遍采用快裝氣輪機和離心壓縮機組實現(xiàn)無人值守，全自動運行管理，還具有壓力監(jiān)控，流量監(jiān)控和安全保護功能。計量 3裝置具有較高的計量精度，除常用的孔板流量計和渦輪流量計外，正在研制超聲流量計。 進入 90 年代隨著計算機硬件的廣闊發(fā)展， 國外對天然氣輸配管網(wǎng)中的運行規(guī)律的研究有了長足的進步，充分利用計算機強大的計算能力對天然氣在管道內(nèi)全程監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上提供了天然氣輸配的 機系統(tǒng)，并研制出天然氣輸配模擬及測量軟件包?？梢詫Υ笮蛷?fù)雜的天然氣輸配管網(wǎng)進行穩(wěn)、動態(tài)模擬，實時監(jiān)控。其代表有美國科學(xué)軟件公司（ 件和 件，但其價格昂貴，系統(tǒng)開放性差，生成的生產(chǎn)數(shù)據(jù)很難進一步進行二次開發(fā)，不符合中國人的習(xí)慣等一系列的問題。 我國五十年代出現(xiàn)了機械補償流量計，雙 波紋管差壓式計是較早使用的位移平衡式機械儀表，它的結(jié)構(gòu)簡單，易操作，成本低，維護簡單，具有較成熟的生產(chǎn)工藝，目前仍在天然氣流量檢測中使用，由于該儀表是純機械儀表，精度低，使用一段時間，因磨損將導(dǎo)致不靈敏和線性誤差增大。 八十年代出現(xiàn)了電動單元儀表，開始應(yīng)用 電動單元組合儀表的變送器和運算單元建立自動補償系數(shù)，實現(xiàn)了自動連續(xù)補償，檢測精度也有所提高。它通過變送器檢測出天然氣的靜壓，差壓和溫度等參數(shù)，無須人工計算，溫度、壓力和差壓在線檢測計算，自動化程度提高，但它無法對天然氣組成成分極其摩爾分量不斷變化進行參數(shù)修正的補償，使它的應(yīng)用受到限制。 從九十年代開始，由于計算機具有極強的存儲能力和極快速的運算能力，再配套高精度的智能變送器、數(shù)據(jù)采集卡，就可以完成對天然氣輸配管網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理，數(shù)據(jù)儲存，報表打印和報警等功能，極大的減輕人員的勞動強度。特別是現(xiàn)在通過計算機聯(lián)網(wǎng)，可以實時監(jiān)控天然氣輸配管網(wǎng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，同時使管理層據(jù)現(xiàn)場情況進行快速決策。在實際應(yīng)用中，對天然氣在輸配管網(wǎng)內(nèi)的運行規(guī)律和某些需經(jīng)常改變的量（天然氣組成成分及摩爾分量）進行修改時，可以通過計算機軟件來完成。 南天然氣輸配站現(xiàn)狀分析和開發(fā) 目前順南天然氣輸配站監(jiān)控站的技術(shù)比較落后，采用現(xiàn)場儀表設(shè)備對天然氣的輸配管網(wǎng)進行檢測和監(jiān)控，利用人工經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)閥門達到期望值。這種方式效率低下，技術(shù)落后，存在很多問題?，F(xiàn)歸納如下： 測量精度低 天然氣的流量測量需要進行溫度、壓力全參數(shù)補償，轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)狀況流 4量，而順南天然氣輸配站采用人工調(diào)節(jié)，根本無法做到補償運算，溫度則是由插入管線內(nèi)的玻璃管溫度計測量，每小時測量一次，再求當(dāng)天的平均值，測量精度低。 穩(wěn)定性差 很多儀表抗干擾能力差，系統(tǒng)不穩(wěn)定，有測量不準(zhǔn)、跳變，控制錯誤等現(xiàn)象。 管理落后 輸配站控制中心沒有數(shù)據(jù)管理，對一些事故狀態(tài)沒有記錄，不能進行歷史查詢；而且對于抄表工作，都要操作工跑去現(xiàn)場，耗費了較多的人力物力。這些方式都表明了目前的順南輸配站管理技術(shù)落后。 控制方法簡單 順南天然氣輸配站的控制系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài) /動態(tài)仿真和優(yōu)化調(diào)整， 今天只能知道昨天的流量，而且只能是平均量，根本無法了解一天之中每條管線內(nèi)流量的實時動態(tài)變化，使管理層難以確切調(diào)度各個用氣單位的用量，造成用氣單位有時不夠用，有時過于充足，不能合理地調(diào)配高峰時段與低谷時段的合理送氣，天然氣利用率不高，生產(chǎn)效率低。 正是由于以上問題的存在，對一種新型，先進的天然氣輸配站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的需求已經(jīng)越來越迫切。順南天然氣輸配站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要由計算機，采集板卡，智能變送器等部分組成，采用了 中文組態(tài)軟件。根據(jù)生產(chǎn)需求實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置。計算機和 態(tài)軟件可實現(xiàn)機接口和數(shù)據(jù)管理平臺，具有工藝流程圖，實時動態(tài)顯示（流量、壓力、溫度和時間） ，歷史曲線圖、報警、報表、數(shù)據(jù)記錄和參數(shù)設(shè)定功能，智能變送器將現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換為電信號送到采集板卡， 數(shù)據(jù)采集板卡和 態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計算、補償、存儲和通訊等功能，針對天然氣在輸配管網(wǎng)線中穩(wěn)態(tài) /動態(tài)氣體動力學(xué)計算問題、 利用數(shù)值分析法中的雅可比矩陣和特征線法，建立天然氣輸配管網(wǎng)中穩(wěn)態(tài) /動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，采用 態(tài)軟件對天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /動態(tài)進行仿真， 達到天然氣在輸配管網(wǎng)調(diào)度中的優(yōu)化運行，提高了天然氣的利用率。 總之，根據(jù)順南天然氣輸配站的實際 情況開發(fā)了對計量點采用分散計量，集中查詢的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場輸配氣情況的自動檢測，同時也可以在管理中心實現(xiàn)計量檢測，該系統(tǒng)的模擬設(shè)計符合相關(guān)的石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ 6143的“計算機應(yīng)用一般原則”及“天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)計量方法”的數(shù)學(xué)模型，可以遠程監(jiān)測和控制現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，方便了天然氣輸配站的集中管理與調(diào)度。系統(tǒng)配置如圖 1示： 南天然氣輸配站公司微機計量系統(tǒng)配置圖 要研究內(nèi)容的結(jié)構(gòu)安排 （ 1） 本文在緒論中分析與比較國內(nèi)外天然氣輸配管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展方向，針對順南天然氣輸配站監(jiān)控站存在的問題，提出了一種用 中文組態(tài)軟件，計算機，采集板卡，智能變送器等部分組成的新型的，先進的天研華 N 個） ，智能流量計和儀表 (壓力，差壓，溫度，流量 ) 的采集模塊 天然氣計算機計量系統(tǒng) 硬件環(huán)境：研華工控計算機 主頻 存 128M/硬盤 80G/驅(qū) 卡 /存存儲器 ; 軟件環(huán)境 : 文版 /態(tài)軟件無限點網(wǎng)絡(luò)版 /順南天然氣輸配公司天然氣計量計算機信息管理系統(tǒng) (B 傳輸方式： 傳輸距離： =小流量切除 取絕對溫度值，大氣壓值，二氧化碳值，氮氣值，相對密度值； 用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或 準(zhǔn)計算壓縮因子； 計算直徑比； 查表計算粘度； 25查表計算甲烷的定壓比熱 計算可膨脹系數(shù)； 查表計算某溫度下的飽和水蒸氣壓力； 計算含水因子 排除文丘利管； 計算迭代常系數(shù) A； 迭代計算求 對流出系數(shù)進行孔板尖銳度系數(shù) 修正 對流出系數(shù)進行粗糙度系數(shù) 修正 計算出最終流量； 計算等熵指數(shù)、氣體粘度、壓縮因子、相對密度； F F 流量單位換算 (萬立方米 方米 ) 4：流量累計算法（參見 61434準(zhǔn)和原流量累計設(shè)備驅(qū)動構(gòu)件） ： A：讀取流量累計參數(shù)； B：流量累計參數(shù)和公式； Q = 流量； 累計流量； 累計周期； Q； C：流量累計流程： 時間計數(shù)值初始化 判斷流量時間單位 , 計算累計周期 計條件 = =小流量切除 計流量 =累計流量 + 累計周期 * 流量 F F 5：流量補償算法； （ 1）儀表維護的流量補償算法 A：正常計算，顯示，保存各檢測工況參數(shù)和瞬時流量； B：不計算累計氣量，顯示，保存累計氣量為特定值（ 0 或 ； C：維護后，第 X 加 1 周期對累計氣量一次補償； 26D：補償累計氣量 = （維護前 X 次瞬時流量值 +維護后 X 次瞬時流量值） / 2 * X * 儀表維護時間； （ 2）清洗孔板的流量補償算法 A：正常計算，顯示，保存各檢測工況參數(shù)和瞬時流量； B：不計算累計氣量，顯示，保存累計氣量為特定值（ 0 或 ； C：維護后，第 X 加 1 周期對累計氣量一次補償； D：補償累計氣量 = （清洗前 X 次瞬時流量值 +清洗后 X 次瞬時流量值） / 2 * X * 清洗時間 * 孔板清洗系數(shù)； （ 3）系統(tǒng)正常關(guān)閉或異常關(guān)閉的流量補償算法 A：補償累計氣量 = （關(guān)閉前 X 次瞬時流量值 +恢復(fù)后 X 次瞬時流量值） / 2 * X * 關(guān)閉時間； （ 4）系統(tǒng)時間校正的流量補償算法 A：補償累計氣量 = （校正前 X 次瞬時流量值 +校正后 X 次瞬時流量值） / 2 * X * （ +/； 注：以上時間應(yīng) M= ()22210 公式 (4當(dāng) K 有兩個實根，即存在兩個特殊性征方向，方程為雙曲型；即一階擬線性雙曲型偏微分方程將存在兩族特征線方向各為： dx/dt=i=1,2） 由于沿特征方向上， 函數(shù) ,及 可以唯一確定， 其偏導(dǎo)存在， 因而有 1=0（ I=1,2,3,4） ,因為這四個系數(shù)行列是等價的，可以任取，如取 I=3，則： =0 0 0 0 一列乘 為新的一列，再以第二列乘四列乘 為新的第二列，化簡可得： 3= =0 展開之得特征線上的特征關(guān)系為： （ ） 式 （ 4 式中 = D = E = G = g2 此我們得四個常微分方程： 46()=+=04這樣我們將求解有兩個變量的一階擬 線性雙曲型偏微分方程問題轉(zhuǎn)化為求解 x, t 平面上的兩族特征方向及沿此方向的特征關(guān)系式的問題。 于特征線法的動態(tài)仿真計算 將式 (4式（ 4別改寫成如下形式 : +0+0+2=0 式(40+ =+01 式(4與式（4較，得： , ， , ,=P; =M 由此可算得： =1/F N= = 2/F =0 G= =0 =0 E= =2 = i= 式 (4所以我們求得兩個特征方向為： 47dx/dt= dx/2= 式 (4由此我們得特征線法求解管道內(nèi)天然氣瞬態(tài)特性的四個常微分方程： =+)(式 (4 =+)(式 (4Z：管道的特征阻抗， Z= /F； f(t)：摩擦損失函數(shù) : f(t)= 為了采用計算機求解，還必須把式（ 4，式（ 4為有限差分方程。分別取時間步長和管段步長為 t 和 x，可將連續(xù)的 x， t 管道平面網(wǎng)格化，如圖 4示，沿左特征線 積分至 S，沿右特征線 積分至 S，兩特征線的差分方程分別為： Z（ + t/2fs(t)+fM(t)=0 式 (4Z(N+ t/2fs(t)+fN(t)=0 式 (4將上兩式移項得： M+t/2fs(t)+fM(t) 式 (4N t/2fs(t)+fN(t)+由于摩擦力損失fs(t)是未知的，可近似為41 fs(t)=1/2fM(t)+fN(t) 代入（4，并且與(431)和(432)比較得： 圖 4征線法 x, t 網(wǎng)絡(luò) 48M+t3/4fM(t)+1/4fN(t) 式(4t1/4fM(t)+3/4fN(t) 式(4將式（4入（4，可得： 式(4R+ 式(4由此可得：=+=)(21)(21 根據(jù)邊界條件，管道首末端壓力 4式 (4管端方程分別為： 41 (4求解天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中多根管道時，可按其流態(tài)等分別選用上述相關(guān)公式，然后對每根管道獨立求解每一時刻各內(nèi)分點上的壓力和流量關(guān)系式，再根據(jù)管端的邊界條件，即管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)定的壓力和流量間的關(guān)系式和管端相應(yīng)的式（ 4，式（ 4，確定每根管道端點的流量和壓力。其程序框圖如圖 4示。 仿真的準(zhǔn)確性極大地影響著天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的生產(chǎn)、調(diào)度和運行，在進行天然氣管網(wǎng)動態(tài)模擬計算時，還存在一 個合理選取其計算時間步長 t 值的問題，即在滿足計算精度要求的前提下，采用合適的簡化處理方法，使得 t 值盡可能大，并使其簡化處理的誤差 盡可能小，同時還要保證特征線差分方程的收斂和穩(wěn)定性， t 和 x 間必須滿足 定條件，即： t x/ 式（ 4 49圖 4道仿真模擬程序框圖 控軟件 天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)/動態(tài)仿真監(jiān)控的應(yīng)用 天然氣輸配管網(wǎng)的運輸管理與檢測控制是一個重要的技術(shù)經(jīng)濟問題，必須據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)的特性，建立合理的數(shù)學(xué)模型，通過應(yīng)用 中文組態(tài)軟件，采用 言編制腳本程序進行天然氣輸配網(wǎng)管仿真，實現(xiàn)以下功能： 1、天然氣管網(wǎng)調(diào)度方案分析及評價； 2、天然氣管網(wǎng)儲氣能力及調(diào)峰方案分析； 3、天然氣運行狀態(tài)分析（是否有泄漏和需要清洗等） ； 4、天然氣運行趨勢分析； 真監(jiān)控模擬總體結(jié)構(gòu) 為保護證實天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，最優(yōu)的方案，運用經(jīng)濟手段促進天然氣產(chǎn)、供、銷的管理，應(yīng)用工控組態(tài)軟件 計完成天T=T+ t 輸入管道系統(tǒng)數(shù)據(jù) 輸入工作狀態(tài)邊界條件 管段內(nèi)部各點節(jié)點的壓力、流量分析計算 T=0 所有邊界點節(jié)點的壓力、流量分析計算 TT 期 輸入管道步長與時間步長 顯示節(jié)點壓力流量隨時間變化 輸入初始條件和邊界條件 開始 結(jié)束 50然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn) /動態(tài)仿真控制系統(tǒng)?？傮w功能如圖 4示： 天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)動態(tài)仿真系統(tǒng) 元 件 參 數(shù) 設(shè) 置 穩(wěn) 態(tài) 仿 真 動 態(tài) 仿 真 報 表 生 成 圖 4然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)動態(tài)仿真系統(tǒng)總體動能圖 態(tài)仿真監(jiān)控應(yīng)用 根據(jù)實際的管理網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以計算管網(wǎng)中各個站點的進出口壓力和各站點的分輸量，在進行穩(wěn)態(tài)仿真之前，先要對管網(wǎng)中各個元件的參數(shù)進行設(shè)置，其穩(wěn)態(tài)仿真的計算實例操作如下： 1技術(shù)要求與參數(shù)設(shè)置： 2由于集輸氣站場壓損小，在繪制仿真圖時，把站場看成一個節(jié)點，即氣體在站場不產(chǎn)生壓降，只在管件上產(chǎn)生壓降，而流量的變化只能出現(xiàn)在節(jié)點上，元件內(nèi)部不產(chǎn)生流量的變化。圖 4 圖4南站集輸管網(wǎng)仿真模擬示意圖 a. 氣體組分，見表 1 表1 氣體組分 組分 含量， % 組分 含量， %C e 2S O 2 5 63 4 51b. 氣體性質(zhì) 氣體溫度： 體密度： s c. 管道數(shù)據(jù) 表2 仿真模擬管道數(shù)據(jù)表 節(jié)點 管線名稱 規(guī)格長度 mm阻系數(shù) 1 富麗線 500 13 朝天區(qū)線 159 7 海景區(qū)線 273 8 經(jīng)龍線 426 9 延富線 426 9 容桂線 426 9 大洲線 426 9 渭東線 273 8 ：表中的摩阻系數(shù)為在現(xiàn)場測量壓力，流量參數(shù)后利用管道模型計算的數(shù)量 d. 管道系統(tǒng)邊界條件（ 2004年 4月生產(chǎn)數(shù)據(jù)）見表 3 表3 仿真模擬數(shù)據(jù)系統(tǒng)邊界條件表 節(jié)點 站名 壓力， 04子站 金山站 南雅站 云和站 馬家站 石河站 ：進氣為“+” ，出氣為“-” 3. 仿真模擬計算 穩(wěn)態(tài)模擬：通過仿真計算，各節(jié)點壓力與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合，見表 4 表4 仿真模擬計算壓力實測壓力對比表 壓力， 點 站名 計算結(jié)果 實測數(shù)據(jù) 誤差，% 1 馬家站 2 金山站 南雅站 云和站 亭子站 石河站 52從表 4可以看出，石河站實測壓力小于模擬計算值，原因可能有兩個： a. 石河站實測壓力有誤差： b. 經(jīng)龍線摩陽系數(shù)值過大 在計算中，摩阻系取某一時間的計算值，而在實際生產(chǎn)中，摩阻系數(shù)是隨生產(chǎn)狀況且不同而變化的，管線使用年限越長或管內(nèi)越臟，其摩阻系數(shù)越大，從而其管輸壓損也將越大。下面是在其它條件不變的情況下，改變其中一段的摩阻系數(shù)（云河經(jīng)龍線 南雅）由 計算的節(jié)點壓力與實測壓力對比見表 5 表5 穩(wěn)態(tài)模擬計算壓力實測壓力對比表 壓力， 點 站名 計算結(jié)果 實測數(shù)據(jù) 誤差， % 1 亭子站 2 金山站 南雅站 云和站 馬家站 石河站 表 5可看出，將容桂線的摩阻系數(shù)改大之后，模擬計算出的石河站壓力也變大，由此可見，若改變整個系數(shù)和摩阻系數(shù)，整個管網(wǎng)系數(shù)的節(jié)點壓力也將發(fā)生變化，這與理論和實際相吻合。 態(tài)仿真監(jiān)控應(yīng)用 前面的模擬計算僅為穩(wěn)態(tài)模擬，若要進行動態(tài)模擬，需加入另外時間層的參數(shù)進行模擬。下面是石河站延富線金山站進行動態(tài)模擬，模擬計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合良好，見表 7。一、產(chǎn)生誤差的原因： 產(chǎn)生誤差的原因很多，計算的本身有精度要求，會產(chǎn)生累積誤差，現(xiàn)場錄取的數(shù)據(jù)的人為誤差和表誤差；為了處理方便，將站現(xiàn)場看成一個無壓損的節(jié)點，而實際上每個站場都有壓損，如有計算時，金山站壓力取 實際進金山站的實際壓力為 外，在模擬計算時，摩阻系數(shù)取自現(xiàn)場儀器測量壓力、流量利用管道模型進行模擬計算的值，但在現(xiàn)場錄取資料時存在人為誤差和表誤差，同時管道內(nèi)的工況是隨時間變化的，即摩阻系數(shù)是隨時變化的，因而對計算結(jié)果存在較大影響。 53表7 動態(tài)模擬計算壓力實測壓力對比表 壓力， 點 站名 計算結(jié)果 實測數(shù)據(jù) 誤差， %1 石河站 金山站 、仿真模擬計算結(jié)果優(yōu)點： 利用輸管網(wǎng)仿真模擬，可在以下三方面得到很好應(yīng)用： 1. 進行管網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。 2. 確定優(yōu)化運行方案，為了完成一定的輸（配）氣生產(chǎn)任務(wù)，為了從多種方案中選擇一種較優(yōu)方案，就可以采用仿真模擬進行方案比較，從中選擇一種技術(shù)上可行，經(jīng)濟上又合理的優(yōu)化運行方案。 3. 分析管網(wǎng)系統(tǒng)事故工況， 泄漏和堵塞是天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中常見的兩種事故工況，當(dāng)事故工況出現(xiàn)后，流量和壓力沿著管線將發(fā)生變化，且與時間有關(guān)，是一個不穩(wěn)定的過程，經(jīng)過一定時間后管網(wǎng)系統(tǒng)將建立一個新的平衡， 利用仿真模擬即可確定管網(wǎng)系統(tǒng)是否堵塞或泄漏以及具體位置。 自 2004年 3月啟動該項目，運行人員每日均所得到順南天然氣輸配站與各分站點的工況運行情況，為天然氣輸配管網(wǎng)的安全調(diào)度提供了保障，系統(tǒng)的穩(wěn) /動態(tài)模擬計算能夠滿足用戶要求，運行穩(wěn)定，可靠。 結(jié) 本章針對在輸配管網(wǎng)線中的氣體力學(xué)計算問題，利用數(shù)值分析法中的雅可比矩陣和特征線法，建立了天然氣輸配管網(wǎng) 中穩(wěn)態(tài)/動態(tài)仿真模型，采用態(tài)軟件對輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)/動態(tài)進行仿真，實現(xiàn)了天然氣輸配管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化運行，使監(jiān)控系統(tǒng)的運行更加精確、可靠、功能更強。 54 55第五章 結(jié)論與展望 綜上所述，順南天然氣輸配站計算機控制系統(tǒng)屬于計算機，通信、傳感器等先進技術(shù)的綜合典型應(yīng)用。正是基于采用了世界上先進 能壓力傳感器，智能差壓傳感器 度測量和 24度的 A/D 轉(zhuǎn)換卡采集數(shù)據(jù)等技術(shù)的先進特性，結(jié)合計算機和 態(tài)軟件的信息處理，通過網(wǎng)絡(luò)通信可以方便處理各個計量站天然氣實時流量并上傳至管理計算機，同時對輸配氣管穩(wěn) /動態(tài)仿真，在生產(chǎn)過程中制定優(yōu)化運行方案，供調(diào)度在線運行決策，保證了天然氣計量的高可靠性、實時性和精確性，減少了許多人為因素對計量的影響，提高了生產(chǎn)管理、決策的效率。自投入運行半年來，在提高流量精度方面超出了預(yù)先的效果，令用戶滿意，極大地改變了原來落后狀況，其成功主要體現(xiàn)在以下幾方面： 1將國際標(biāo)準(zhǔn)天然氣壓縮因子算法運用天然氣計量，同時采用先進的含水補償，孔板流出系數(shù)補償?shù)燃夹g(shù)，其精度優(yōu)于 2 P 協(xié)議， 232 串行總線和 485 并行總線，這三種通訊方式的混合運用和采用 態(tài)軟件實現(xiàn)了所有輸配管網(wǎng)線內(nèi)天然氣參數(shù)和瞬時流量在線實時監(jiān)測。動態(tài)數(shù)據(jù)庫的實時性為安全生產(chǎn)提供了保障。 3報表管理系統(tǒng)方便地解決了過去對現(xiàn)場舊式記錄儀的定時數(shù)據(jù)抄寫、維護及繁鎖的數(shù)據(jù)處理，提高了企業(yè)辦公自動化能力和管理水平，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。 4建立了天然氣輸配管網(wǎng)中穩(wěn)態(tài) /動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，采用 態(tài)軟件對天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /