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城市天然气输配管网水力模拟研究与实践

作　者: 王兴畏
导　师: 彭世尼
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
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
分类号: TU996.7
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
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

城市天然气输配管网水力模拟研究与实践

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