【畢業(yè)學(xué)位論文】順南天然氣輸配站計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)-控制工程

分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 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(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)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(hào) 密級(jí) 工程碩士學(xué)位論文 順南天然氣輸配站計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)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(qiáng) 論文答辯日期 答辯委員會(huì)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(kuò)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(yùn)行規(guī)律和分析處理、輸配管網(wǎng)的事故工況，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對(duì)天然氣進(jìn)行計(jì)量監(jiān)控都變得十分困難。因此迫切需要一種新型的、先進(jìn)的天然氣輸配站的計(jì)算機(jī)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(duì)計(jì)量點(diǎn)分散計(jì)量，集中查詢與管理的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸配情況的自動(dòng)檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控 ，完成了對(duì)天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /動(dòng)態(tài)仿真，達(dá)到天然氣輸配管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化運(yùn)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(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各計(jì)量點(diǎn)的信號(hào)采用 片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)測(cè)量信號(hào)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(yuǎn)程通訊設(shè)計(jì)，按照計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（ 6143的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的實(shí)時(shí)計(jì)量，流量累計(jì)和歷史參數(shù)的存儲(chǔ)與管理。 本文給出了順南天然氣輸配站計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件的總體結(jié)構(gòu)，據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)天然因子， 體積流量算法和補(bǔ)償技術(shù)用 態(tài)軟件對(duì)天然氣計(jì)量進(jìn)行腳本程序設(shè)計(jì)，對(duì)雙機(jī)熱備份檢測(cè)過程進(jìn)行軟件編制，對(duì)計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理，便于快速把握天然氣產(chǎn)、供、銷的運(yùn)行情況和分析決策。 最后，本文針對(duì)在輸配管網(wǎng)線中的氣體力學(xué)計(jì)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(dòng)態(tài)仿真模型，采用 態(tài)軟件對(duì)輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /動(dòng)態(tài)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了天然氣輸配管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行，使監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行更加精確、可靠、功能更強(qiáng)。 該監(jiān)控系統(tǒng)已投入運(yùn)行，經(jīng)局技術(shù)監(jiān)督處鑒定，天然氣計(jì)量精度高于國(guó)家規(guī)定的天然氣一級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，可靠性高，達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞： 監(jiān)控 流量補(bǔ)償 數(shù)據(jù)采集 穩(wěn)態(tài) /動(dòng)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?jī)?nèi)容的結(jié)構(gòu)安排. 5 第二章 順南天然氣輸配站計(jì)算機(jī)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(jì)量監(jiān)控硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu). 9 算機(jī)計(jì)量監(jiān)控工作站的設(shè)計(jì). 10 程通訊設(shè)計(jì). 14 結(jié). 17 第三章 順南天然氣輸配站計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件總體結(jié)構(gòu). 18 . 18 南天然氣輸配站的計(jì)量補(bǔ)償. 20 然氣體積流量計(jì)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(dòng)態(tài)仿真計(jì)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(xiàn). 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(jì)格局中占據(jù)著特別重要的地位。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推動(dòng)了世界能源市場(chǎng)的發(fā)展，但大氣環(huán)境質(zhì)量的嚴(yán)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(guó)天然氣工業(yè)的發(fā)展提供了極好的發(fā)展機(jī)遇。 天然氣是世界上公認(rèn)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(dá)國(guó)家的合成氨和甲醇幾乎全部是用天然氣生產(chǎn)，但在我國(guó)的利用率還很低。三是城市工業(yè)用氣：主要是小型燃?xì)鉄?、電、冷?lián)供（燃?xì)廨啓C(jī)，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(jì)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(jì)量環(huán)節(jié)的 實(shí)時(shí)監(jiān)控起著重要的作用，正確的選擇測(cè)量方法與合理設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)效益。 目前市場(chǎng)有各種各樣的流量計(jì)可用于測(cè)量天然氣的流量。不管采用哪種方式進(jìn)行天然氣體積流量計(jì)量，往往需要采用補(bǔ)償措施來提高測(cè)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(chǔ)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(chǔ)配站，調(diào)壓計(jì)量站等設(shè)施和運(yùn)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(kuò)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(yùn)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(jì)合理的優(yōu)化運(yùn)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(dòng)規(guī)律，找出氣體輸配管網(wǎng)中各個(gè)參數(shù)間的互相影響和流動(dòng)關(guān)系，保證輸配系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性，經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行天然氣輸配管網(wǎng)的供氣優(yōu)化調(diào)度， 對(duì)天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /動(dòng)態(tài)仿真也是不可缺少的組成部分。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外從二十世紀(jì) 70 年代起對(duì)流體輸配運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了廣泛的理論研究。80 年代后期，國(guó)外天然氣輸配普遍采用快裝氣輪機(jī)和離心壓縮機(jī)組實(shí)現(xiàn)無人值守，全自動(dòng)運(yùn)行管理，還具有壓力監(jiān)控，流量監(jiān)控和安全保護(hù)功能。計(jì)量 3裝置具有較高的計(jì)量精度，除常用的孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)外，正在研制超聲流量計(jì)。 進(jìn)入 90 年代隨著計(jì)算機(jī)硬件的廣闊發(fā)展， 國(guó)外對(duì)天然氣輸配管網(wǎng)中的運(yùn)行規(guī)律的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)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(jī)系統(tǒng)，并研制出天然氣輸配模擬及測(cè)量軟件包?？梢詫?duì)大型復(fù)雜的天然氣輸配管網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)、動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)時(shí)監(jiān)控。其代表有美國(guó)科學(xué)軟件公司（ 件和 件，但其價(jià)格昂貴，系統(tǒng)開放性差，生成的生產(chǎn)數(shù)據(jù)很難進(jìn)一步進(jìn)行二次開發(fā)，不符合中國(guó)人的習(xí)慣等一系列的問題。 我國(guó)五十年代出現(xiàn)了機(jī)械補(bǔ)償流量計(jì)，雙 波紋管差壓式計(jì)是較早使用的位移平衡式機(jī)械儀表，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，具有較成熟的生產(chǎn)工藝，目前仍在天然氣流量檢測(cè)中使用，由于該儀表是純機(jī)械儀表，精度低，使用一段時(shí)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(dòng)單元儀表，開始應(yīng)用 電動(dòng)單元組合儀表的變送器和運(yùn)算單元建立自動(dòng)補(bǔ)償系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)補(bǔ)償，檢測(cè)精度也有所提高。它通過變送器檢測(cè)出天然氣的靜壓，差壓和溫度等參數(shù)，無須人工計(jì)算，溫度、壓力和差壓在線檢測(cè)計(jì)算，自動(dòng)化程度提高，但它無法對(duì)天然氣組成成分極其摩爾分量不斷變化進(jìn)行參數(shù)修正的補(bǔ)償，使它的應(yīng)用受到限制。 從九十年代開始，由于計(jì)算機(jī)具有極強(qiáng)的存儲(chǔ)能力和極快速的運(yùn)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(duì)天然氣輸配管網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，報(bào)表打印和報(bào)警等功能，極大的減輕人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。特別是現(xiàn)在通過計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控天然氣輸配管網(wǎng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，同時(shí)使管理層據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行快速?zèng)Q策。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)天然氣在輸配管網(wǎng)內(nèi)的運(yùn)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(jìn)行修改時(shí)，可以通過計(jì)算機(jī)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(chǎng)儀表設(shè)備對(duì)天然氣的輸配管網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，利用人工經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門達(dá)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(cè)量精度低 天然氣的流量測(cè)量需要進(jìn)行溫度、壓力全參數(shù)補(bǔ)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(bǔ)償運(yùn)算，溫度則是由插入管線內(nèi)的玻璃管溫度計(jì)測(cè)量，每小時(shí)測(cè)量一次，再求當(dāng)天的平均值，測(cè)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(cè)量不準(zhǔn)、跳變，控制錯(cuò)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(duì)一些事故狀態(tài)沒有記錄，不能進(jìn)行歷史查詢；而且對(duì)于抄表工作，都要操作工跑去現(xiàn)場(chǎng)，耗費(fèi)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(jiǎn)單 順南天然氣輸配站的控制系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài) /動(dòng)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，使管理層難以確切調(diào)度各個(gè)用氣單位的用量，造成用氣單位有時(shí)不夠用，有時(shí)過于充足，不能合理地調(diào)配高峰時(shí)段與低谷時(shí)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(duì)一種新型，先進(jìn)的天然氣輸配站的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置。計(jì)算機(jī)和 態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)機(jī)接口和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，具有工藝流程圖，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示（流量、壓力、溫度和時(shí)間） ，歷史曲線圖、報(bào)警、報(bào)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(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送到采集板卡， 數(shù)據(jù)采集板卡和 態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、補(bǔ)償、存儲(chǔ)和通訊等功能，針對(duì)天然氣在輸配管網(wǎng)線中穩(wěn)態(tài) /動(dòng)態(tài)氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)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(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，采用 態(tài)軟件對(duì)天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /動(dòng)態(tài)進(jìn)行仿真， 達(dá)到天然氣在輸配管網(wǎng)調(diào)度中的優(yōu)化運(yùn)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(shí)際 情況開發(fā)了對(duì)計(jì)量點(diǎn)采用分散計(jì)量，集中查詢的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸配氣情況的自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)也可以在管理中心實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢測(cè)，該系統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)符合相關(guān)的石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ 6143的“計(jì)算機(jī)應(yīng)用一般原則”及“天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量方法”的數(shù)學(xué)模型，可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制現(xiàn)場(chǎng)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(jī)計(jì)量系統(tǒng)配置圖 要研究?jī)?nèi)容的結(jié)構(gòu)安排 （ 1） 本文在緒論中分析與比較國(guó)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(duì)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(jì)算機(jī)，采集板卡，智能變送器等部分組成的新型的，先進(jìn)的天研華 N 個(gè)） ，智能流量計(jì)和儀表 (壓力，差壓，溫度，流量 ) 的采集模塊 天然氣計(jì)算機(jī)計(jì)量系統(tǒng) 硬件環(huán)境：研華工控計(jì)算機(jī) 主頻 存 128M/硬盤 80G/驅(qū) 卡 /存存儲(chǔ)器 ; 軟件環(huán)境 : 文版 /態(tài)軟件無限點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)版 /順南天然氣輸配公司天然氣計(jì)量計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng) (B 傳輸方式： 傳輸距離： =小流量切除 取絕對(duì)溫度值，大氣壓值，二氧化碳值，氮?dú)庵?，相?duì)密度值； 用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或 準(zhǔn)計(jì)算壓縮因子； 計(jì)算直徑比； 查表計(jì)算粘度； 25查表計(jì)算甲烷的定壓比熱 計(jì)算可膨脹系數(shù)； 查表計(jì)算某溫度下的飽和水蒸氣壓力； 計(jì)算含水因子 排除文丘利管； 計(jì)算迭代常系數(shù) A； 迭代計(jì)算求 對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行孔板尖銳度系數(shù) 修正 對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行粗糙度系數(shù) 修正 計(jì)算出最終流量； 計(jì)算等熵指數(shù)、氣體粘度、壓縮因子、相對(duì)密度； F F 流量單位換算 (萬立方米 方米 ) 4：流量累計(jì)算法（參見 61434準(zhǔn)和原流量累計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件） ： A：讀取流量累計(jì)參數(shù)； B：流量累計(jì)參數(shù)和公式； Q = 流量； 累計(jì)流量； 累計(jì)周期； Q； C：流量累計(jì)流程： 時(shí)間計(jì)數(shù)值初始化 判斷流量時(shí)間單位 , 計(jì)算累計(jì)周期 計(jì)條件 = =小流量切除 計(jì)流量 =累計(jì)流量 + 累計(jì)周期 * 流量 F F 5：流量補(bǔ)償算法； （ 1）儀表維護(hù)的流量補(bǔ)償算法 A：正常計(jì)算，顯示，保存各檢測(cè)工況參數(shù)和瞬時(shí)流量； B：不計(jì)算累計(jì)氣量，顯示，保存累計(jì)氣量為特定值（ 0 或 ； C：維護(hù)后，第 X 加 1 周期對(duì)累計(jì)氣量一次補(bǔ)償； 26D：補(bǔ)償累計(jì)氣量 = （維護(hù)前 X 次瞬時(shí)流量值 +維護(hù)后 X 次瞬時(shí)流量值） / 2 * X * 儀表維護(hù)時(shí)間； （ 2）清洗孔板的流量補(bǔ)償算法 A：正常計(jì)算，顯示，保存各檢測(cè)工況參數(shù)和瞬時(shí)流量； B：不計(jì)算累計(jì)氣量，顯示，保存累計(jì)氣量為特定值（ 0 或 ； C：維護(hù)后，第 X 加 1 周期對(duì)累計(jì)氣量一次補(bǔ)償； D：補(bǔ)償累計(jì)氣量 = （清洗前 X 次瞬時(shí)流量值 +清洗后 X 次瞬時(shí)流量值） / 2 * X * 清洗時(shí)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(bǔ)償算法 A：補(bǔ)償累計(jì)氣量 = （關(guān)閉前 X 次瞬時(shí)流量值 +恢復(fù)后 X 次瞬時(shí)流量值） / 2 * X * 關(guān)閉時(shí)間； （ 4）系統(tǒng)時(shí)間校正的流量補(bǔ)償算法 A：補(bǔ)償累計(jì)氣量 = （校正前 X 次瞬時(shí)流量值 +校正后 X 次瞬時(shí)流量值） / 2 * X * （ +/； 注：以上時(shí)間應(yīng) M= ()22210 公式 (4當(dāng) K 有兩個(gè)實(shí)根，即存在兩個(gè)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?yàn)檫@四個(gè)系數(shù)行列是等價(jià)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(jiǎn)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(gè)常微分方程： 46()=+=04這樣我們將求解有兩個(gè)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(dòng)態(tài)仿真計(jì)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(gè)特征方向?yàn)椋?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(gè)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(jì)算機(jī)求解，還必須把式（ 4，式（ 4為有限差分方程。分別取時(shí)間步長(zhǎng)和管段步長(zhǎng)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(xiàng)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(shí)，可按其流態(tài)等分別選用上述相關(guān)公式，然后對(duì)每根管道獨(dú)立求解每一時(shí)刻各內(nèi)分點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)行，在進(jìn)行天然氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算時(shí)，還存在一 個(gè)合理選取其計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng) t 值的問題，即在滿足計(jì)算精度要求的前提下，采用合適的簡(jiǎn)化處理方法，使得 t 值盡可能大，并使其簡(jiǎn)化處理的誤差 盡可能小，同時(shí)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(dòng)態(tài)仿真監(jiān)控的應(yīng)用 天然氣輸配管網(wǎng)的運(yùn)輸管理與檢測(cè)控制是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jìn)行天然氣輸配網(wǎng)管仿真，實(shí)現(xiàn)以下功能： 1、天然氣管網(wǎng)調(diào)度方案分析及評(píng)價(jià)； 2、天然氣管網(wǎng)儲(chǔ)氣能力及調(diào)峰方案分析； 3、天然氣運(yùn)行狀態(tài)分析（是否有泄漏和需要清洗等） ； 4、天然氣運(yùn)行趨勢(shì)分析； 真監(jiān)控模擬總體結(jié)構(gòu) 為保護(hù)證實(shí)天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，最優(yōu)的方案，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段促進(jìn)天然氣產(chǎn)、供、銷的管理，應(yīng)用工控組態(tài)軟件 計(jì)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(diǎn)節(jié)點(diǎn)的壓力、流量分析計(jì)算 T=0 所有邊界點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的壓力、流量分析計(jì)算 TT 期 輸入管道步長(zhǎng)與時(shí)間步長(zhǎng) 顯示節(jié)點(diǎn)壓力流量隨時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng) 元 件 參 數(shù) 設(shè) 置 穩(wěn) 態(tài) 仿 真 動(dòng) 態(tài) 仿 真 報(bào) 表 生 成 圖 4然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)總體動(dòng)能圖 態(tài)仿真監(jiān)控應(yīng)用 根據(jù)實(shí)際的管理網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算管網(wǎng)中各個(gè)站點(diǎn)的進(jìn)出口壓力和各站點(diǎn)的分輸量，在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真之前，先要對(duì)管網(wǎng)中各個(gè)元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其穩(wěn)態(tài)仿真的計(jì)算實(shí)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(chǎng)壓損小，在繪制仿真圖時(shí)，把站場(chǎng)看成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即氣體在站場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn) 管線名稱 規(guī)格長(zhǎng)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(chǎng)測(cè)量壓力，流量參數(shù)后利用管道模型計(jì)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(diǎn) 站名 壓力， 04子站 金山站 南雅站 云和站 馬家站 石河站 ：進(jìn)氣為“+” ，出氣為“-” 3. 仿真模擬計(jì)算 穩(wěn)態(tài)模擬：通過仿真計(jì)算，各節(jié)點(diǎn)壓力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，見表 4 表4 仿真模擬計(jì)算壓力實(shí)測(cè)壓力對(duì)比表 壓力， 點(diǎn) 站名 計(jì)算結(jié)果 實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)壓力小于模擬計(jì)算值，原因可能有兩個(gè)： a. 石河站實(shí)測(cè)壓力有誤差： b. 經(jīng)龍線摩陽系數(shù)值過大 在計(jì)算中，摩阻系取某一時(shí)間的計(jì)算值，而在實(shí)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(zhǎng)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(jì)算的節(jié)點(diǎn)壓力與實(shí)測(cè)壓力對(duì)比見表 5 表5 穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算壓力實(shí)測(cè)壓力對(duì)比表 壓力， 點(diǎn) 站名 計(jì)算結(jié)果 實(shí)測(cè)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(jì)算出的石河站壓力也變大，由此可見，若改變整個(gè)系數(shù)和摩阻系數(shù)，整個(gè)管網(wǎng)系數(shù)的節(jié)點(diǎn)壓力也將發(fā)生變化，這與理論和實(shí)際相吻合。 態(tài)仿真監(jiān)控應(yīng)用 前面的模擬計(jì)算僅為穩(wěn)態(tài)模擬，若要進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，需加入另外時(shí)間層的參數(shù)進(jìn)行模擬。下面是石河站延富線金山站進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)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(jì)算的本身有精度要求，會(huì)產(chǎn)生累積誤差，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)看成一個(gè)無壓損的節(jié)點(diǎn)，而實(shí)際上每個(gè)站場(chǎng)都有壓損，如有計(jì)算時(shí)，金山站壓力取 實(shí)際進(jìn)金山站的實(shí)際壓力為 外，在模擬計(jì)算時(shí)，摩阻系數(shù)取自現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)量壓力、流量利用管道模型進(jìn)行模擬計(jì)算的值，但在現(xiàn)場(chǎng)錄取資料時(shí)存在人為誤差和表誤差，同時(shí)管道內(nèi)的工況是隨時(shí)間變化的，即摩阻系數(shù)是隨時(shí)變化的，因而對(duì)計(jì)算結(jié)果存在較大影響。 53表7 動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算壓力實(shí)測(cè)壓力對(duì)比表 壓力， 點(diǎn) 站名 計(jì)算結(jié)果 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 誤差， %1 石河站 金山站 、仿真模擬計(jì)算結(jié)果優(yōu)點(diǎn)： 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(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2. 確定優(yōu)化運(yùn)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(jìn)行方案比較，從中選擇一種技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上又合理的優(yōu)化運(yùn)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(shí)間有關(guān)，是一個(gè)不穩(wěn)定的過程，經(jīng)過一定時(shí)間后管網(wǎng)系統(tǒng)將建立一個(gè)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(dòng)該項(xiàng)目，運(yùn)行人員每日均所得到順南天然氣輸配站與各分站點(diǎn)的工況運(yùn)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(dòng)態(tài)模擬計(jì)算能夠滿足用戶要求，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠。 結(jié) 本章針對(duì)在輸配管網(wǎng)線中的氣體力學(xué)計(jì)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(dòng)態(tài)仿真模型，采用態(tài)軟件對(duì)輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了天然氣輸配管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行，使監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行更加精確、可靠、功能更強(qiáng)。 54 55第五章 結(jié)論與展望 綜上所述，順南天然氣輸配站計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)，通信、傳感器等先進(jìn)技術(shù)的綜合典型應(yīng)用。正是基于采用了世界上先進(jìn) 能壓力傳感器，智能差壓傳感器 度測(cè)量和 24度的 A/D 轉(zhuǎn)換卡采集數(shù)據(jù)等技術(shù)的先進(jìn)特性，結(jié)合計(jì)算機(jī)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(gè)計(jì)量站天然氣實(shí)時(shí)流量并上傳至管理計(jì)算機(jī)，同時(shí)對(duì)輸配氣管穩(wěn) /動(dòng)態(tài)仿真，在生產(chǎn)過程中制定優(yōu)化運(yùn)行方案，供調(diào)度在線運(yùn)行決策，保證了天然氣計(jì)量的高可靠性、實(shí)時(shí)性和精確性，減少了許多人為因素對(duì)計(jì)量的影響，提高了生產(chǎn)管理、決策的效率。自投入運(yùn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)天然氣壓縮因子算法運(yùn)用天然氣計(jì)量，同時(shí)采用先進(jìn)的含水補(bǔ)償，孔板流出系數(shù)補(bǔ)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(yùn)用和采用 態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了所有輸配管網(wǎng)線內(nèi)天然氣參數(shù)和瞬時(shí)流量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)性為安全生產(chǎn)提供了保障。 3報(bào)表管理系統(tǒng)方便地解決了過去對(duì)現(xiàn)場(chǎng)舊式記錄儀的定時(shí)數(shù)據(jù)抄寫、維護(hù)及繁鎖的數(shù)據(jù)處理，提高了企業(yè)辦公自動(dòng)化能力和管理水平，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 4建立了天然氣輸配管網(wǎng)中穩(wěn)態(tài) /動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，采用 態(tài)軟件對(duì)天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài) /