燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真技術(shù)綜述

四川科宏石油天然氣工程有限公司 殷武松

吉林建筑工程學(xué)院 朱傳芝

哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院 王海超

仿真是利用模型復(fù)現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對系統(tǒng)模型的實驗來研究存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)，又稱模擬。當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時，仿真是一種特別有效的研究手段。仿真過程包括建立仿真模型和進(jìn)行仿真實驗兩個主要步驟。

隨著燃?xì)忾_發(fā)規(guī)模和使用規(guī)模的不斷擴大，燃?xì)夤艿老到y(tǒng)也日趨龐大和復(fù)雜，一方面使得人們更難了解和掌握管道系統(tǒng)的運行規(guī)律，分析和處理管道系統(tǒng)的事故工況，論證和提出合理的運行方案；另一方面，管道系統(tǒng)的運行狀況直接影響燃?xì)獾漠a(chǎn)、供、銷，因此人們對管道系統(tǒng)的運行和管理水平的要求越來越高。為了掌握燃?xì)庠诠艿纼?nèi)的運行規(guī)律，合理地確定管道系統(tǒng)的設(shè)計方案和改造方案，保證管道系統(tǒng)的優(yōu)化運行，提高管道系統(tǒng)的調(diào)度管理水平，解決管網(wǎng)流動的動態(tài)特性，對各種燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行不同形式的仿真是十分有意義的。

對燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行的仿真主要有靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真，所有的仿真都是建立在一些合理的假設(shè)前提下的。但從工程實際應(yīng)用出發(fā)，人們比較關(guān)心管網(wǎng)中各管路連接處的壓力及流量的瞬態(tài)特性、管路幾何特征、連接方式及始、終端阻抗對瞬態(tài)特性的影響，因為天然氣管道系統(tǒng)在運行過程中，由于供氣量和用氣量的變化、閥門的開關(guān)、壓縮機的啟停等，往往會使管網(wǎng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的運行狀態(tài)，加上目前管網(wǎng)運行中存在著區(qū)域供用氣不平衡、管網(wǎng)服役時間長、運行環(huán)境惡劣、管線破漏頻繁、事故隱患嚴(yán)重等問題。因此管道系統(tǒng)動態(tài)仿真是很有意義的，本文著重介紹燃?xì)夤芫W(wǎng)的動態(tài)仿真技術(shù)。

1 燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真技術(shù)

上世紀(jì) 70年代，我國才開始管網(wǎng)的靜態(tài)仿真研究工作，所謂“靜態(tài)仿真”是指系統(tǒng)狀態(tài)與時間無關(guān)的工況模擬。80年代開始進(jìn)行動態(tài)仿真的初步研究。由于我國燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真起步較晚，目前建模理論和求解方法主要借鑒國外的方法。

在靜態(tài)仿真方面，我國目前主要以非等溫為研究重點。在計算中，為了簡化常將氣體的流動按穩(wěn)定流動計算，即指管道內(nèi)流動狀態(tài)與時間無關(guān)。建立仿真模型時把描述靜態(tài)仿真的微分方程轉(zhuǎn)換成為在計算機上容易求解的模型，然后求得數(shù)值解。

動態(tài)仿真是指系統(tǒng)狀態(tài)與時間有關(guān)的非穩(wěn)態(tài)工況模擬。其方法可分為解析法和數(shù)值法，解析法是在一定簡化和假設(shè)下推導(dǎo)出一個統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其優(yōu)點是物理意義明確，計算簡單、無需解方程組，但由于過多的簡化和假設(shè)以及對管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格限制減少了它的應(yīng)用范圍和計算精度，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。數(shù)值法又分為變分法和有限差分法，變分法是從泛函理論出發(fā)的一種方法(它的代表為伽遼金法)，在計算精度和穩(wěn)定性上具有優(yōu)越性；有限差分法可分為直接差分法和特征線網(wǎng)格差分法。根據(jù)差分格式的不同，直接差分法又發(fā)展為顯式和隱式兩種方法，顯式法避免解大型方程組的麻煩，可在小型計算機上使用，但在其步長之間必須滿足一定關(guān)系，以保證計算穩(wěn)定；此外，顯式法忽略了慣性的影響，對較劇烈的瞬變流現(xiàn)象就不適用了。隱式法在計算步長方面提供了方便，使得能夠選取較大的時間步長，減少了計算次數(shù)和時間，但在計算的每一步均需聯(lián)立求解方程組，所以在進(jìn)行大型管網(wǎng)的動態(tài)仿真時，要求計算機有較大的存儲量和較高的計算速度。

特征線法利用原數(shù)學(xué)模型的特征，將偏微分方程化為沿特征線上的全微分問題，對方程未作簡化處理，隨著慣性因子的引人，特征線法對時間步長的限制也放寬，這樣就減少了計算的次數(shù)和時間。此外，特征線法是用網(wǎng)絡(luò)理論來研究流體管網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)特性的一個有效方法。該方法的實質(zhì)是基于描述流體管路瞬態(tài)特性的基本方程具有滿足一階雙曲型擬線性偏微分方程這一性質(zhì)，引入特征方向?qū)⑵⒎址匠虤w結(jié)為常微分方程的求解方法。將整個管網(wǎng)系統(tǒng)化分為各個元件，對每個元件畫特征線，前一個元件的輸出條件即是后一個元件的輸入條件。對于許多流體瞬變問題，當(dāng)瞬變壓力變化較快，以致來不及與外界進(jìn)行熱交換，可以認(rèn)為流體流動是絕熱的。管網(wǎng)規(guī)模越大，該方法計算速度上的優(yōu)越性也就越明顯。上述各種方法如圖1所示。

圖1 燃?xì)夤芫W(wǎng)動態(tài)仿真方法

仿真經(jīng)歷了由數(shù)字仿真到可視化仿真階段，而可視化仿真是數(shù)字模擬與科學(xué)計算可視化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。一般地講，可視化仿真包括兩方面的內(nèi)容：一是將仿真計算中產(chǎn)生的結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形和圖像形式；二是仿真交互界面可視化。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，可視化仿真實時性要求更加嚴(yán)格，要求不僅能夠?qū)崟r跟蹤顯示仿真計算結(jié)果，而且要求能夠?qū)Ψ抡孢^程進(jìn)行實時干預(yù)。當(dāng)前國內(nèi)可視化仿真技術(shù)研究及應(yīng)用的顯著特征是實時計算機圖形及圖像處理，國內(nèi)有很多人利用 GIS(Geographical Information System)進(jìn)行管網(wǎng)的可視化仿真研究。在我國，真正意義上的管網(wǎng)仿真可視化環(huán)境研制尚處于初期階段，還沒有一個非常實用的系統(tǒng)。因此開發(fā)管網(wǎng)可視化仿真軟件是值得的。

2 燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真研究中存在的主要問題

目前燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真研究中存在的問題主要有：

(1)在現(xiàn)有的仿真模型中，有一些模型為了化簡計算，忽視溫度變化，即不考慮能量方程。同時，目前進(jìn)行的所有非等溫問題研究中均視環(huán)境溫度恒定，然而對于大型復(fù)雜管網(wǎng)，環(huán)境溫度不斷變化，在我國還很少有動態(tài)仿真中考慮溫度變化的相關(guān)文獻(xiàn)，但已經(jīng)有人在進(jìn)行這方面的研究。

(2)在仿真中雖然考慮了摩擦系數(shù)及壓縮因子，但沒有考慮溫度的變化，也就忽略了管內(nèi)燃?xì)獾牧鲃幽Σ料禂?shù)及壓縮因子隨著燃?xì)鉁囟鹊淖兓l(fā)生的變化。

(3)在利用有限差分法求解數(shù)值模型時，并未修正其中采用的中性隱式差分模型，但是，只有在該求解模型中添加人工粘性系數(shù)，即耗散項才能保證解的穩(wěn)定性。

在燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真軟件的研究方面，我國自主開發(fā)的GASFLOW和EGPNS動態(tài)仿真軟件已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用，但這兩套軟件的建模思想均忽略了溫度的變化。可見其計算所得結(jié)果對于低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)是可以接受的，相對誤差較小，但對于長輸管線、復(fù)雜的燃?xì)夤芫W(wǎng)以及在燃?xì)夂铜h(huán)境溫差較大時計算所得結(jié)果將會與實際情況有較大的偏差。受到動態(tài)仿真研究水平的限制，我國目前在管道在線控制系統(tǒng)仿真方面的研究工作還很薄弱，這將是我國研究的一個重要方向。

3 總結(jié)

燃?xì)夤艿婪抡媸菍艿老到y(tǒng)的特性進(jìn)行描述的一種手段，它是通過計算機程序來完成的。它可自動地將系統(tǒng)的壓力、流量與管線各截而的流動特性、壓氣站特性、管道支線及城市配氣特性以及氣體的市場供應(yīng)情況聯(lián)系起來。在設(shè)計階段可以用做方案比較和優(yōu)化設(shè)計；在生產(chǎn)過程可以用來制定優(yōu)化運行方案，在不影響生產(chǎn)的條件下分析系統(tǒng)的工作狀況，預(yù)測和預(yù)報事故的發(fā)生，以提供調(diào)度在線運行決策，這對安全性要求特別嚴(yán)格的輸氣管來說，顯得格外迫切和重要。對燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的仿真主要有靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真兩種類型，但是從工程實際應(yīng)用出發(fā)，人們比較關(guān)心管網(wǎng)中的壓力及流量等的瞬態(tài)特性，因此對管道系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真是很有意義的。目前的動態(tài)仿真技術(shù)較多，國內(nèi)學(xué)者也已經(jīng)將很多方法進(jìn)行了改進(jìn)和應(yīng)用，但是仍然存在一些簡化計算不可忽略的問題，值得進(jìn)一步的深入研究，并與管線在線控制或可視化模塊結(jié)合，最終形成可靠的燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真軟件系統(tǒng)，這將是我國燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真的一個重要研究方向。