天然氣在長(zhǎng)輸管道中的流動(dòng)分析

王曉峰

摘 ?要：為了解天然氣在管道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以長(zhǎng)輸管道流動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，應(yīng)用氣體狀態(tài)方程、流體力學(xué)連續(xù)性微分方程和運(yùn)動(dòng)微分方程建立數(shù)學(xué)模型，選取合適的初始條件和邊界條件，采用中心隱式差分法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可得到天然氣長(zhǎng)輸管道中各點(diǎn)每個(gè)時(shí)刻的流量和壓力，進(jìn)而了解天然氣在管道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差在5.3%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：天然氣;長(zhǎng)輸管道;動(dòng)態(tài)模擬;流量;壓力

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與資源環(huán)境約束的矛盾日益突出，環(huán)境保護(hù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此必須深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，大力解決危害人民群眾健康和影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的突出環(huán)境問題，努力建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)。天然氣在城市燃料當(dāng)中是潔凈的燃料。根據(jù)天然氣成分，它主要成分是甲烷，含其它有害物質(zhì)較少。利用天然氣替代煤、燃油，不僅可以提高熱效率，而且可減少有害污染物的排放量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。為保證天然氣輸配系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，需要了解天然氣在管道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解并掌握其狀態(tài)參數(shù)，將有助于實(shí)際生產(chǎn)和科研。

一、天然氣長(zhǎng)輸管道概述

隨著我國(guó)天然氣勘探開發(fā)力度的加大以及人民群眾日益提高的物質(zhì)和環(huán)境需要，近年來天然氣長(zhǎng)輸管道的發(fā)展十分迅速。隨著管道的不斷延伸，管道企業(yè)所擔(dān)負(fù)的社會(huì)責(zé)任、政治責(zé)任和經(jīng)濟(jì)責(zé)任也越來越大。

天然氣長(zhǎng)輸管道市城市能源供應(yīng)中的一個(gè)主要部分，也是城市基礎(chǔ)設(shè)施之一。我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道一般從氣田采氣開始，至下游城鎮(zhèn)民用、工業(yè)等用戶止。由于采氣生產(chǎn)的均衡性和用戶用氣的波動(dòng)性，使得長(zhǎng)輸管線的運(yùn)行長(zhǎng)期處于上游（進(jìn)口）壓力相對(duì)穩(wěn)定，而下游（出口）壓力不斷變化的矛盾中。為解決這種供氣不穩(wěn)定給下游天然氣用戶帶來的問題，需要不斷了解天然氣在管道輸送過程中運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)其供氣、儲(chǔ)氣的平穩(wěn)性

二、模型的建立

根據(jù)上述論述可知，天然氣在管道中的流動(dòng)是不穩(wěn)定流動(dòng)，這種流動(dòng)可以看成一元流動(dòng)。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，一元流動(dòng)的特點(diǎn)是流體的壓力、密度、速度等狀態(tài)參數(shù)僅是時(shí)間和管道長(zhǎng)度的函數(shù)。

2.1基本方程

根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，描述氣體一元流動(dòng)的狀態(tài)參數(shù)主要為：壓力p、密度ρ和速度v。下面運(yùn)用氣體狀態(tài)方程、流體力學(xué)連續(xù)性微分方程和運(yùn)動(dòng)微分方程三個(gè)方程聯(lián)立對(duì)以上三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行求解。

確定天然氣在管道中流動(dòng)的基本方程后，要想對(duì)每一點(diǎn)每一時(shí)刻的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行求解，還需要確定天然氣流動(dòng)的邊界條件和初始條件。

對(duì)于天然氣管道，其邊界條件為：1）管道的起點(diǎn)壓力常數(shù)或者為時(shí)間的函數(shù)，實(shí)際流動(dòng)中管道的起點(diǎn)往往不是恒定的，而是時(shí)間的函數(shù);2）管道末端的流量也是不固定的，隨著下游用戶的用氣規(guī)律進(jìn)行變化，因此也是時(shí)間的函數(shù)。

對(duì)于天然氣管道，其初始條件需要有大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐，從中得出初始條件的規(guī)律。在缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者無預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，往往將穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果作為天然氣在管道中流動(dòng)模型的初始條件。

當(dāng)確定了模型的初始條件和邊界條件以后，利用中心差分法代入以上公式，即可求得天然氣管道在管道中流動(dòng)的每一點(diǎn)各個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況，以及其狀態(tài)參數(shù)，如壓力、流量等。

三、結(jié)果驗(yàn)證

本文以文獻(xiàn)[1]中所列數(shù)據(jù)作為邊界條件和初始條件進(jìn)行驗(yàn)證。采用本文敘述的中心差分法進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與文獻(xiàn)中所述的結(jié)果相近，誤差在±5.3%以內(nèi)。因此，可認(rèn)為本文中所述的計(jì)算方法是可靠的。

四、結(jié)論

本文針對(duì)天然氣在管道中的流動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，應(yīng)用氣體狀態(tài)方程、流體力學(xué)連續(xù)性微分方程和運(yùn)動(dòng)微分方程三個(gè)方程建立研究模型，采用中心差分法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，可得到天然氣管道在管道中流動(dòng)的每一點(diǎn)各個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況，以及其狀態(tài)參數(shù)，如壓力、流量等。并且最終經(jīng)過驗(yàn)證，誤差在±5.3%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果可靠！

參考文獻(xiàn)

[1] ?李猷嘉.長(zhǎng)輸管道末段儲(chǔ)氣量的計(jì)算與分析[J].煤氣與熱力，2002，（1）：8-11.

[2] ?李玉星，姚光鎮(zhèn).輸氣管道設(shè)計(jì)與管理（第二版）[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2012.

[3] ?段常貴.燃?xì)廨斉洌ǖ谒陌妫M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] ?孫建國(guó)，王壽喜.氣體管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)仿真[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)2001，（8）：18-21.