大型天然氣管網(wǎng)仿真計算引擎的研究與實現(xiàn)

【摘要】：近10年來,我國天然氣工業(yè)進入快速發(fā)展期,管道仿真技術(shù)水平也迅速提高,國內(nèi)油氣儲運領(lǐng)域內(nèi)諸多學(xué)者對相關(guān)技術(shù)進行了深入研究并開發(fā)出了相應(yīng)的管道仿真計算軟件,這極大地促進了我國管道運營水平的提高。由于國內(nèi)天然氣管道工業(yè)起步晚、基礎(chǔ)研究薄弱等原因,國內(nèi)管道仿真技術(shù)與國際上先進國家還有很大的差距,國內(nèi)還沒有形成一款商業(yè)化天然氣管道仿真軟件產(chǎn)品。迄今為止,國內(nèi)大型油氣管道仿真計算與運行分析仍然依賴國外進口商業(yè)軟件(主要是SPS、TGNET等國際商業(yè)管道仿真軟件),而國外仿真軟件存在價格昂貴、技術(shù)壟斷、技術(shù)服務(wù)不到位、產(chǎn)品擴展難等不足,這在很大程度上限制了國內(nèi)管道公司的業(yè)務(wù)發(fā)展。因此開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的仿真軟件產(chǎn)品已經(jīng)勢在必行。這對于完全掌握管道仿真核心技術(shù),打破國外公司長期以來對國內(nèi)市場的壟斷,促進國內(nèi)管道仿真技術(shù)的進步具有十分重要的意義。 縱觀國外管道仿真技術(shù)的發(fā)展歷程,經(jīng)歷了從探索和嘗試階段、仿真計算軟件初步形成、軟件的初步工業(yè)應(yīng)用、軟件的產(chǎn)品化和商品化到以軟件產(chǎn)品為工具定制服務(wù)五個階段。而國內(nèi)由于現(xiàn)代天然氣管道工業(yè)起步晚等原因,國內(nèi)的管道仿真技術(shù)處于軟件的初步工業(yè)應(yīng)用階段,還沒有完成軟件的產(chǎn)品化與商業(yè)化。 本文以構(gòu)建大型商業(yè)化天然氣管網(wǎng)仿真計算引擎為目標(biāo),在總結(jié)分析國內(nèi)外管道仿真領(lǐng)域相關(guān)最新研究成果的基礎(chǔ)上,對所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。具體來講,本論文研究工作主要有如下幾個方面： (1)按照大型商業(yè)軟件產(chǎn)品的架構(gòu)體系,以面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則為出發(fā)點,綜合運用面向模式的架構(gòu)設(shè)計理念與現(xiàn)代架構(gòu)設(shè)計技術(shù)對天然氣管網(wǎng)仿真計算引擎進行了架構(gòu)設(shè)計。 (2)考慮任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的天然氣管網(wǎng),采用有向圖對管網(wǎng)進行邏輯表征,在此基礎(chǔ)上完成管網(wǎng)的拓?fù)渑判颉⒎种c及分支提取、邊界識別、模型的有效性驗證等預(yù)處理。 (3)討論了大型天然氣管網(wǎng)的數(shù)值系統(tǒng)的建立方法與步驟,給出了管段和非管元件的數(shù)值形式。 (4)深入研究了求解大型天然氣管網(wǎng)數(shù)值系統(tǒng)時涉及的關(guān)鍵技術(shù),闡述了蛙跳策略、迎風(fēng)策略的綜合應(yīng)用,以及初始狀態(tài)的建立過程。 (5)深入研究了壓縮機的動態(tài)仿真問題,靈活運用“延遲抖動”的策略,實現(xiàn)了氣體管網(wǎng)仿真中壓縮機的平穩(wěn)啟動和停機,并給出了壓縮機動態(tài)仿真的方法和步驟。 (6)引入正交測試技術(shù)對仿真引擎的最大處理能力進行了探索。 (7)以西氣東輸一線為例,進行了動態(tài)仿真模擬,分別在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和計算效率方面與SPS進行了對比分析。結(jié)果表明,該仿真計算引擎計算結(jié)果精度高、易用性強和效率高,具有很強的工程應(yīng)用價值。 【關(guān)鍵詞】：天然氣管網(wǎng) 仿真計算引擎 架構(gòu)設(shè)計 線性化 正交化測試
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TE832
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目錄7-11
• 第1章 緒論11-20
• 1.1 研究背景及意義11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-17
• 1.2.1 國外天然氣管道仿真技術(shù)發(fā)展概況13-15
• 1.2.2 國內(nèi)天然氣管道仿真技術(shù)發(fā)展概況15-17
• 1.3 論文的主要內(nèi)容與研究思路17-19
• 1.3.1 研究目標(biāo)17
• 1.3.2 研究內(nèi)容17-18
• 1.3.3 研究思路18-19
• 1.4 創(chuàng)新點19-20
• 第2章 仿真計算引擎的架構(gòu)設(shè)計20-37
• 2.1 概述20-22
• 2.1.1 架構(gòu)的定義20-21
• 2.1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究工作21-22
• 2.2 仿真計算引擎的架構(gòu)設(shè)計22-34
• 2.2.1 業(yè)務(wù)需求概述23-26
• 2.2.2 仿真計算引擎的非功能需求26-27
• 2.2.3 架構(gòu)設(shè)計策略27-28
• 2.2.4 架構(gòu)描述28-34
• 2.3 仿真計算引擎的架構(gòu)實現(xiàn)34-36
• 2.3.1 實現(xiàn)約束34-35
• 2.3.2 實現(xiàn)技術(shù)35-36
• 2.4 本章小結(jié)36-37
• 第3章 大型天然氣管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究37-51
• 3.1 概述37-39
• 3.1.1 大型天然氣管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)37-38
• 3.1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究工作38-39
• 3.2 管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計算機描述39-43
• 3.2.1 管網(wǎng)工藝流程的邏輯模型—有向圖39-41
• 3.2.2 管網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的持久化41-43
• 3.3 管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的算法設(shè)計43-45
• 3.3.1 拓?fù)渑判?/span>43-44
• 3.3.2 基本元件的識別44-45
• 3.3.3 分支點提取45
• 3.3.4 分支提取45
• 3.4 實例分析45-50
• 3.5 本章小結(jié)50-51
• 第4章 天然氣管網(wǎng)輸送工藝的數(shù)值系統(tǒng)研究51-70
• 4.1 概述51-52
• 4.1.1 非線性系統(tǒng)求解51
• 4.1.2 線性化處理方法國內(nèi)外相關(guān)研究51-52
• 4.2 天然氣管網(wǎng)仿真數(shù)值模型建立52-57
• 4.2.1 天然氣管網(wǎng)組成部分重排序處理53
• 4.2.2 計算節(jié)點序列生成53-54
• 4.2.3 節(jié)點控制方程54-57
• 4.2.4 方程組聯(lián)立57
• 4.3 管段和非管元件模型的線性化處理57-69
• 4.3.1 線性化處理一般原理57
• 4.3.2 管段控制方程線性化57-61
• 4.3.3 離心壓縮機模型線性化61-62
• 4.3.4 閥門(截斷閥、止回閥、調(diào)節(jié)閥)模型線性化62-66
• 4.3.5 外部邊界模型的數(shù)值處理66-67
• 4.3.6 分支點模型的數(shù)值處理67-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第5章 天然氣管網(wǎng)仿真數(shù)值系統(tǒng)求解技術(shù)研究70-83
• 5.1 概述70-72
• 5.1.1 天然氣管網(wǎng)仿真模型求解技術(shù)70
• 5.1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究70-72
• 5.2 管網(wǎng)仿真非線性數(shù)值模型的求解72-74
• 5.3 管網(wǎng)仿真線性數(shù)值模型的求解74-80
• 5.3.1 配置法簡介74-75
• 5.3.2 線性數(shù)值模型蛙跳的求解策略75-77
• 5.3.3 管網(wǎng)仿真初始狀態(tài)的建立77-78
• 5.3.4 熱力系統(tǒng)迎風(fēng)求解策略78-80
• 5.4 隱式差分法與線性化方法的對比分析80-82
• 5.5 本章小結(jié)82-83
• 第6章 壓縮機的動態(tài)仿真研究83-98
• 6.1 概述83-85
• 6.1.1 壓縮機動態(tài)仿真難點83
• 6.1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究83-85
• 6.2 壓縮機系統(tǒng)工藝圖及啟、停機描述85-86
• 6.2.1 壓縮機系統(tǒng)工藝圖85-86
• 6.2.2 壓縮機啟動過程描述86
• 6.2.3 壓縮機停機過程描述86
• 6.3 離心壓縮機特性曲線方程86-89
• 6.3.1 恒定轉(zhuǎn)速下離心式壓縮機的特性方程87
• 6.3.2 變轉(zhuǎn)速下離心式壓縮機的特性方程87-88
• 6.3.3 離心壓縮機的喘振和滯止現(xiàn)象88-89
• 6.4 啟停過程仿真實現(xiàn)89-91
• 6.4.1 壓縮機啟動過程仿真(STARTING)—設(shè)定轉(zhuǎn)速89-90
• 6.4.2 壓縮機停機過程仿真(STOPPING)90-91
• 6.5 仿真實例91-97
• 6.5.1 物理模型91-92
• 6.5.2 壓縮機性能曲線數(shù)據(jù)92-94
• 6.5.3 壓縮機啟動過程仿真94-96
• 6.5.4 壓縮機停機過程仿真96-97
• 6.6 本章小結(jié)97-98
• 第7章 仿真計算引擎的最大處理能力探求98-113
• 7.1 概述98-100
• 7.1.1 正交試驗設(shè)計簡介98
• 7.1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究工作98-100
• 7.2 仿真計算引擎的影響因素分析100-101
• 7.3 正交化測試設(shè)計101-111
• 7.3.1 確定因素和水平101-104
• 7.3.2 正交表的選擇104-108
• 7.3.3 正交測試的優(yōu)勢108-111
• 7.4 測試結(jié)果分析111-112
• 7.5 本章小結(jié)112-113
• 第8章 實現(xiàn)及應(yīng)用效果分析113-123
• 8.1 天然氣管網(wǎng)仿真軟件的實現(xiàn)113-117
• 8.2 應(yīng)用效果分析117-122
• 8.2.1 西氣東輸一線概述117-119
• 8.2.2 仿真結(jié)果對比分析119-122
• 8.3 本章小結(jié)122-123
• 第9章 研究展望123-125
• 9.1 結(jié)論123-124
• 9.2 建議124-125
• 致謝125-126
• 參考文獻126-132
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果132

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