CN114963014A - 一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其涉及天然气阀门优化技术领域，旨在解决输气阀门开度控制作业中的阀门压力过大，引发管道、阀门寿命减缓的问题，其技术方案要点是其步骤如下：S1：获取稳定目标阀门压力；S2：获取限定最大峰值阀门压力；S3：设置算法优化阀门开度调节值；A1：建立气相流动模型；A2：通过气相流动模型求取的关键参数，建立气相压力波传递速度模型；A3：通过气相流动关键参数、气相压力波传递速度，建立阀门开度控制作业中的气相波动压力模型；A4：通过四步曲线法拟合函数，建立四步曲线法拟合阀门开度模型；S4：数据调控。达到了方便计算、方便调度和节能降耗的效果。

Description

一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法

技术领域

本发明涉及的天然气阀门优化技术领域，尤其是涉及一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法。

背景技术

输气管道指主要用于输送天然气，液化石油气，人工煤气的管道，在长距离运输中，输气管道专指输送天然气介质，在城镇中，输气管道指输送天然气，液化石油气，人工煤气等介质，输气阀门则是输气管道中不可缺少的重要零件。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：输气阀门开度控制主要依靠经验调节做法，或者在规定时间关阀，阀门开度调节无模型指导，不能完全满足输气管道阀门最大波动压力的处理和控制，且目前阀门的调节只注重输气标定压力值，没有考虑到阀门开度控制作业中的阀门压力过大问题，超调的阀门压力引起管道波动压力，从而引发管道、阀门寿命减缓，过多的波动压力，带来机组能耗的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现阀门控制作业中的最大波动压力预测、分析、控制，可以延长阀门、管道的使用寿命的优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其步骤如下：

S1：获取稳定目标阀门压力，气体流经阀门，在阀门开度控制作业中，阀门前端产生阀门波动压力，阀门波动压力稳定后产生稳定目标阀门压力；

S2：获取限定最大峰值阀门压力，在阀门控制作业中，气体会对阀门本体产生波动压力也会加载在阀门本体上，根据限定的管道阀门压力限定最大峰值阀门压力；

S3：设置算法优化阀门开度调节值，输入S1和S2中得到的原始数据，使用算法拟合阀门开度模型，优化出来阀门开度调节值，通过拟合阀门开度调节值，得到阀门开度调节曲线，算法过程如下：

A1：建立气相流动模型；

A2：通过气相流动模型求取的关键参数，建立气相压力波传递速度模型，压力波传递速度模型；

A3：通过气相流动关键参数、气相压力波传递速度，建立阀门开度控制作业中的气相波动压力模型，并通过气相波动压力模型，建立阀门的阻流系数模型；

A4：通过四步曲线法拟合函数，建立四步曲线法拟合阀门开度模型；

S4：数据调控，根据S3中获得的开度曲线对最大波动压力进行调节，用来降低波动压力对输气管道的影响。

进一步的，所述A1中的管道气相流动数学模型气体连续方程为：

其中：A为管道截面积；ρk为气中含有杂质/气相密度，φk为气中含有杂质/气体积分数，V_k为气中含有杂质/气相速度，k为气中含有杂质/气相，t为时间，s为管道长度；

气体动量守恒为：

其中：g为重力加速度，p_f为摩阻梯度；

将管道离散为N个网格，沿管道逐个网格求解，输气连续方程差分格式如下：

动量守恒方程差分格式如下：

这里：

其中：V_sm，V_so，V_sg分别为含有杂质相1，含有杂质相2及气体相对速度。

进一步的，所述A2中的管道气相波动压力模型的建立过程为：取一管道微元段为控制体，运动方程为：

其中：p为压力；g为重力加速度，s为沿管道长；θ为管道与水平面夹角；τo为输气气相对管道壁的摩擦应力，X为控制体湿周；

动量守恒方程可写为：

其中：ρ为输气相密度；A为管道有效截面积；v为管道中输气相流速，t为时间，压力波传递速度的计算可用下式计算：

其中：c为压力波传递速度。

进一步的，所述A3中气相波动压力反演阀门开度模型建立过程为：得到两特征线方程为：

dx/dt＝v±c(11)

沿特征线的正方向可以得到正向的差分方程：

c⁺:H_i+1＝H_i-B(Q_i+1-Q_i)-RQ_i|Q_i| (12)

沿特征线的反方向可以得到负向的差分方程：

c^-:H_i＝H_i+1-B(Q_i-Q_i+1)+RQ_i+1|Q_i+1| (13)

其中B为传递参数值c/(g·A)，R为传递参数值f·Δx/(2·g·D·A2)；Hi为水头压力；D为管径；f为摩阻系数；c+为沿v+c方向；c-为沿v-c方向。

进一步的，所述A3中阻流系数模型建立过程中为：考虑流量系数及开度系数，提出了气相波动压力反演阀门开度模型，其中，气相波动压力反演阀门开度流量模型：

气相波动压力反演阀门开度模型如下：

其中：为阀门流量；Tmax为阀门限制压力时间；Δt为阀门开度控制间隔，ζ为阀门流量系数，O为开度系数。

进一步的，所述A4中四步曲线法拟合阀门开度模型建立过程为：由于调节阀门过程是个连续曲线，根据气相波动压力反演阀门开度模型计算出来的阀门开度是散点，四步曲线表示为：

优化得到四步曲线法拟合阀门开度模型：

其中：a_j、b_j为四步线性方程组成的系数矩阵。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1、该优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，成本少，只需编制成程序，打包封装在站场的控制电脑中，可使输气管道管道阀门最大压力平稳，达到有数学模型的控制输气阀门开度，达到方便调度的效果；

2、该优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，可以减少输气作业中的波动压力，使得管道使用寿命延长，延长阀门使用寿命，有利于节能降本，减小波动压力，使得管道运行压力更平稳，机组有用功增大，可以节约机组能耗的浪费，达到了节能降耗的效果。

3、该优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，提出四步曲线法拟合函数，得到四步曲线法拟合阀门开度模型，基于此开度曲线控制最大波动压力，方便整体进行计算，达到了方便计算的效果。

附图说明

图1为本发明输气管道阀门调节示意图；

图2为本发明波动压力平稳目标压力控制流程示意图；

图3为本发明阻力系数曲线图；

图4为本发明关阀时间对管道波动压力影响曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1-图4，一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其特征在于：其步骤如下：

S1：获取稳定目标阀门压力，气体流经阀门，在阀门开度控制作业中，阀门前端产生阀门波动压力，阀门波动压力稳定后产生稳定目标阀门压力；

S2：获取限定最大峰值阀门压力，在阀门控制作业中，气体会对阀门本体产生波动压力也会加载在阀门本体上，根据限定的管道阀门压力限定最大峰值阀门压力；

S3：设置算法优化阀门开度调节值，输入S1和S2中得到的原始数据，使用算法拟合阀门开度模型，优化出来阀门开度调节值，通过拟合阀门开度调节值，得到阀门开度调节曲线，算法过程如下：

A1：建立气相流动模型，管道气相流动数学模型气体连续方程为：

其中：A为管道截面积；ρk为气中含有杂质/气相密度，φk为气中含有杂质/气体积分数，V_k为气中含有杂质/气相速度，k为气中含有杂质/气相，t为时间，s为管道长度；

气体动量守恒为：

其中：g为重力加速度，p_f为摩阻梯度；

将管道离散为N个网格，沿管道逐个网格求解，输气连续方程差分格式如下：

动量守恒方程差分格式如下：

这里：

其中：V_sm，V_so，V_sg分别为含有杂质相1，含有杂质相2及气体相对速度；

A2：通过气相流动模型求取的关键参数，建立气相压力波传递速度模型，压力波传递速度模型，管道气相波动压力模型的建立过程为：取一管道微元段为控制体，运动方程为：

其中：p为压力；g为重力加速度，s为沿管道长；θ为管道与水平面夹角；τo为输气气相对管道壁的摩擦应力，X为控制体湿周；

动量守恒方程可写为：

其中：ρ为输气相密度；A为管道有效截面积；v为管道中输气相流速，t为时间，压力波传递速度的计算可用下式计算：

其中：c为压力波传递速度；

A3：通过气相流动关键参数、气相压力波传递速度，建立阀门开度控制作业中的气相波动压力模型，并通过气相波动压力模型，建立阀门的阻流系数模型，气相波动压力反演阀门开度模型建立过程为：得到两特征线方程为：

dx/dt＝v±c(11)

沿特征线的正方向可以得到正向的差分方程：

c⁺:H_i+1＝H_i-B(Q_i+1-Q_i)-RQ_i|Q_i| (12)

沿特征线的反方向可以得到负向的差分方程：

c^-:H_i＝H_i+1-B(Q_i-Q_i+1)+RQ_i+1|Q_i+1| (13)

其中B为传递参数值c/(g·A)，R为传递参数值f·Δx/(2·g·D·A2)；Hi为水头压力；D为管径；f为摩阻系数；c+为沿v+c方向；c-为沿v-c方向；

阻流系数模型建立过程中为：考虑流量系数及开度系数，提出了气相波动压力反演阀门开度模型，其中，气相波动压力反演阀门开度流量模型：

气相波动压力反演阀门开度模型如下：

其中：为阀门流量；Tmax为阀门限制压力时间；Δt为阀门开度控制间隔，ζ为阀门流量系数，O为开度系数；

A4：通过四步曲线法拟合函数，建立四步曲线法拟合阀门开度模型，四步曲线法拟合阀门开度模型建立过程为：由于调节阀门过程是个连续曲线，根据气相波动压力反演阀门开度模型计算出来的阀门开度是散点，四步曲线表示为：

优化得到四步曲线法拟合阀门开度模型：

其中：a_j、b_j为四步线性方程组成的系数矩阵；

S4：数据调控，根据S3中获得的开度曲线对最大波动压力进行调节，用来降低波动压力对输气管道的影响。

工作原理：西气东输气体经阀门，在阀门开度控制作业中，管道产生阀门波动压力，阀门波动压力稳定后产生稳定目标阀门压力，在阀门控制作业中，气体会对阀门产生波动压力也会加载在阀门压力上，根据限定的管道阀门压力(限定最大峰值阀门压力)，优化出来阀门开度调节值，通过拟合阀门开度调节值，得到阀门开度调节曲线，提出四步曲线法拟合函数，得到四步曲线法拟合阀门开度模型，基于此开度曲线控制最大波动压力，考虑流量系数及开度系数，提出了气相波动压力阀门调节作业的开度模型，特别指的是阀门流量系数与开度系数关联模型，依靠四步线性组合建立关联模型，四步曲线法拟合阀门开度曲线。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其特征在于：其步骤如下：

S1：获取稳定目标阀门压力，气体流经阀门，在阀门开度控制作业中，阀门前端产生阀门波动压力，阀门波动压力稳定后产生稳定目标阀门压力；

S2：获取限定最大峰值阀门压力，在阀门控制作业中，气体会对阀门本体产生波动压力也会加载在阀门本体上，根据限定的管道阀门压力限定最大峰值阀门压力；

S3：设置算法优化阀门开度调节值，输入S1和S2中得到的原始数据，使用算法拟合阀门开度模型，优化出来阀门开度调节值，通过拟合阀门开度调节值，得到阀门开度调节曲线，算法过程如下：

A1：建立气相流动模型；

A2：通过气相流动模型求取的关键参数，建立气相压力波传递速度模型，压力波传递速度模型；

A3：通过气相流动关键参数、气相压力波传递速度，建立阀门开度控制作业中的气相波动压力模型，并通过气相波动压力模型，建立阀门的阻流系数模型；

A4：通过四步曲线法拟合函数，建立四步曲线法拟合阀门开度模型；

S4：数据调控，根据S3中获得的开度曲线对最大波动压力进行调节，用来降低波动压力对输气管道的影响。

2.根据权利要求1所述的一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其特征在于：所述A1中的管道气相流动数学模型气体连续方程为：

其中：A为管道截面积；ρk为气中含有杂质/气相密度，φk为气中含有杂质/气体积分数，V_k为气中含有杂质/气相速度，k为气中含有杂质/气相，t为时间，s为管道长度；

气体动量守恒为：

其中：g为重力加速度，p_f为摩阻梯度；

将管道离散为N个网格，沿管道逐个网格求解，输气连续方程差分格式如下：

动量守恒方程差分格式如下：

这里：

其中：V_sm，V_so，V_sg分别为含有杂质相1，含有杂质相2及气体相对速度。

3.根据权利要求1所述的一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其特征在于：所述A2中的管道气相波动压力模型的建立过程为：取一管道微元段为控制体，运动方程为：

其中：p为压力；g为重力加速度，s为沿管道长；θ为管道与水平面夹角；τo为输气气相对管道壁的摩擦应力，X为控制体湿周；

动量守恒方程可写为：

其中：ρ为输气相密度；A为管道有效截面积；v为管道中输气相流速，t为时间，压力波传递速度的计算可用下式计算：

其中：c为压力波传递速度。

4.根据权利要求1所述的一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其特征在于：所述A3中气相波动压力反演阀门开度模型建立过程为：得到两特征线方程为：

dx/dt＝v±c (11)

沿特征线的正方向可以得到正向的差分方程：

c⁺:H_i+1＝H_i-B(Q_i+1-Q_i)-RQ_i|Q_i| (12)

沿特征线的反方向可以得到负向的差分方程：

c^-:H_i＝H_i+1-B(Q_i-Q_i+1)+RQ_i+1|Q_i+1| (13)

其中B为传递参数值c/(g·A)，R为传递参数值f·Δx/(2·g·D·A2)；Hi为水头压力；D为管径；f为摩阻系数；c+为沿v+c方向；c-为沿v-c方向。

5.根据权利要求1所述的一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其特征在于：所述A3中阻流系数模型建立过程中为：考虑流量系数及开度系数，提出了气相波动压力反演阀门开度模型，其中，气相波动压力反演阀门开度流量模型：

气相波动压力反演阀门开度模型如下：

其中：为阀门流量；Tmax为阀门限制压力时间；Δt为阀门开度控制间隔，ζ为阀门流量系数，O为开度系数。

6.根据权利要求1所述的一种优化阀门开度降低波动压力的天然气输送减耗方法，其特征在于：所述A4中四步曲线法拟合阀门开度模型建立过程为：由于调节阀门过程是个连续曲线，根据气相波动压力反演阀门开度模型计算出来的阀门开度是散点，四步曲线表示为：

优化得到四步曲线法拟合阀门开度模型：

其中：a_j、b_j为四步线性方程组成的系数矩阵。

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