管道修复人的圈子

摘 要:对于大型天然气管网系统,完成一次运行优化问题的求解需要数十小时,并且压缩机功率的计算时间占 绝大部分。针对应用广泛但功率计算极其复杂的离心式压缩机,为提高计算效率、加快天然气管网运行优化问题 的求解速度,提出了 3 个新的压缩机功率拟合函数。以中国某天然气管网系统中配置的 3 种型号的压缩机为实验 对象,测试了 3 个新的压缩机功率拟合函数的数值效果。实验结果表明:对于 3 种不同型号的压缩机,3 个新的拟 合函数在精度上均有大幅度提高。此外,将 3 个新的拟合函数应用于一个虚拟的天然气管网系统进行运行优化问 题求解,并与压缩机功率的传统计算方法进行对比。实验结果表明:使用三个新的拟合函数计算压缩机功率在保 证求解精度的同时大大减少了求解时间。

近年来我国天然气需求量不断增长、管道业务迅速发展, 高效求解天然气管网运行优化问题越发重要。天然气管网运行优化问题通常以运行成本最低作为目标函数[1-2],压缩机能耗作为运行成本的重要组成部分在整个优化 过程中需要反复计算。对于一个大型天然气管网系统,完成一次运行优化问题的求解一般需要数十小时[3-4],而压缩 机能耗的计算量占绝大部分。因此,设法简化压缩机能耗计算、减少该环节的计算量对整个管网系统的运行优化 尤为重要。

天然气管网系统中常用的压缩机有往复式压缩机和离心式压缩机。往复式压缩机功率计算较为简单,计算量 小。离心式压缩机特性方程复杂,功率计算繁琐,但因其运行平稳、排量大、调节方便等优点而被广泛应用在天然 气管网系统中[5-6],故本文主要对离心式压缩机进行研究。在天然气管网运行优化问题求解过程中,需要根据压缩机 的入口气体流量、入口压力、出口压力及入口温度等变量计算压缩机功率。压缩机功率的传统计算方法需要利用压缩机特性方程、相关的气体热力学公式以及气体状态方程等,迭代求解压缩因子、压缩机转速等多个参数,计算 过程极其复杂,计算量大[7]。

为提高计算效率、加快求解速度, WU Suming 等人[8]提出了一种基于拟合函数的压缩机功率近似计算方法。其 思想是将压缩机功率与压缩机入口气体流量、入口气体压力和出口气体压力之间的关系拟合为一个显式函数,以 此代替压缩机功率的传统计算方法。但该拟合函数未考虑压缩机入口温度的变化,适应性较差。为增强压缩机功 率拟合函数的适应性,熊浩云等人[7]将压缩机入口温度作为自变量,对 WU Suming 等人的拟合函数加以改进,精度明 显提高,但对于实际应用仍需进一步提高精度。为满足实际应用需求,进一步提高拟合函数的精度,本文提出了 3 个 新的压缩机功率拟合函数。