王晓峰

摘  要：为了解天然气在管道中的运动规律，以长输管道流动系统作为研究对象，应用气体状态方程、流体力学连续性微分方程和运动微分方程建立数学模型，选取合适的初始条件和边界条件，采用中心隐式差分法进行数值计算，可得到天然气长输管道中各点每个时刻的流量和压力，进而了解天然气在管道中的运动规律。结果与文献数据对比，误差在5.3%以内。

关键词：天然气;长输管道;动态模拟;流量;压力

当前，我国经济社会发展与资源环境约束的矛盾日益突出，环境保护面临严峻的挑战。因此必须深入贯彻科学发展观，转变经济发展方式，大力解决危害人民群众健康和影响经济社会可持续发展的突出环境问题，努力建设环境友好型社会。天然气在城市燃料当中是洁净的燃料。根据天然气成分，它主要成分是甲烷，含其它有害物质较少。利用天然气替代煤、燃油，不仅可以提高热效率，而且可减少有害污染物的排放量，达到节能减排的目的。为保证天然气输配系统的平稳运行，需要了解天然气在管道中的运动规律，了解并掌握其状态参数，将有助于实际生产和科研。

一、天然气长输管道概述

随着我国天然气勘探开发力度的加大以及人民群众日益提高的物质和环境需要，近年来天然气长输管道的发展十分迅速。随着管道的不断延伸，管道企业所担负的社会责任、政治责任和经济责任也越来越大。

天然气长输管道市城市能源供应中的一个主要部分，也是城市基础设施之一。我国天然气长输管道一般从气田采气开始，至下游城镇民用、工业等用户止。由于采气生产的均衡性和用户用气的波动性，使得长输管线的运行长期处于上游（进口）压力相对稳定，而下游（出口）压力不断变化的矛盾中。为解决这种供气不稳定给下游天然气用户带来的问题，需要不断了解天然气在管道输送过程中运动规律，实现其供气、储气的平稳性

二、模型的建立

根据上述论述可知，天然气在管道中的流动是不稳定流动，这种流动可以看成一元流动。根据流体力学相关理论，一元流动的特点是流体的压力、密度、速度等状态参数仅是时间和管道长度的函数。

2.1基本方程

根据流体力学相关理论，描述气体一元流动的状态参数主要为：压力p、密度ρ和速度v。下面运用气体状态方程、流体力学连续性微分方程和运动微分方程三个方程联立对以上三个基本状态参数进行求解。

确定天然气在管道中流动的基本方程后，要想对每一点每一时刻的流动状态进行求解，还需要确定天然气流动的边界条件和初始条件。

对于天然气管道，其边界条件为：1）管道的起点压力常数或者为时间的函数，实际流动中管道的起点往往不是恒定的，而是时间的函数;2）管道末端的流量也是不固定的，随着下游用户的用气规律进行变化，因此也是时间的函数。

对于天然气管道，其初始条件需要有大量的实测数据或者预测数据作为支撑，从中得出初始条件的规律。在缺乏实测数据或者无预测数据的情况下，往往将稳态计算的结果作为天然气在管道中流动模型的初始条件。

当确定了模型的初始条件和边界条件以后，利用中心差分法代入以上公式，即可求得天然气管道在管道中流动的每一点各个时刻的运动情况，以及其状态参数，如压力、流量等。

三、结果验证

本文以文献[1]中所列数据作为边界条件和初始条件进行验证。采用本文叙述的中心差分法进行计算，其结果与文献中所述的结果相近，误差在±5.3%以内。因此，可认为本文中所述的计算方法是可靠的。

四、结论

本文针对天然气在管道中的流动系统作为研究对象，应用气体状态方程、流体力学连续性微分方程和运动微分方程三个方程建立研究模型，采用中心差分法进行简化计算，可得到天然气管道在管道中流动的每一点各个时刻的运动情况，以及其状态参数，如压力、流量等。并且最终经过验证，误差在±5.3%以内，计算结果可靠！

参考文献

[1]  李猷嘉.长输管道末段储气量的计算与分析[J].煤气与热力，2002，（1）：8-11.

[2]  李玉星，姚光镇.输气管道设计与管理（第二版）[M].東营：石油大学出版社，2012.

[3]  段常贵.燃气输配（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]  孙建国，王寿喜.气体管网的动态仿真[J].油气储运2001，（8）：18-21.