Numerical simulation of natural gas pipeline transients

Abstract

Simulations and analyses of natural gas pipeline transients provide insights into behavior of natural gas pipeline network and transmission pipelines during the action of various disturbances, as well as control and safety systems. The results of these simulations are a support to the design of safe, reliable and efficient natural gas systems operation. knowing all deviations of operational parameters from the prescribed values are very essential in order to control these parameter changes within acceptable spans that are determined by upper and lower setpoints, as well as to plan and schedule a maintenance with the aim of sustaining a gas supply to consumers in cases of various disturbances. Therefore, a numerical model and a computer code have been developed for the simulation and analyses of natural gas pipeline transients, as those that typically occur in high-pressure gas transmission pipelines. The developed model is based on the mass and momentum balance equations that describe one-dimensional, compressible, frictional natural gas transient flow, as well as on boundary conditions that enable simulation of gas flows in complex pipeline networks. The developed model is solved with the numerical procedures of the method of characteristics and implemented into the Gas Transient Analysis (GTA) computer code. The developed model and the GTA code are validated by simulations of several test cases which are available in open literature. The simulated transients are caused by variable gas consumptions from gas pipelines of different lengths and networks, as well as by a pressure pulse at the pipeline inlet. The comparison between the obtained numerical results and the previously measured or calculated data from the literature, shows a good agreement. Afterwards, the code is applied to the simulation and analyses of transients in a real natural gas transmission pipeline in Libya with the length of over 500 km. The simulated scenarios cover common operating conditions, as well as abrupt disturbances of the gas parameters at the inlet gas manifold in the gas source fields and trips of gas delivery to consumers, with the aim of getting insight into the supply capacity of the gas transmission pipeline under abnormal conditions. The comparison between results obtained with the GTA code and measured data for normal real conditions shows good agreement as well, while the calculated results for the abnormal conditions show a significant accumulation and inertia of the gas within the long distance transmission pipeline, which allow gas accumulation and consumers supply during a half-day time period. Since the GTA code results are obtained under isothermal gas transient conditions, an analytical method is derived for the evaluation of differences between isothermal and non-isothermal transient flow predictions of pressure and non-isothermal temperature change. It is shown that non-isothermal transient effects can be neglected in engineering predictions of natural gas packing and discharging transient in long distance transmission pipelines during hourly time periods.viii In addition, the prescribed isothermal temperature should be a few degrees К higher than the soil temperature as a result of the heat generation by friction on the pipelines wall and heat transfer from the gas to the surrounding soil. The GTA code simulations are robust and numerically stable, while the gas network and boundary conditions can be simply defined by specification of code input parameters.

Симулације и анализе прелазних процеса у гасоводима омогућавају увид у понашање гасних мрежа и магистралних гасовода током деловања различитих поремећаја, као и током деловања управљачких и сигурносних система. Резултати ових симулација су подршка пројектовању сигурног, поузданог и ефикасног погона система са природним гасом. Познавање свих одступања погонских параметара од прописаних вредности је веома битно за управљање и одржавање ових параметара у прописаним границама дефинисаним доњим и горњим граничним вредностима, као и за планирање и временско усклађивање одржавања са циљем обезбеђења снабдевања потрошача гасом током дејства различитих поремећаја. Узимајући у обзир значај ових резултата, развијени су нумерички модел и компјутерски програм за симулације и анализе прелазних процеса у гасоводима са природним гасом, као што су типични прелазни процеси у магистралним гасоводима на великим притисцима. Развијени модел је заснован на билансним једначинама масе и количине кретања које описују једнодимензијско, стишљиво, нестационарно струјање природног гаса са трењем, као и на граничним условима који омогућавају симулацију струјања у сложеним гасним мрежама. Развијени модел се решава нумеричким поступком методе карактеристика и примењен је у комјутерском програму за анализе прелазних процеса у гасоводима („Gas Transient Analysis – GTA“ програм). Развијени модел и GTA програм су валидирани симулацијама неколико тест примера који су расположиви у литератури. Симулирани прелазни услови су изазвани променљивом потрошњом гаса из гасовода са различитим мрежама и дужинама цевовода, као и импулсом притиска на улазу у гасовод. Поређење добијених нумеричких резултата са претходним измереним или срачунатим вредностима из литературе даје добро слагање. Након тога програм је примењен за симулације и анализе прелазних процеса у реалном магистралном гасоводу у Либији дужине преко 500 km. Симулирани сценарији обухватају уобичајене погонске услове, као и нагле поремећаје у извору напајања гасом и престанак испоруке потрошачима, са циљем одређивања капацитета испоруке и акумулације гаса у овим поремећеним условима. Поређење резултата добијених GTA програмом и измерених вредности током нормалних стварних услова погона показује добро слагање. Резултати добијени за поремећене услове рада показују значајну акумулациону способност магистралног гасовода велике дужине и инерцију масе гаса, што омогућава акумулацију гаса и снабдевање потрошача у периодима од око 12 часова. Пошто су резултати са GTA програмом добијени за изотермске услове, развијен је аналитички поступак за одређивање разлике у резултатима којиx се добијају изотермским и неизотермским моделом. Показује се да се неизотермски ефекти прелазних процеса могу занемарити током вишечасовних процеса акумулације и пражњења магистралних гасовода велике дужине. Такође, вредност изотермске температуре гаса треба да буде пар степени К виша од температуре околине услед генерације топлоте услед трења на зидовима гасовода и пролаза топлоте са гаса на околину. Програм GTA је поздан и нумерички стабилан, при чему се гасоводна мрежа и гранични услови једноставно задају преко улазних параметара.