1

Simone

1. SIECI PRZESYŁOWE Sieci przesyłowe służą do transportowania dużych ilości gazu pod wysokim ciśnieniem

(nawet do 8,4 MPa w gazociągu tranzytowym) na znaczne odległości. Podczas modelowania pracy sieci przesyłowych, których rozmiary, jak już wspomniano, są bardzo duże, a czasy prze-syłania gazu przez sieć mogą wynosić nawet kilka godzin, konieczne jest uwzględnienie zmian jakie zachodzą w procesie przesyłania (strumienie gazu, ustawienia elementów sterujących pracą układu itp.). Dlatego też zastosowanie obliczeń statycznych (strumienie gazu nie są funk-cją czasu) powoduje powstawanie błędów ilościowych.

W sieciach przesyłowych odbiorcy gazu są precyzyjnie zlokalizowani, gdyż są to stacje re-dukcyjne lub redukcyjno-pomiarowe. Z części tych stacji można uzyskać bardzo dokładne dane dotyczące chwilowych poborów gazu, z czasem próbkowania rzędu nawet kilku minut. Wykorzystywane do tego są najróżniejsze systemy telemetrii. Z części stacji możliwe jest uzy-skanie danych średnich odczytywanych na przykład co godzinę. Niestety z części stacji reduk-cyjnych nie wyposażonych w systemy telemetrii dane o przepływających strumieniach napływa-ją nawet w okresach tygodniowych [11].

1.1. SIMONE

1.1.1. Zastosowanie programu Zastosowanie programu

Oprogramowanie SIMONE (SIMulation and Optimization of NEtworks – symulacja i optymalizacja sieci) zostało stworzone przez dwie ściśle ze sobą współpracujące firmy:

• czeską SIMONE Research Group s.r.o. z Pragi odpowiedzialną za stworzenie jądra obliczeniowego systemu oraz podstawowego interfejsu wymiany danych, oraz

• niemiecką LIWACOM Informationstechnik GmbH z Essen, która opracowała apli-kacje pracujące w trybie on-line, zaawansowany interfejs wymiany danych oraz wersje dla innych platform systemowych.

Jest wszechstronnym i zaawansowanym narzędziem, przy pomocy którego możliwe jest symulowanie ustalonych i zmiennych w czasie przepływów gazu zarówno w wysokociśnienio-wych systemach przesyłowych gazu, jak i w sieciach niskiego ciśnienia.

SIMONE umożliwia obliczanie wszystkich dynamicznych i statycznych procesów zacho-dzących w systemach gazociągów, łącznie ze śledzeniem zmian parametrów gazu, a także wy-mianą ciepła pomiędzy przepływającym gazem a otoczeniem oraz badanie efektu Joule’a-Thomsona.

Simone

2

Dzięki znacznej szybkości przeprowadzania obliczeń oraz szerokich możliwości opro-gramowania SIMONE znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu gazowego po-cząwszy od badań na etapie projektowania systemu poprzez planowanie działań w trakcie prawidłowej pracy, przesyłanie gazu aż po symulacje szkoleniowe dyspozytorów systemu.

Możliwa jest praca zarówno w przypadku badania przepływu pojedynczego gazu, jak i dowolnych mieszanin gazowych. Program oblicza parametry fizyczne gazu mieszankowego w oparciu o znany skład procentowy. Użytkownik może również samodzielnie podać te parame-try, lub wprowadzać parametry nowych składników, których nieuwzględnionych przez produ-centa. Dzięki zastosowaniu modułu GPSS (Gas Pipeline System Simulator – symulator gazo-wego systemu rurowego) możliwe jest łatwe zintegrowanie programu z systemem SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition – System gromadzenia i kontrolowania danych).

Program SIMONE dostępny jest dla następujących platform sprzętowych: Microsoft WINDOWS 95/98/NT, Digital Unix oraz Open VMS.

Użytkownik może wybierać jednostki w jakich będą wstawiane wartości podczas definio-wania przebiegów symulacji. Pamiętanie o tym fakcie jest to o tyle istotne, że w czasie definio-wania scenariusza symulacji (planu sterowania) operujemy tylko samymi wartościami nie poda-jąc już jednostek. Możliwe jest co prawda ich predefiniowanie dla wybranego na przykład odbioru, ale fakt ten jest uwzględniany tylko i wyłącznie dla tego jednego elementu.

Podczas obliczeń wykonywanych przez program użytkownik może zdecydować jakie wzory powinny być stosowane. I tak, do obliczania współczynnika oporu hydraulicznego λ użytkownik może wybierać pomiędzy następującymi równaniami:

Nikuradse:

2

e

w 1,138kD

2log

1λ

+

=

Hofer’a:

2

w

e

3,71Dk

7Relog

Re4,5182log

1λ

+

=

PTM-1025: 0,2

w

e

D2k

Re1580,067λ

+=

Natomiast do obliczeń współczynnika ściśliwości z, wykorzystywane są dwie zaimplemen-towane zależności:

AGA (American Gas Association) – odpowiedni dla ciśnień do 70 bar:

TppT0,533

pp0,2571z

kr

kr

kr

−+=

Papay’a – zalecany dla ciśnień do 200 bar:

Obsługa programu

3

krkr 1,878Tkr

2,260Tkr e0,274pe3,52p1z −− +−=

Dodatkowo użytkownik może zdefiniować własne równanie do obliczania współczynnika ściśliwości w postaci zaimplementowanej przez producenta:

Tpcpbaz +⋅+=−

poprzez podanie wartości współczynników a, b oraz c.

1.1.2. Obsługa programu Obsługa programu

1.1.2.1. Główne okno programu Poruszanie się po programie SIMONE, podobnie jak we wszystkich programach pracują-

cych w środowisku WINDOWS możliwe jest przy wykorzystaniu myszy. Dodatkowo dostępna jest linia poleceń w której można bezpośrednio wpisywać komendy, które mają zostać wyko-nane. Dostępne menu programu jest bardzo zbliżone do menu systemu operacyjnego WINDOWS, ale za względu na specyfikę programu niektóre polecenia zostały zmienione, a część z nich została zupełnie pominięta.

Rys. 1.1.1. Ogólny widok głównego okna programu.

Simone

4

Podobnie jak w przypadku wszystkich programów pracujących w systemie WINDOWS po uruchomieniu SIMONE automatycznie otwierana jest sieć domyślną (nazwa stosowana w programie – DUMMY). Spowodowane to jest koniecznością uaktywnienia wszystkich opcji programu niezbędnych do przeprowadzania obliczeń, już podczas jego uruchamiania. Od-mienny jest natomiast sposób tworzenia nowej sieci. W programie nie ma polecenia otwierają-cego nową sieć, lecz należy ją stworzyć poprzez kopiowanie sieci domyślnej pod nową nazwą. Dodatkową różnicą jest niestandardowy sposób zamykania programu. Nie jest możliwe za-mknięcie okna przez naciśnięcie ikony krzyżyka w prawym górnym rogu ekranu. Wyjście z programu możliwe jest tylko poprzez polecenie Zamknij znajdujące się w menu Sieć.

Wszystkie pliki sieci utworzonych w programie SIMONE zapisywane są w oddzielnych podkatalogach o nazwie takiej jak nadana przez użytkownika nazwa sieci.

Ekran programu SIMONE podzielony jest na cztery główne obszary, widoczne na rysun-ku 1.1.1., począwszy od góry ekranu są to kolejno:

• menu główne – znajdujące się najwyżej, polecenia wybierane są z klawiatury lub przy użyciu myszy umożliwiają pracę z programem,

• nagłówek – poniżej menu głównego, który patrząc od lewej strony zawiera informa-cje dotyczące aktualnie wyświetlanego okna, otwartej i wstawionej symulacji, czasu rozpoczęcia i zakończenia symulacji, serii czasowych, daty symulacji oraz nazwy otwartej sieci. Podział na otwartą i wstawioną symulację spowodowany jest faktem, że przebieg pierwszej z nich można edytować i wykonywać, natomiast druga symula-cja wstawiona jest tylko dla celów porównawczych,

• okno sieci – zajmuje centralną cześć ekranu, i w zależności od wyboru dokonanego przez użytkownika, wyświetlony jest w nim schemat badanej sieci, lub zestaw wykre-sów z wartościami obliczonymi przez program. Umożliwia przeglądanie szczegóło-wych danych oraz obliczonych parametrów dla poszczególnych elementów sieci. Podglądanie wyników symulacji możliwe jest w małym okienku otwieranym na tle schematu sieci lub we wcześniej zdefiniowanym całoekranowym zestawie wykresów (odmiennych w zależności od wybranego elementu). W dolnej części okna sieci znaj-duje się menu pomocnicze, zależne od wyświetlanego okna. Menu to może być mo-dyfikowane przez użytkownika oddzielnie dla każdego wyświetlanego okna,

• linię poleceń – znajdującą się na dole ekranu, gdzie oprócz pola umożliwiającego bezpośrednie wpisywanie poleceń, które mają zostać wykonane wyświetlana jest na-zwa aktualnie otwartej sieci.

1.1.2.2. Edytor topologii sieci. Przed rozpoczęciem pracy nad nową siecią należy pamiętać o konieczności skopiowania

sieci domyślnej, automatycznie otwieranej podczas uruchamiania programu, pod nazwą jaką chcemy wykorzystywać podczas dalszej pracy. Dokonujemy tego poprzez wybranie polecenia Kopiuj z menu Sieć.

Wprowadzanie schematu nowej lub nanoszenie poprawek w istniejącej sieci odbywa się w edytorze topologii sieci, który uruchamiany jest poleceniem Topologia z menu Sieć. Ogólny wi-dok okna programu został przedstawiony na rysunku 1.1.2.

Obsługa programu

5

Rys. 1.1.2. Ogólny widok okna edytora topologii sieci.

W oknie tym, począwszy od góry ekranu, można wyróżnić następujące części: • nagłówek okna – zawiera informacje o wprowadzanej sieci: nazwę, typ sieci (aktyw-

na/nieaktywna). Przeprowadzanie obliczeń symulacyjnych możliwe jest tylko na sie-ciach aktywnych,

• menu edytora topologii – znajduje się w górnej części okna edytora i służy do defi-niowania parametrów sieci, parametrów domyślnych poszczególnych elementów, oraz parametrów wyświetlania. Możliwe jest również określenie parametrów począt-kowych obliczeń, a także określenie składu gazu, parametrów poszczególnych skład-ników, czy mieszaniny gazowej,

• menu nawigacyjne – znajdujące się poniżej paska menu wykorzystywane jest pod-czas poruszania się po edytowanej sieci,

• okno podglądu sieci – zajmuje centralne miejsce w edytorze. Na jego obszarze do-konuje się wszelkich operacji związanych ze wstawianiem nowych, przesuwaniem, edycją czy kasowaniem istniejących elementów sieci,

• menu wstawiania elementów – znajduje się w dolnej części ekranu i składa się z ośmiu przycisków, które reprezentują poszczególne elementy wchodzące w skład sie-ci gazowej:

Simone

6

a) rura – umożliwia wstawienie odcinka rurociągu ze stałymi parametrami średnicy i chropowatości bezwzględnej. Długość jednego odcinka nie może być większa niż 100 km,

b) zawór – element o zerowej długości, który podczas obliczeń przyjmuje dwie po-zycje skrajne – całkowicie otwarty lub zamknięty,

c) stacja sprężająca – uproszczone przedstawienie zespołu sprężającego gaz, składa-jącego się ze sprężarki, jej napędu i chłodnicy gazu. Szczegółowego opisu po-szczególnych stacji sprężających dokonuje się w osobnym pliku z wykorzysta-niem dodatkowych opcji programu,

d) zawór regulacyjny – element regulujący parametry przepływu poprzez zdefinio-wanie określonej wartości (np. ciśnienia wejściowego, ciśnienia wyjściowego, na-tężenia przepływu, stopnia sprężania itp.),

e) oporność – element wykorzystywany do przedstawienia lokalnego oporu prze-pływu przez na przykład częściowo zamknięty zawór, czy ciąg redukcyjno-pomiarowy,

f) zbiornik gazu – reprezentuje zbiornik o stałej (niezerowej) objętości, przy zało-żeniu, że ma on zerową długość,

g) połączenie – umożliwia nadanie jednemu węzłowi dwóch różnych nazw, h) rura wirtualna – wykorzystywana jest do połączenia dwóch lub więcej rur w jed-

nym węźle. Jest to tylko i wyłącznie reprezentacja graficzna, która nie ma żadne-go wpływu na obliczenia umożliwia natomiast przejrzyste przedstawienie skom-plikowanego fragmentu sieci.

• okno właściwości elementów – znajduje się na prawo od okna podglądu siec, w którym dokonuje się modyfikowania charakterystycznych parametrów dla edytowa-nych elementów sieci, na przykład takich jak: nazwa, przynależność do podsieci, dłu-gość, średnica, chropowatość, ciśnienia graniczne, charakterystyczne spadki ciśnień, opis oraz jego położenie względem elementu.

Na rysunku 1.1.3. przedstawiono okno dialogowe, w którym definiuje się parametry po-szczególnych składników gazu. Możliwe jest korygowanie wprowadzonych wartości, a także podawanie parametrów własnych składników nieuwzględnionych w tabeli oraz wybór jedno-stek. Zdefiniowane składniki gazu wykorzystywane są tylko w tej sieci, dla której zostały okre-ślone. Otwarcie tego okna możliwe jest przez wybranie polecenia Składniki gazu z menu Para-metry gazu.

Wykorzystując wprowadzone wartości poszczególnych składników gazu program SIMONE oblicza parametry charakterystyczne, które są wykorzystywane w późniejszych obli-czeniach strumieni przepływu, czy wartości ciśnień. Zamiast wartości obliczonych możliwe jest podanie własnych wartości charakterystycznych, które program będzie wykorzystywał w dal-szych obliczeniach. Widok okna dialogowego, w którym definiuje się skład gazu dla poszcze-gólnych punktów zasilających sieć przedstawiony jest na rysunku 1.1.4. (Polecenie Analiza gazu z menu Parametry gazu).

Po lewej stronie okna dialogowego wyświetlone są wszystkie zdefiniowane w edytowanej sieci węzły zasilające.

Obsługa programu

7

Rys. 1.1.3. Okno definiowania parametrów składników gazu w edytorze topologii.

Rys. 1.1.4. Okno definiowania składu gazu dla węzłów zasilających w edytorze topologii.

Simone

8

Natomiast na rysunku 1.1.5. przedstawiono okno dialogowe, otwierane poleceniem Warto-ści defaultowe z menu Parametry gazu, które umożliwia definiowanie jednostek charakteryzujących parametry gazu takie jak ciśnienie panujące w układzie, strumień przepływającego gazu czy wartość opałowa. Dodatkowo podaje się wartości ciśnienia i temperatury stanu początkowego od którego program rozpoczyna obliczenia. W dolnej części wyświetlone są parametry charak-terystyczne gazów we wszystkich punkach zasilających sieć. Wyświetlane parametry to: gęstość względna, ciepło spalania, temperatura i ciśnienie krytyczne oraz procentowa zawartość meta-nu.

Rys. 1.1.5. Okno definiowania parametrów gazu w edytorze topologii sieci.

1.1.2.3. Definiowanie przebiegu symulacji Po stworzeniu schematu sieci, którą chcemy badać należy dokonać jej aktywacji poprzez

wybór polecenia Aktywowanie zmian z menu Sieć. Związane to jest z faktem, że tworzenie sche-matu sieci odbywa się w zewnętrznym programie, który jest tylko uruchamiany z programu SIMONE, i konieczne jest zaktualizowanie wszystkich danych opisujących sieć. Aktywacja sieci wymagana jest po każdym zamknięciu Edytora Topologii, jeżeli dokonywane były jakiekolwiek zmiany w schemacie sieci, czy po wprowadzeniu zmian w plikach definiujących podzespoły lub konfigurację stacji sprężarkowych.

Dla jednego schematu sieci możliwe jest zdefiniowanie kilku wariantów przebiegów sy-mulacji, które następnie można przeglądać lub porównywać między sobą.

Definiowanie przebiegu symulacji rozpoczyna się poprzez wybór polecenia Definiowanie... z menu Symulacja. Definicja przebiegu symulacji składa się z pięciu części, a widok okna dialo-

Obsługa programu

9

gowego przedstawiony jest na rysunku 1.1.6. W celu zdefiniowania nowego przebiegu symula-cji należy podać:

• nazwę – maksymalnie 8 znaków, • typ symulacji (statyczna, dynamiczna), • wartości krańcowe (graniczne) – plik o nazwie BCNUL zawiera standardowe usta-

wienia tych parametrów. Możliwe jest stworzenie nowego pliku zawierającego po-trzebne dane,

• stan początkowy – automatycznie przez program SIMONE tworzony jest stan INIT. Podczas definiowania kolejnych obliczeń jako stan początkowy można również za-stosować wartości końcowe innej przeprowadzonej wcześniej symulacji,

• godzinę rozpoczęcia i zakończenia symulacji w następującym formacie: {d\}hh {d\}hh:mm gdzie: d – względny numer dnia (0=dzisiaj, 1=jutro itd.), hh – godziny (00 ... 24), mm – minuty (00 ... 60).

Dodatkowo można podać ograniczenia, jakie program powinien uwzględnić podczas przeprowadzania obliczeń. Ograniczenia te definiuje się w osobnym pliku, a następnie wstawia w polu tekstowym Limity. Widoczna w dolnej części okna linia komentarza umożliwia wpro-wadzenie dodatkowych informacji o zdefiniowanej symulacji, które mogą być wykorzystane do szybkiej identyfikacji wariantu obliczeń.

Rys. 1.1.6. Okno dialogowe definiowania przebiegu symulacji.

Wprowadzanie zmian do istniejącego pliku wartości krańcowych możliwe jest przez naci-śnięcie klawisza Edycja. W pliku tym definiuje się datę oraz czas wprowadzania wartości, jed-nostki domyślne dla symulacji, czas próbkowania oraz liczbę próbek. Dodatkowe możliwe jest zdefiniowanie dziewięciu zmiennych w czasie profili zasilania i odbioru, które przypisuje się do odpowiednich węzłów istniejących w sieci. Struktura pliku przedstawiona jest na rysunku 1.1.7., gdzie zdefiniowane są trzy profile przypisane do odpowiednich węzłów z mnożnikiem,

Simone

10

który determinuje rzeczywiste wartości strumienia gazu. Jeżeli nie decydujemy się na tworzenie profili w pliku wartości brzegowych konieczne jest podanie wartości strumieni gazu na po-szczególnych odbiorach w planie sterowania symulacji.

Rys. 1.1.7. Struktura pliku wartości krańcowych.

Po zdefiniowaniu przebiegu symulacji należy sporządzić plan sterowania (polecenie Plan kontrolny z menu Symulacja), w którym opisane są wszelkie parametry ustawień armatury, warto-ści ciśnień, strumieni gazu na zasilaniu czy odbiorze, oraz parametry otoczenia. Wygląd przy-kładowego, bardzo prostego planu sterowania, przedstawiono na rysunku 1.1.12., gdzie zdefi-niowano w węźle PI_002 wartość strumienia gazu oraz w węźle ZASILANIE wartości: ciśnie-nia i strumienia gazu.

Rys. 1.1.12. Widok przykładowego planu sterowania symulacji.

Obsługa programu

11

Po spełnieniu tych wymagań można przystąpić do wykonania obliczeń badanej sieci po-przez wybranie polecenia Wykonaj... z menu Symulacja. Wyniki obliczeń można przeglądać w dwóch formach: tabelarycznej oraz w postaci wykresów. Sposoby te omówiono dokładniej w dalszej części niniejszego rozdziału.

1.1.2.4. Stacje sprężania gazu Program SIMONE umożliwia symulację pracy stacji sprężania gazu. W zależności od po-

trzeb może to być: • modelowanie uproszczone – wykorzystywane podczas prac projektowych układu

sieci, gdzie dostępne są dwa tryby pracy: a) FREE – w którym stacja sprężania gazu traktowana jest jako układ pracujący

praktycznie bez żadnych ograniczeń, b) GENERIC – gdzie zachowanie się stacji sprężania ograniczone jest przez krzywe

na charakterystyce (minimum i maksimum przepływu, moc maksymalna czy przez stałą sprawność),

• dokładne modelowanie z uwzględnieniem rzeczywistych parametrów zastosowanych podzespołów, które wykorzystywane jest głównie podczas prac nad rzeczywistymi sieciami oraz podczas współpracy z systemami kontrolnymi i danymi dostarczanymi w trybie on-line. W tym trybie pracy możliwa jest do osiągnięcia bardzo wysoka do-kładność obliczeń.

Podczas dokładnego definiowania stacja sprężania gazu może składać się z różnych pod-zespołów: turbosprężarki, sprężarki tłokowej, napędu gazowego turbiny, napędu gazowego bądź elektrycznego sprężarki tłokowej i chłodnicy gazu, które to elementy mogą być zestawio-ne w dowolnej liczbie i dowolnej konfiguracji.

Dokładne definiowanie stacji sprężania gazu przeprowadza się w dwóch plikach. W jed-nym z nich podaje się charakterystyki poszczególnych podzespołów wchodzących w skład stacji sprężania (polecenie Wyposażenie Stacji Spręż w menu Sieć), natomiast drugi plik zawiera szczegółową konfigurację stacji sprężających gaz modelowanych w badanej sieci (polecenie Konfiguracja Stacji Spręż w menu Sieć).

Na rysunku 1.1.9. przedstawiono zawartość pliku definiującego podzespoły stacji spręża-nia gazu. Widoczne są opisy sprężarek: odśrodkowej oraz tłokowej a także charakterystyka krzywej zużycia gazu dla turbosprężarki.

Natomiast na rysunku 1.1.10. przedstawiony jest plik w którym zawarta jest definicja kon-kretnej stacji sprężania gazu, która może pracować w czterech różnych konfiguracjach. W przedstawionym pliku zdefiniowane są: rodzaj sprężarki, rodzaj napędu, rodzaj konfiguracji, jej nazwa, nominalna prędkość obrotowa, węzeł zasilający stację sprężarkową oraz tryb pracy poszczególnych maszyn. W naszym przypadku wszystkie konfiguracje odpowiadają różnym trybom pracy równolegle połączonych sprężarek.

Po wprowadzeniu danych dla poszczególnych podzespołów należy sprawdzić popraw-ność charakterystyk przy pomocy polecenia Sprawdzanie Wyposażenia w menu Opcje. W oknie dialogowym pojawia się charakterystyka wybranego przez nas urządzenia, którą można porów-nać z charakterystyką rzeczywistą.

Simone

12

Rys. 1.1.9. Plik z danymi definiującymi podzespoły wchodzące w skład stacji sprężania gazu.

Rys. 1.1.10. Definicja konfiguracji stacji sprężania gazu.

Obsługa programu

13

Na kolejnym rysunku (1.1.11.) pokazane są wykresy charakteryzujące pracę sprężarki gazu podczas wykonywania obliczeń, gdzie można sprawdzić tryb pracy stacji sprężania gazu, punkt pracy konkretnej sprężarki na jej charakterystyce, przepływ itp.

Rys.1.1.11. Przykładowy zestaw wykresów opisujących parametry pracy sprężarki.

Ze względu na trudności z wprowadzeniem rzeczywistych charakterystyk, bardzo wygod-nym narzędziem, zwłaszcza w początkowym etapie pracy nad siecią, są wspomniane na wstęp-nie uproszczone tryby symulacji pracy stacji sprężania gazu.

1.1.2.5. Graficzne przedstawienie wyników Po wykonaniu przebiegu symulacji możliwe jest przeglądanie jej wyników na ekranie. W

programie zostały stworzone gotowe szablony ekranów służące do wyświetlania wyników. Dodatkowo użytkownik ma możliwość stworzenia własnych wykresów, które według niego najlepiej przedstawiają potrzebne mu informacje. Wyświetlanie uzyskanych wyników obliczeń możliwe jest w trzech formach:

• wyświetlenie na schemacie sieci obliczonych wartości ciśnienia, strumienia przepły-wu, temperatury, ciepła spalania czy gęstości. Do przełączania pomiędzy poszczegól-nymi wielkościami wykorzystuje się menu pomocnicze znajdujące się powyżej linii poleceń, którego wygląd przedstawiono na rysunku 1.1.12. Oprócz wyświetlonych wartości liczbowych schemat sieci zostaje przedstawiony w trzech kolorach, które odpowiadają wartościom należącym do odpowiednich przedziałów rozgraniczonych

Simone

14

dwoma liczbami granicznymi, których wartości widoczne są w górnym lewym rogu okna sieci,

Rys.1.1.12. Menu pomocnicze wyświetlania wartości wielkości obliczonych podczas symulacji.

Użytkownik może dowolnie definiować pola menu pomocniczego, a jedynym ogra-niczeniem jest ich maksymalna liczba wynosząca 15,

• wyświetlenie na tle schematu sieci małego okienka, w którym przedstawione są zmia-ny wartości parametrów w interesującym nas punkcie (węźle, odcinku itp.) badanej sieci, co zostało przedstawione na rysunku 1.1.13.,

Rys. 1.1.13. Okno reprezentacji wyników na schemacie sieci. Reprezentacja dla odcinka o parame-trach widocznych poniżej wykresu (wartości średnicy i długości wyświetlone są we wcześniej zdefiniowanych jednostkach).

• przedstawianie na ekranie wyników obliczeń w postaci wykresów zmian poszczegól-nych parametrów w funkcji czasu. Widok przykładowego okna przedstawiającego obliczone wartości załączony jest na rysunku 1.1.14.

Jak już wspomniano w programie SIMONE możliwe jest dowolne wybieranie i definio-wanie wyświetlanych wykresów. Służą do tego odpowiednie pliki tekstowe, w których podaje się: ilość wyświetlanych wykresów na ekranie, ich typ, wielkość, położenie oraz dodatkowo kolory linii i legendy.

Przykładowy plik definiujący wykresy dla odcinka przedstawiono na rysunku 1.1.15. Za-warte jest tam pięć segmentów definiujących wykresy czasowe zmian różnych wielkości, oraz pomocnicze menu do nawigacji w obszarze wykresów. W skład każdej z sekcji wchodzą ele-menty definiujące wielkość i położenie wykresu, opisy legendy i ich kolory, nagłówek oraz typ wykresu, jaki ma być zastosowany dla każdej sekcji. W przedstawionym pliku zdefiniowany jest zestaw wykresów widocznych na rysunku 1.1.14., gdzie wyświetlone są wyniki obliczeń dla dwóch różnych symulacji naniesionych na jednych wykresach w celu ich wzajemnego porów-nania Jak już wspomniano nazwa aktualnie wyświetlanego ekranu widoczna jest jako pierwsza pozycja w nagłówku okna głównego.

Obsługa programu

15

Rys. 1.1.14. Wygląd gotowego ekranu z wynikami obliczeń dla odcinka.

Rys. 1.1.15. Struktura pliku definiującego wykresy obliczonych wielkości dla odcinka.

Simone

16

Definiowania plików wykresów dokonuje się poprzez wybór polecenia Specjalne... z menu Rysunki. Wykresy zdefiniowane w ten sposób dostępne są tylko w tej sieci w której dokonywa-ło się ich definiowania.

1.1.2.6. Tabelaryczne przedstawienie wyników W programie SIMONE oprócz przedstawiania wyników w formie graficznej możliwe

również jest ich przeglądanie w formie tabeli. Podobnie jak w przypadku wykresów możliwe jest przeglądanie wyników w standardowych tabelach, jak też stworzenie własnych tabel, czy wyeksportowanie uzyskanych wyników do zewnętrznego pliku do dalszej analizy w innym programie.

Definiowanie tabeli przeznaczonej do wyświetlenia na ekranie dokonuje się podobnie jak w przypadku wykresu – należy wybrać polecenie Specjalne... z menu Rysunki, wykorzystywane są tylko inne polecenia. Natomiast w celu wyeksportowania tabeli do pliku należy stworzyć defi-nicję tabeli przy pomocy polecenia Specjalne... z menu Tabele lub wykorzystać istniejące definicje tabeli i po wykonaniu obliczeń zaplanowanej symulacji dokonać eksportu danych przy pomocy polecenia Wspólne... lub Specjalne... z menu Widok, w zależności jaką tabelę chcemy zapisać. Wybierając odpowiedni plik dokonujemy eksportu danych, a plik zostaje zapisany w podkata-logu [tab] naszej sieci z rozszerzeniem *.001; (*.002 itd. jeżeli chcemy dokonać eksportu kilku plików). Przykładowy plik definiujący tabelę przystosowaną do eksportu danych do dalszej obróbki przedstawiono na rysunku 1.1.16., natomiast na rysunku kolejnym (1.1.17) przedsta-wiono wyeksportowane dane do pliku tekstowego, które w prosty sposób mogą zostać zaim-portowane do zewnętrznego programu analizującego dane np. Excel.

Rys. 1.1.16. Przykładowy plik definiowania tabeli.

Rys. 1.1.17. Przykład wyeksportowanych danych tabeli.

1.1.3. Przykłady i zadania Przykłady i zadania

1.1.3.1. Przykład. W niniejszym przykładzie użytkownikowi przedstawione zostaną najważniejsze funkcje

programu SIMONE począwszy od otwierania istniejącego modelu lub tworzenia nowej sieci,

Przykłady i zadania

17

poprzez definiowanie symulacji dynamicznej, aż po sposoby przeglądania uzyskanych wyników obliczeń.

W przykładzie należy obliczyć jaki strumień gazu ziemnego o składzie podanym w tabeli 1.1.1. można przesłać od zasilania do odbioru 2, przy uwzględnieniu, że na zasilaniu oraz na odbiorze warunki kontraktowe wymuszają ciśnienie gazu równe 60 bar, dodatkowo w odbiorze 1 odbierany jest strumień gazu 300 tys. m3/h.

Tabela 1.1.1. Skład gazu do przykładu.

Składnik gazu Zawartość [%]

metan CH4 97,2 etan C2H6 1,6 propan C3H8 0,7 azot N2 0,2 ditlenek węgla CO2 0,3

Schemat sieci z podstawowymi danymi (średnice i długości odcinków) przedstawiony jest na rysunku 1.1.18. W trakcie tworzenia schematu sieci proszę pamiętać o konieczności zdefi-niowania jednostek w edytorze topologii sieci. Dodatkowymi ograniczeniami są:

• maksymalny stopień sprężania gazu w stacji sprężarkowej 1,5, • maksymalne ciśnienie gazu w gazociągu 85 bar (ze względu na ograniczenia wytrzy-

małościowe), • temperatura gazu na zasilaniu 150C, • maksymalna temperatura gazu na wyjściu ze stacji sprężarkowej 250C • spadki ciśnienia na wejściu do stacji sprężarkowej (układy pomiarowe) oraz na wyj-

ściu (chłodnice gazu) wynoszą po 0,5 bar,

Rys. 1.1.18. Schemat układu sieci do przykładu.

Po utworzeniu schematu sieci w edytorze topologii oraz aktywowaniu wprowadzonych zmian, należy zdefiniować przebieg symulacji, gdzie czas trwania wynosi 48 godzin, a scena-riusz symulacji, w którym należy uwzględnić temperaturę gruntu oraz pełne obliczenia wymia-ny ciepła pomiędzy gazem a otoczeniem, przedstawiony jest na rysunku 1.1.19. Temperatura gruntu w otoczeniu każdego odcinka jest inna, a numeracja podsieci (od SUB1 do SUB5) zgodna jest z kierunkiem przepływu gazu, przy czym każdy odcinek należy do kolejnej podsie-ci.

Simone

18

Rys. 1.1.19. Plan sterowania symulacji w przykładzie.

Rys. 1.1.20. Plik definiujący okno podglądu wyników obliczeń wzdłuż długości gazociągu.

Regulacji podlegają dwa parametry sterujące pracą całego układu: strumień gazu na zasila-niu oraz stopień sprężania stacji. Po wykonaniu obliczeń można sprawdzić wyniki poprzez przeglądnięcie obliczonych wartości na schemacie sieci, lub w postaci graficznej w odpowied-nich oknach wykresów. Dodatkowo można sporządzić nowe okno wykresu do obserwacji zmian parametrów wzdłuż gazociągu. W tym celu należy stworzyć plik X1 przy pomocy pole-cenia Specjalne... w menu Rysunki, którego zawartość przedstawiona jest na rysunku 1.1.20, a wygląd gotowego wykres na rysunku kolejnym. Wyświetla się go przy pomocy polecenia Ścież-ka z menu pomocniczego (1.1.2.5 Graficzne przedstawienie wyników).

Przykłady i zadania

19

Rys. 1.1.21. Zmiany wartości obliczonego ciśnienia oraz strumienia przepływającego gazu wzdłuż gazociągu.

Na podstawie wyników przeprowadzonych obliczeń (wykresy, tabele oraz plan sterowa-nia) widać, że przy podanych parametrach i ograniczeniach eksploatacyjnych strumień gazu na zasilaniu może wynosić 1230 tys. m3/h, przy stopniu sprężania równym 1,50. Natomiast stru-mień gazu na odcinku pomiędzy odbiorami 1 i 2 wynosi 902 tys m3/h. Jak widać na podstawie przytoczonych wartości oraz na podstawie powyższego rysunku różnica pomiędzy strumie-niami na Zasilaniu i Odbiorze 2 jest większa niż zdefiniowany strumień na Odbiorze 1. Jak łatwo się domyślić spowodowane to jest zużyciem gazu do napędu stacji sprężarkowej. Przed-stawiony na rysunku 1.1.19. plan sterowania proszę traktować jako wyjściowy i w trakcie bada-nia sieci należy dokonywać w nim odpowiednich zmian parametrów sterujących.

1.1.3.2. Zadanie 1. Stworzyć prosty schemat sieci przedstawiony na rysunku 1.1.22. a następnie przeprowa-

dzić obliczenia przy założeniu, że z węzła ODBIÓR pobieramy 2000 m3/h gazu, natomiast na zasilaniu panuje 10 bar nadciśnienia.

Simone

20

Rys. 1.1.26. Schemat sieci do zadania 1.

Dodatkowo ustawić chropowatość rury równą 0,025 mm. Na zasilaniu zdefiniować nowy gaz mieszankowy o składzie podanym w tabeli 1.1.2.

Tabela 1.1.2. Parametry gazu w zadaniu 1.

Składnik gazu Zawartość [%]

metan CH4 92,0 etan C2H6 2,0 propan C3H8 3,0 n-butan n-C4H10 1,0 i-butan i-C4H10 0,5 n-pentan n-C5H12 0,5 i-pentan i-C5H12 0,5 ditlenek węgla CO2 0,5

Po przeprowadzeniu obliczeń podać: 1) Wartość ciśnienia w węźle ODBIÓR, 2) Domyślne wartości:

a) średnicy rury, b) długości odcinka.

1.1.3.3. Zadanie 2. W niniejszym zadaniu zostanie przebadana przepustowość gazociągu pracującego w stanie

nieustalonego przepływu gazu. Układ składa się z trzech identycznych odcinków, a zwiększe-nie przepustowości gazociągu odbędzie się poprzez dołączenie kolejno do każdego z odcinków pojedynczego równoległego elementu pierścieniowego. Przedmiotem badania jest określenie najbardziej efektywnego położenie tego elementu, przy uwzględnieniu zmiennych warunków operacyjnych.

Schemat gazociągu przedstawiono na rysunku 1.1.23. Dodatkowo należy zdefiniować chropowatość rur równą 12µm, oraz temperaturę gazu na zasilaniu 200C. Skład gazu na zasila-niu przyjąć taki sam jak w Przykładzie (tabela 1.1.1.), natomiast ciśnienie zasilania wynosi 60 bar, a podczas definiowania symulacji dynamicznej należy wykorzystać scenariusz zmian stru-mienia odbieranego gazu zamieszczony w tabeli 1.1.3.

Przykłady i zadania

21

Rys. 1.1.23. Schemat sieci do zadania 2.

Tabela 1.1.3. Scenariusz symulacji w zadaniu 2.

Czas [h]

Zużycie gazu [tys. m3/h]

Czas [h]

Zużycie gazu [tys. m3/h]

0. 460,15 4. 920,30 1. 461,33 5. 920,30 2. 790,51 6. 1002,89 3. 790,51 7. 884,90

Przed przystąpieniem do obliczeń zasadniczych należy przeprowadzić obliczenia wstępne przy stałej w czasie wartości strumienia odbieranego gazu równej 460 tys. m3/h. Stan uzyskany w trakcie obliczeń należy wykorzystać jako stan początkowy w dalszych badaniach.

Po przeprowadzeniu obliczeń dla prostego gazociągu należy zdefiniować nowy układ za-wierający element pierścieniowy równoległy do pierwszego odcinka. Wszystkie parametry nowej rury przyjąć takie same jak parametry rury głównej. W dalszych etapach element równo-legły należy umieszczać przy kolejnych odcinkach. W celu uzyskania większej przejrzystości schematu należy wykorzystać rury wirtualne.

Po przeprowadzeniu obliczeń proszę: 1) Podać czasu przerwania obliczeń w każdym z przypadków, 2) Określić, jakie położenie elementu pierścieniowego (równoległego) prowadzi do

największej stabilności pracującego układu? 3) Wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje?

1.1.3.4. Zadanie 3. Zadania dotyczące zjawisk nieustalonych wymagają obserwacji zmian zachodzących w

przepływającym strumieniu gazu spowodowanych upływającym czasem. Zmiany takie najła-twiej obserwować jeżeli wyniki obliczeń przedstawione są w postaci wykresów czasowych. Wykresy te umożliwiają również obserwację stabilności pracy układu w przypadku wydłużenia czasu symulacji przy takich samych profilach odbioru czy zasilania.

Schemat gazociągu oraz parametry poszczególnych odcinków są identyczne jak w zadaniu 2. W pierwszej części należy zdefiniować symulację, która ustabilizuje warunki panujące w sieci, i która będzie służyła jako punkt wyjścia do dalszych obliczń. Należy zdefiniować w niej nastę-pujące parametry: ciśnienie zasilania 60 bar oraz odbierany strumień 300 tys. m3/h, natomiast skład gazu taki sam jak w zadaniu 1.

Simone

22

Po przeprowadzeniu symulacji wstępnej należy w tej samej sieci zdefiniować nową symu-lację dynamiczną o przebiegu określonym przez wartości odbieranego strumienia gazu podane w tabeli 1.1.4. przy założeniu, że czas trwania obliczeń wynosi 24 godziny. Czas trwania kolej-nej symulacji należy zdefiniować na 48 godzin a scenariusz będzie składał się z dwóch iden-tycznych dla każdego dnia części.

Tabela 1.1.4. Scenariusz symulacji dynamicznej w zadaniu 3.

Czas [h]

Zużycie gazu [tys. m3/h]

Czas [h]

Zużycie gazu [tys. m3/h]

0. 350 12. 370 3. 460 15. 390 6. 420 18. 350 9. 370 21. 300

W celu dalszego sprawdzenia stabilności pracy układu możliwe jest zdefiniowanie kolejnej symulacji, dla której stanem początkowym będzie koniec pierwszej symulacji rozszerzonej.

Po przeprowadzeniu obliczeń proszę odpowiedzieć na następujące pytania: 1) Czy na podstawie uzyskanego wykresu dla symulacji w okresie 24 godzin można

określić, że badany cykl pracy jest stabilny? 2) Czy na podstawie wykresu zmian akumulacji gazu w sieci dla obliczeń 24 godzin-

nych powiedzieć, że badany cykl jest stabilny? 3) Co można wnioskować na podstawie wykresów uzyskanych dla symulacji w okre-

sach 48 (lub 96) godzin?

1.1.3.5. Zadanie 4. W tym zadaniu rozpoczniemy pracę na prostym schemacie gazociągu, w którym istotne

jest wzajemne oddziaływanie różnych elementów sieci. Schemat układu przesyłowego zamieszczony jest na rysunku 1.1.24. Pomiędzy fragmen-

tem sieci zawierającym węzeł zasilający 2 i odbiór O-4 oraz węzłem O-3 wstawiona jest rura wirtualna, która pozwala na przejrzyste przedstawienie schematu. Składy gazów w punktach zasilających układu podany jest w tabeli 1.1.5., natomiast parametry poszczególnych odcinków zestawione są w tabeli 1.1.6. Zawór Z pozostaje w pozycji zamkniętej i tylko w sytuacjach awaryjnych jest otwierany, aby umożliwić bezpośrednie zasilanie odbioru O-1.

Tabela 1.1.5. Składy gazów zasilających układ w zadaniu 4.

Składnik gazu Zas-1 Zas-2 metan CH4 93,4 92,7 etan C2H6 1,6 2,1 propan C3H8 0,8 1,1 n-butan n-C4H10 0,7 0,7 i-butan i-C4H10 0,3 - n-pentan n-C5H12 - 0,5 azot N2 1,8 1,5 ditlenek węgla CO2 1,4 1,4

Przykłady i zadania

23

Rys. 1.1.24. Schemat sieci do zadania 4.

Tabela 1.1.6. Parametry odcinków w zadaniu 4.

Odcinek Długość [km]

Średnica wew. [mm]

Chropowatość[mm]

Zas-1 – P-1 52,5 250 0,064 P-1 – O-2 27,4 250 0,024 O-2 – O-3 26,2 200 0,012 O-3 – P-2 15,8 180 0,024 P-2 – O-1 45,2 250 0,064 Zas-2 – O-3 63,3 400 0,012 O-3 – O-4 51,8 400 0,012

W pierwszej części należy przeprowadzić symulację wstępną o następujących parametrach sterujących: stałe ciśnienie w węźle Zas-2 – 53,7 bar (węzeł zasilający ciśnieniowy), niezmienne się w czasie strumienie w węzłach: Zas-1 – 200 tys. m3/h (węzeł zasilający strumieniowy), O-2 – 60 tys. m3/h, O-3 – 110 tys. m3/h oraz O-4 – 30 tys. m3/h. Wyniki tych obliczeń należy stosować jako stan początkowy dla dalszych analiz.

W trakcie właściwej symulacji, przeprowadzonej w okresie 24 godzin, oprócz danych wy-korzystywanych w symulacji wstępnej, należy zdefiniować zmienny w czasie profil odbioru gazu w węźle O-3 według danych z tabeli 1.1.7.

Tabela. 1.1.7. Scenariusz symulacji dynamicznej w zadaniu 4.

Czas [h]

Zużycie gazu [tys. m3/h]

0. 40 1. 35 5. 45 7. 30 12. 40

Po przeprowadzeniu obliczeń proszę odpowiedzieć na następujące pytania:

Simone

24

1) Jakie są ciśnienia na zakończenie symulacji wstępnej w odbiorach: O-2 oraz O-3? Jaki wpływ na te wartości będzie miało dołączenie stałego odbioru w węźle O-1 o wartości 40 tys. m3/h?

2) W przypadku symulacji głównej, do jakiej wartości można zwiększyć strumień od-bieranego gazu w węźle O-1 aby układ nadal pracował prawidłowo? (przy założe-niu, że wartość strumienia gazu odbieranego w węźle nie ulega zmianom w czasie).

3) Jaki jest wpływ otwarcia zaworu Z na wartość strumienia odbieranego gazu w węźle O-1? (założenie podobne jak w pytaniu 2).

1.1.3.6. Zadanie 5. W niniejszym zadaniu, prosta sieć utworzona w ZADANIU 4, zostanie rozbudowana o

stację sprężarkową ogólnego typu (Generic). Schemat sieci jest podobny jak w zadaniu 4. W związku z planami wybudowania elek-

trowni gazowej niedaleko odbioru O-4 konieczne jest zwiększenie strumienia gazu przepływa-jącego przez odcinek O-3 – O-4. W tym celu należy wybudować stację sprężania gazu. Możli-wa lokalizacja znajduje się na trasie odcinka ZAS-2 – O-3 w odległości 10 km od węzła O-3 (rysunek 1.1.25.). Głównym problemem jest sprawdzenie, czy możliwe będzie dostarczenie do elektrowni strumienia gazu 130 tys. m3/h, przy czym minimalne ciśnienie gazu wymagane na wejściu do elektrowni wynosi 35 bar. Z przeprowadzonych badań stanu rur wynika, że maksy-malne ciśnienie gazu, do jakiego można sprężyć gaz w sieci wynosi 80 bar.

Również w tym przypadku należy przeprowadzić wstępną symulację symulacje stabilizują-cą parametry pracy układu a następnie symulacje właściwe. Wszystkie parametry opisujące układ są takie same jak w zadaniu 4. Proszę przyjąć końcowe wartości strumieni gazu odbiera-nych w węzłach, a w symulacjach właściwych zmienny w czasie profil odbioru gazu w węźle O-3.

Rys. 1.1.25. Schemat sieci do zadania 5.

Po przeprowadzeniu obliczeń proszę odpowiedzieć na następujące pytania: 1) Czy przy takich parametrach pracy możliwe jest zasilanie elektrowni?

Przykłady i zadania

25

2) Jeżeli o godzinie 16:00 nastąpiła awaria sprężarki, to po jakim czasie ciśnienie na zasi-laniu elektrowni spadnie poniżej wartości minimalnej?

3) Jaki jest wpływ awarii sprężarki i późniejszego odłączenia elektrowni (wmomencie przekroczenia wartości ciśnienia minimalnego) na parametry pracy całego układu przesyłowego (zwrócić szczególną uwagę na O-4, O-4 – O-3)?

4) Czy wydłużenie czasu pracy układu bez stacji sprężarkowej będzie miało wpływ na parametry w innych punktach odbioru gazu?

1.1.3.7. Zadanie 6. Wykorzystując sieć oraz dane z poprzedniego zadania należy przypisać do stacji sprężar-

kowej charakterystykę elementów wyposażenia oraz jej konfigurację przedstawione na odpo-wiednio rysunkach 1.1.9. oraz 1.1.10.

Przed przystąpieniem do obliczeń sprawdzić poprawność wprowadzonej charakterystyki i ewentualnie skorygować istniejące nieprawidłowości, wykorzystać w tym celu polecenie Spraw-dzanie wyposażenia z menu Opcje.

Przy tworzeniu planu sterowania zwrócić uwagę na odmienny sposób definiowania trybu pracy stacji sprężarkowej.

Po przeprowadzeniu symulacji wstępnej, wykorzystując scenariusz symulacji przedstawio-ny w tabeli 1.1.7. zdefiniować symulację zasadniczą.

Po przeprowadzeniu obliczeń proszę odpowiedzieć na następujące pytania: 1) W jakiej konfiguracji stacja sprężarkowa pracuje prawidłowo? 2) Czy położenie punktu pracy sprężarki na charakterystyce jest korzystne? 3) Jakie jest zużycie gazu przez napęd sprężarki? 4) Jak zmieniają się w czasie wartości ciśnień w odbiorach O-1 oraz O-5?

1.1.3.8. Zadanie 7. W niniejszym zadaniu zbadane zostanie zachowanie się prostego układu przesyłowego w

przypadku wystąpienia awarii (wycieku gazu) na trasie gazociągu, a następnie porównanie pra-widłowej pracy oraz trybu pracy w przypadku zaistnienia awarii.

Parametry geometryczne układu gazociągu przyjąć zgodnie z danymi przedstawionymi na rysunku 1.1.26., natomiast skład gazu zgodnie z tabelą 1.1.2. Parametry pracy są następujące: ciśnienie zasilania 60 bar, strumienie gazu na odbiorach: O-1 – 100 tys. m3/h oraz O-2 – 150 tys. m3/h, a zawór znajduje się w pozycji całkowicie otwartej. Pozostałe parametry przyjmują wartości domyślne.

Wyciek gazu definiuje się poprzez podanie czasu zaistnienia awarii oraz średnicy powsta-łego otworu (wartość podana w metrach).

Po przeprowadzeniu symulacji wstępnej należy zdefiniować zasadniczą symulację po-prawnej pracy układu przesyłowego oraz kolejną symulację opisującą przypadek wycieku gazu w węźle W.

Simone

26

Rys. 1.1.26. Schemat sieci do zadania 7.

Przebieg awarii odpowiada danym z tabeli 1.1.8.

Tabela 1.1.8. Zmiany średnicy otworu podczas awarii.

Godzina Średnica otworu [m]

10:00 0,05 10:01 0,10 10:02 0,15

Po przeprowadzeniu obliczeń proszę odpowiedzieć na następujące pytania: 1) Od której godziny nie jest możliwe odbieranie gazu w węźle O-1? 2) Jeżeli o godzinie 10:20 zostanie wyłączony odbiór gazu w węźle O-1, to na jakim po-

ziomie ustalą się parametry pracy będą w węźle O-2? 3) O ile większe byłby straty gazu, jeżeli układ pracowałby w konfiguracji pierwotnej

bez odcięcia fragmentu sieci z miejscem awarii? (Należy wykorzystać możliwość po-równania dwóch przebiegów.)