调压站冻胀问题危害天然气输配的安全和稳定,现有的关于调压站冻胀问题的研究通常聚焦于调压站出站埋地管道与周围土壤的换热过程,忽视了调压器的调压过程对调压站冻胀问题的影响;在研究出站埋地管道与周围土壤的换热过程时,又往往忽视出站埋地管道周围土壤水汽运移对调压站冻胀的影响;针对埋地管道保温的相关研究,通常视保温材料导热系数为定值,忽视了实际工程中保温材料因导热系数受环境温度影响致使其实际保温性能发生变化。本文对北京地区高中压区域调压站的调压过程进行简化分析,构建调压器绝热节流数学模型,同时在考虑埋地管道周围土壤水汽运移的基础上,构建埋地管道周围土壤水汽耦合数学模型;利用COMSOL MultiPhysic s软件进行数值模拟,分析不同调压条件对土壤冻胀的影响,并在考虑埋地管道保温材料导热系数随周围环境温度变化的基础上,对调压站出站埋地管道的保温设计提出建议。本文的主要研究内容及成果如下:(1)对北京地区高中压调压站的调压过程进行简化建模,通过分析北京地区高中压调压站的调压过程,计算模拟条件下调压器阀口的开度,建立了北京地区高中压区域调压站调压器-埋地管道的简化几何模型。(2)对影响北京地区调压站调压的条件进行分析,以准确模拟北京地区调压传热过程;对北京地区代表性地面气象台站近三十年的实测气象数据进行分析,得到了北京地区气象数据年变化情况,获得北京地区近三十年间具有代表性的大气温度、降水量以及风速数据;分析了北京地区地-气能量平衡规律,利用代表性大气温度、降水数据以及风速得到北京地区土壤表面温度、土壤深层温度数据,以及土壤温度、湿度边界条件;利用相关文献的实验数据,通过回归分析得到聚氨酯及岩棉导热系数与温度的线性回归方程。(3)考虑土壤发生冻胀时液态水、汽态水的运移以及相变,对土壤中水热分布的影响。本文对出站埋地管道周围土壤建立了考虑水汽运移及相变的能量和质量守恒方程,并通过建立方程中未知参数与土壤含水量θ以及温度T的关系,实现了水热方程的耦合求解,建立了土壤水汽运移耦合数学模型;对调压器内天然气气体的流动建立了绝热边界条件下的湍流数学模型,以模拟其在调压器内的绝热节流过程;为实现对上述两个数学模型的联合数值模拟,使用有限元分析软件COMSOL MultiPhysics中流固耦合模块模拟调压器绝热节流过程,使用PDE模块自定义土壤中水汽迁移微分方程,通过建立联系变量实现两个模型之间的数据实时调取,得到了上述数学模型的数值分析模型。(4)为分析调压器的调压特性及土壤冻胀时水热分布的规律,利用数值分析软件分别模拟了天然气入口温度、天然气入口压力对调压器内速度场、温度场、压力场,以及土壤中温度场和水分场分布的影响,掌握了调压站调压器内速度、压力、温度以及土壤中水分、温度与天然气入口温度、入口压力之间的客观规律;同时模拟了不同水分条件、不同管道埋深时出站埋地管道周围土壤中水热分布的特点,掌握了水分条件及管道埋深对土壤中水热分布影响的客观规律。(5)为考虑聚氨酯、岩棉导热系数随环境温度变化时的实际保温效果,本文分别模拟了天然气入口温度与入口压力对土壤中水热分布的影响,对工程设计阶段聚氨酯保温层、岩棉保温层的优化设计提出建议。