CN104731761A - 天然气管网仿真方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然气管网仿真方法和装置，其中方法包括：对天然气管网中天然气流动和传热的控制方程和边界条件方程进行离散处理，得到代数方程组；针对第i个时刻的网格系统中的网格点，根据第i-1个时刻的网格系统中网格点的流动参数值的插值解和数值解的比较结果进行调整；针对第i个时刻的时间步长，根据前3个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长进行调整；根据第i个时刻的网格系统中的网格点以及时间步长，对代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解。从而实现对时间步长和空间网格系统的自适应调整，在保证计算精度的情况下，减少计算机内存资源和计算时间上的浪费。

Description

天然气管网仿真方法和装置

技术领域

本发明涉及管道系统技术领域，尤其涉及一种天然气管网仿真方法和装置。

背景技术

发展天然气工业是未来能源结构优化的必然方向。管道是天然气主要的输送方式，干线管道、支线管道、城市输配气管道一起构成了多层次的天然气管网结构。未来的天然气管网将朝着大口径、大流量、高压力等级的趋势发展，管网的规模和复杂程度都随之增加，如何形成资源多元、调运灵活、安全稳定的天然气保障格局显得极为重要。

其中，天然气管网仿真是保障管道安全运行不可或缺的技术。天然气管网仿真主要是通过数值解法求解控制方程以得到管道内部的流动参数。目前天然气管网的仿真方法主要包括以下过程：1)、管道网格划分：将每个管道划分成很多个小段，每个小段的起点和终点处为管道节点。2)、控制方程的离散：将每个小段的时间段划分成很多个时刻，在每一个小段上，对天然气管道中流动和传热现象的非线性偏微分控制方程进行线性化处理，使之在每一时刻上求解的时候变成一个线性方程，再将线性方程通过一定的离散格式离散成可以直接求解的代数方程。3)、补充边界条件：对管网的外部边界点写代数方程。4)、计算机求解：联立上述所得到的代数方程，采用计算机求解。5)、结果展示：根据计算机求解的结果画出曲线图来描述和分析管道内部的流动参数。

然而现有技术中，管道网络的划分所依据的空间步长，以及时刻的划分所依据的时间步长，是由工程人员预先根据经验进行设置的，在求解过程中，不会发生改变。这种划分方式并不能很好反映天然气管网真实的参数分布，例如：在参数随空间变化剧烈的区域，如果网格比较稀疏，就不能很好地刻画该局部区域的参数变化趋势；如果在那些参数随空间变化较为平缓的区域，网格设置的比较紧密，虽然保证了每次求解的一定精度，但在本可以用更少的节点描述参数变化的情况下，造成了计算机内存资源和时间上的浪费。

发明内容

本发明提供一种天然气管网仿真方法和装置，用于解决现有技术中计算机内存资源和时间上的浪费较多的问题。

本发明的第一个方面是提供一种天然气管网仿真方法，包括：

获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；

按照预设的多个空间步长分别对所述天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系；

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解；对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；比较所述采用的网格点的插值解和数值解，确定是否删除所述第i-1时刻的所述采用的网格点或在第i-1时刻的所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，所述新的网格点从所述第i-1时刻的未采用的网格点中获取到；其中，i≥4；

根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；所述第i个时刻的时间步长为根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长所确定的时间步长。

进一步地，所述获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组之前，还包括：

获取天然气管网的管网信息；

根据所述管网信息确定初始空间步长和初始时间步长，根据所述初始空间步长和初始时间步长确定第一个时刻的网格系统和第二个时刻的网格系统；

所述按照预设的多个空间步长分别对所述天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系之后，还包括：

根据第一个时刻的网格系统中的网格点，以及第一个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第一个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；

根据第二个时刻的网格系统中的网格点，以及第二个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第二个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解。

进一步地，所述对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解，对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；比较所述采用的网格点的插值解和数值解，确定是否删除所述第i-1时刻的所述采用的网格点或在第i-1时刻的所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，包括：

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解；

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；

计算所述采用的网格点的流动参数值插值解和数值解的差值绝对值；

在所述差值绝对值小于预设的调节系数与预设阈值的乘积时，删除所述采用的网格点；

在所述差值绝对值大于预设的调节系数与预设阈值的乘积，且小于所述预设阈值时，保留所述采用的网格点；

在所述差值绝对值大于所述预设阈值时，保留所述采用的网格点，在所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统；所述新的网格点从所述第i-1时刻的未采用的网格点中获取到。

进一步地，所述管网信息包括：天然气的物性参数、天然气管网的拓扑结构、天然气管网中各元件的参数和操作条件。

进一步地，所述根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解之后，还包括：

以可视化的形式显示各个时刻的网格系统中各个网格点的流动参数值数值解。

本发明的另一个方面提供一种天然气管网仿真装置，包括：

获取模块，用于获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；

划分模块，用于按照预设的多个空间步长分别对所述天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系；

确定模块，用于对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解；对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；比较所述采用的网格点的插值解和数值解，确定是否删除所述第i-1时刻的所述采用的网格点或在第i-1时刻的所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，所述新的网格点从所述第i-1时刻的未采用的网格点中获取到；其中，i≥4；

求解模块，用于根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；所述第i个时刻的时间步长为根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长所确定的时间步长。

进一步地，所述获取模块获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组之前，所述获取模块还用于，获取天然气管网的管网信息；

所述确定模块还用于，根据所述管网信息确定初始空间步长和初始时间步长，根据所述初始空间步长和初始时间步长确定第一个时刻的网格系统和第二个时刻的网格系统；

所述划分模块按照预设的多个空间步长分别对所述天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系之后，所述确定模块还用于，

根据第一个时刻的网格系统中的网格点，以及第一个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第一个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；

根据第二个时刻的网格系统中的网格点，以及第二个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第二个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解。

进一步地，所述确定模块具体用于，

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解；

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；

计算所述采用的网格点的流动参数值插值解和数值解的差值绝对值；

在所述差值绝对值小于预设的调节系数与预设阈值的乘积时，删除所述采用的网格点；

在所述差值绝对值大于预设的调节系数与预设阈值的乘积，且小于所述预设阈值时，保留所述采用的网格点；

在所述差值绝对值大于所述预设阈值时，保留所述采用的网格点，在所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统；所述新的网格点从所述第i-1时刻的未采用的网格点中获取到。

进一步地，所述管网信息包括：天然气的物性参数、天然气管网的拓扑结构、天然气管网中各元件的参数和操作条件。

进一步地，所述装置还包括：显示模块；

所述确定模块根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解之后，所述显示模块，用于以可视化的形式显示各个时刻的网格系统中各个网格点的流动参数值数值解。

本发明中，通过获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；针对第i个时刻的网格系统中的网格点，根据第i-1个时刻的网格系统中求解流动参数值时采用的网格点的流动参数值插值解和流动参数值数值解的比较结果进行调整，针对第i个时刻的时间步长，根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长进行调整，根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；从而实现对时间步长和空间步长的自适应调整，在参数随空间变化剧烈的区域，采用较密集的网格点，在参数随空间变化缓慢的区域，采用较稀疏的网格点，从而在保证计算精度的情况下，减少计算机内存资源和计算时间上的浪费，使得天然气管网中天然气流动参数值的确定过程智能化，自动化。

附图说明

图1为本发明提供的天然气管网仿真方法一个实施例的流程图；

图2为本发明提供的天然气管网仿真方法又一个实施例的流程图；

图3为本发明提供的天然气管网仿真装置一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的天然气管网仿真方法一个实施例的流程图，如图1所示，包括：

101、获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对控制方程和边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组。

本发明提供的天然气管网仿真方法的执行主体为天然气管网仿真装置，天然气管网仿真装置具体可以为天然气管网仿真器，或者能够对天然气管网进行仿真的处理系统等。

其中，天然气管网中天然气流动和传热的控制方程为一组非线性偏微分方程组，对其进行离散，能够得到可以被计算机识别和运算的代数方程。天然气管网中的边界条件可以分为管网外边界条件和管网内边界条件，管网外边界条件为管网中的气源和分输点给定进入和离开管网时的压力或流量；管网内部边界条件为管网中的各元件(包括阀门、分支点、压缩机、变径管节点等)连接点处必须满足质量守恒和压力相等。

102、按照预设的多个空间步长分别对天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系。

具体地，可以将天然气管道按照不同空间步长均分得到多层的网格系统，相邻层的空间步长相差2倍或其它倍数(常用的是2倍)，并对各层网格系统按照稀疏程度编号，假设j为网格系统层数(从最稀疏的网格层j＝0到最致密的网格层j＝J)，i为网格点次序(从第一个点i＝1到i＝(第j层的网格数目))；这种编号方式下的网格系统可以表示为：

第j层上位于i处的网格点坐标＝(最稀疏的空间步长/2的j次方)×(i-1)。

相邻两层网格系统上的网格点满足：

第j-1层上(i/2+1/2)点处的坐标＝第j层上(i)点处的坐标＝第j+1层上(2×i-1)点处的坐标。

103、对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对未采用的网格点进行插值，确定未采用的网格点的流动参数值插值解；对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对采用的网格点进行插值，确定采用的网格点的流动参数值插值解；比较采用的网格点的插值解和数值解，确定是否删除第i-1时刻的采用的网格点或在第i-1时刻的采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，新的网格点从第i-1时刻的未采用的网格点中获取到；其中，i≥4。

其中，增添新的网格点的目的是提高需要增添网格点的位置附近的数值解的准确度，以便很好地描述该区域的参数变化趋势。

进一步地，步骤101之前，还可以包括：获取天然气管网的管网信息；根据管网信息确定初始空间步长和初始时间步长，根据初始空间步长和初始时间步长确定第一个时刻的网格系统和第二个时刻的网格系统。

其中，管网信息具体可以包括：天然气的物性参数、天然气管网的拓扑结构、天然气管网中各元件的参数和操作条件。还需要进行说明的是，管网信息中还可以包括天然气管网的其他信息，此处不再进行详细说明。

对应的，步骤102之后，还可以包括：

根据第一个时刻的网格系统中的网格点，以及第一个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第一个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；

根据第二个时刻的网格系统中的网格点，以及第二个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第二个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解。

104、根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；第i个时刻的时间步长为根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长所确定的时间步长。

具体地，步骤104具体可以包括：1)、由已求得的第i-2个时刻、第i-3个时刻和第i-1个时刻的流动参数值数值解及时间步长来估计第i-1个时刻误差值，第i-1个时刻误差值1＝{[(第i-1个时刻的流动参数值-第i-2个时刻的流动参数值)/第i-1个时刻求解时所用的时间步长-(第i-2个时刻的流动参数值-第i-3个时刻的流动参数值)/第i-2个时刻求解时所用的时间步长]×(第i-1个时刻求解时所用的时间步长+第i-2个时刻求解时所用的时间步长)/2}的绝对值。第i-1个时刻误差值2＝(第i-1个时刻的流动参数值-第i-2个时刻的流动参数值)的绝对值。第i-1个时刻误差值＝第i-1个时刻所有的保留节点的误差值1和第i-1个时刻所有的保留节点的误差值2中最大的值。

2)、比较第i-1个时刻误差值和允许误差值(人为设定，可以为第i-1个时刻所有节点流动参数值的平均值再除以1000)。

3)、(a)第i-1个时刻误差值小于调节系数(调节系数为0-1之间的一个值)乘以允许误差值，求解第i-1个时刻的时间步长合适，并预测第i个时刻的时间步长。第i个时刻的时间步长＝(允许误差值/第i-1个时刻误差值)的0.128次方×(允许误差值/第i-2个时刻误差值)的0.125次方×(第i-1个时刻误差值/第i-2个时刻误差值)的-0.25次方×第i-1个时刻的时间步长。

(b)第i-1个时刻误差值大于调节系数乘以允许误差值，但是第i-1个时刻误差值小于允许误差值，求解第i-1个时刻的时间步长合适，并直接采用求解第i-1个时刻的时间步长作为第i个时刻的时间步长。

(c)第i-1个时刻误差值大于允许误差值，求解第i-1个时刻的时间步长不合适，将求解第i-1个时刻的时间步长减小至原来的1/2，并重新进行第i-1个时刻流动参数值的计算。

进一步地，根据各个时刻的网格系统中的网格点，以及各个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解完成后，可以以可视化的形式输出求解结果，将求解结果展现给用户。例如，根据求解结果画出曲线图来描述和分析管道内部的流动参数，将曲线图展现给用户。

另外，还需要进行说明的是，天然气管网仿真装置还可以对各个计算步骤中计算得到的各数值进行存储，以便将存储的数值传递给其他计算步骤进行相应的计算。

本实施例中，通过获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对控制方程和边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；针对第i个时刻的网格系统中的网格点，根据第i-1个时刻的网格系统中求解流动参数值时采用的网格点的流动参数值插值解和流动参数值数值解的比较结果进行调整，针对第i个时刻的时间步长，根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长进行调整，根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；从而实现对时间步长和空间步长的自适应调整，在参数随空间变化剧烈的区域，采用较密集的网格点，在参数随空间变化缓慢的区域，采用较稀疏的网格点，从而在保证计算精度的情况下，减少计算机内存资源和计算时间上的浪费，使得天然气管网中天然气流动参数值的确定过程智能化，自动化。

图2为本发明提供的天然气管网仿真方法又一个实施例的流程图，如图2所示，在图1所示实施例的基础上，步骤103具体可以包括：

1031、对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对未采用的网格点进行插值，确定未采用的网格点的流动参数值插值解。

第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，指的是多层的网格系统中网格点数最多的网格系统中，除了第i-1个时刻的网格系统中求解流动参数值时采用的网格点以外的其他网格点。

1032、对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对采用的网格点进行插值，确定采用的网格点的流动参数值插值解。

其中，若采用的网格点周围的网格点为第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，则利用采用的网格点周围的网格点的数值解对采用的网格点进行插值；若采用的网格点周围的网格点为第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，则利用采用的网格点周围的网格点的插值解对采用的网格点进行插值。

流动参数值为：压力值、流量值或温度值。具体地，可选的，若第i-1个时刻的未采用的网格点在多层的网格系数中既可以位于网格点数量最多的网格系统，也可以位于网格点数量比较少的网格系统，例如位于第j层的网格系统，第i-1个时刻的未采用的网格点的压力值插值解的平方＝9/16(j层网格系统上位于该网格点左侧节点的压力值的平方+j层网格系统上位于该网格点右侧节点的压力值的平方)-1/16(j-1层网格系统上位于该网格点左侧节点的压力值的平方+j-1层网格系统上位于该网格点右侧节点的压力值的平方)；将上述所得到的该网格点的压力值的平方进行开方，可以得到该网格点的压力值。

假设第i-1个时刻的未采用的网格点在多层的网格系数中位于第j层的网格系统，第i-1个时刻的未采用的网格点的流量值＝9/16(j层网格系统上位于该网格点左侧节点的流量值+j层网格系统上位于该网格点右侧节点的流量值)-1/16(j-1层网格系统上位于该网格点左侧节点的流量值+j-1层网格系统上位于该网格点右侧节点的流量值)。

假设第i-1个时刻的未采用的网格点在多层的网格系数中位于第j层的网格系统，第i-1个时刻的未采用的网格点的温度值＝9/16(j层网格系统上位于该网格点左侧节点的温度值+j层网格系统上位于该网格点右侧节点的温度值)-1/16(j-1层网格系统上位于该网格点左侧节点的温度值+j-1层网格系统上位于该网格点右侧节点的温度值)。

然后对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用该网格点周围的网格点的流动参数值对该网格点进行插值，确定该网格点的流动参数值插值解。

1033、计算采用的网格点的流动参数值插值解和数值解的差值绝对值。

1034、在差值绝对值小于预设的调节系数与预设阈值的乘积时，删除采用的网格点。

其中，预设阈值可以为第i-1个时刻的网格系统中采用的网格点的数值解绝对值与第一整数的乘积，第一整数为4、10或者4-10之间的任意整数。预设的调节系数为0-1之间的任意值。

需要进行说明的是，在差值绝对值小于预设的调节系数与预设阈值的乘积时，说明采用的网格点所在的区域为参数随空间变化平缓的区域，针对该区域，可以删除采用的网格点，减少该区域网格点的数量。

1035、在差值绝对值大于预设的调节系数与预设阈值的乘积，且小于预设阈值时，保留采用的网格点。

1036、在差值绝对值大于预设阈值时，保留采用的网格点，在采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，新的网格点从第i-1时刻的未采用的网格点中获取到。

需要进行说明的是，在差值绝对值大于预设阈值时，说明采用的网格点所在的区域为参数随空间变化剧烈的区域，针对该区域，需要保留采用的网格点，并在采用的网格点的周围增添新的网格点，以增加该区域网格点的数量。

本实施例中，通过获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对控制方程和边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对未采用的网格点进行插值，确定未采用的网格点的流动参数值插值解，对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对采用的网格点进行插值，确定采用的网格点的流动参数值插值解；计算采用的网格点的流动参数值插值解和数值解的差值绝对值；根据差值绝对值与预设阈值或者与预设的调节系数与预设阈值的乘积的大小关系，确定删除或者保留采用的网格点，或者增添新的网格点，针对第i个时刻的时间步长，根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长进行调整，根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；从而实现对时间步长和空间步长的自适应调整，在参数随空间变化剧烈的区域，采用较密集的网格点，在参数随空间变化缓慢的区域，采用较稀疏的网格点，从而在保证计算精度的情况下，减少计算机内存资源和计算时间上的浪费，使得天然气管网中天然气流动参数值的确定过程智能化，自动化。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

图3为本发明提供的天然气管网仿真装置一个实施例的结构示意图，如图3所示，包括：

获取模块31，用于获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对控制方程和边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；

划分模块32，用于按照预设的多个空间步长分别对天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系；

具体地，可以将天然气管道按照不同空间步长均分得到多层的网格系统，相邻层的空间步长相差2倍或其它倍数(常用的是2倍)，并对各层网格系统按照稀疏程度编号，假设j为网格系统层数(从最稀疏的网格层j＝0到最致密的网格层j＝J)，i为网格点次序(从第一个点i＝1到i＝(第j层的网格数目))；这种编号方式下的网格系统可以表示为：

第j层上位于i处的网格点坐标＝(最稀疏的空间步长/2的j次方)×(i-1)。

相邻两层网格系统上的网格点满足：

第j-1层上(i/2+1/2)点处的坐标＝第j层上(i)点处的坐标＝第j+1层上(2×i-1)点处的坐标。

确定模块33，用于对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对未采用的网格点进行插值，确定未采用的网格点的流动参数值插值解；对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对采用的网格点进行插值，确定采用的网格点的流动参数值插值解；比较采用的网格点的插值解和数值解，确定是否删除第i-1时刻的采用的网格点或在第i-1时刻的采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，新的网格点从第i-1时刻的未采用的网格点中获取到；其中，i≥4；

其中，增添新的网格点的目的是提高需要增添网格点的位置的网格点密度，以便很好地刻画该区域的参数变化趋势。

求解模块34，用于根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；第i个时刻的时间步长为根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长所确定的时间步长。

其中，求解模块具体用于，1)、由已求得的第i-2个时刻、第i-3个时刻和第i-1个时刻的流动参数值数值解及时间步长来估计第i-1个时刻误差值；2)、比较第i-1个时刻误差值和允许误差值(人为设定，可以为第i-1个时刻所有节点流动参数值的平均值再除以1000)。3)、(a)第i-1个时刻误差值小于调节系数(调节系数为0-1之间的一个值)乘以允许误差值，求解第i-1个时刻的时间步长合适，并预测第i个时刻的时间步长。(b)第i-1个时刻误差值大于调节系数乘以允许误差值，但是第i-1个时刻误差值小于允许误差值，求解第i-1个时刻的时间步长合适，并直接采用求解第i-1个时刻的时间步长作为第i个时刻的时间步长。(c)第i-1个时刻误差值大于允许误差值，求解第i-1个时刻的时间步长不合适，将求解第i-1个时刻的时间步长减小至原来的1/2，并重新进行第i-1个时刻流动参数值的计算。

进一步地，获取模块31获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对控制方程和边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组之前，获取模块31还用于，获取天然气管网的管网信息；

确定模块33还用于，根据管网信息确定初始空间步长和初始时间步长，根据初始空间步长和初始时间步长确定第一个时刻的网格系统和第二个时刻的网格系统；

划分模块32按照预设的多个空间步长分别对天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系之后，确定模块33还用于，

根据第一个时刻的网格系统中的网格点，以及第一个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第一个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；

根据第二个时刻的网格系统中的网格点，以及第二个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第二个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解。

其中，管网信息包括：天然气的物性参数、天然气管网的拓扑结构、天然气管网中各元件的参数和操作条件。

进一步地，确定模块33具体用于，

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对未采用的网格点进行插值，确定未采用的网格点的流动参数值插值解；

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对采用的网格点进行插值，确定采用的网格点的流动参数值插值解；

计算采用的网格点的流动参数值插值解和数值解的差值绝对值；

在差值绝对值小于预设的调节系数与预设阈值的乘积时，删除采用的网格点；

在差值绝对值大于预设的调节系数与预设阈值的乘积，且小于预设阈值时，保留采用的网格点；

在差值绝对值大于预设阈值时，保留采用的网格点，在采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统；新的网格点从第i-1时刻的未采用的网格点中获取到。

进一步地，天然气管网仿真装置还包括：显示模块；

确定模块33根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解之后，显示模块，用于以可视化的形式显示各个时刻的网格系统中各个网格点的流动参数值数值解。

本实施例中，通过获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对控制方程和边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；针对第i个时刻的网格系统中的网格点，根据第i-1个时刻的网格系统中求解流动参数值时采用的网格点的流动参数值插值解和流动参数值数值解的比较结果进行调整，针对第i个时刻的时间步长，根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长进行调整，根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；从而实现对时间步长和空间步长的自适应调整，在参数随空间变化剧烈的区域，采用较密集的网格点，在参数随空间变化缓慢的区域，采用较稀疏的网格点，从而在保证计算精度的情况下，减少计算机内存资源和计算时间上的浪费，使得天然气管网中天然气流动参数值的确定过程智能化，自动化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种天然气管网仿真方法，其特征在于，包括：

获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；

按照预设的多个空间步长分别对所述天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系；

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解；对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；比较所述采用的网格点的插值解和数值解，确定是否删除所述第i-1时刻的所述采用的网格点或在第i-1时刻的所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，所述新的网格点从所述第i-1时刻的未采用的网格点中获取到；其中，i≥4；

根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；所述第i个时刻的时间步长为根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长所确定的时间步长。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组之前，还包括：

获取天然气管网的管网信息；

根据所述管网信息确定初始空间步长和初始时间步长，根据所述初始空间步长和初始时间步长确定第一个时刻的网格系统和第二个时刻的网格系统；

所述按照预设的多个空间步长分别对所述天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系之后，还包括：

根据第一个时刻的网格系统中的网格点，以及第一个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第一个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；

根据第二个时刻的网格系统中的网格点，以及第二个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第二个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解，对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；比较所述采用的网格点的插值解和数值解，确定是否删除所述第i-1时刻的所述采用的网格点或在第i-1时刻的所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，包括：

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解；

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；

计算所述采用的网格点的流动参数值插值解和数值解的差值绝对值；

在所述差值绝对值小于预设的调节系数与预设阈值的乘积时，删除所述采用的网格点；

在所述差值绝对值大于预设的调节系数与预设阈值的乘积，且小于所述预设阈值时，保留所述采用的网格点；

在所述差值绝对值大于所述预设阈值时，保留所述采用的网格点，在所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统；所述新的网格点从所述第i-1时刻的未采用的网格点中获取到。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述管网信息包括：天然气的物性参数、天然气管网的拓扑结构、天然气管网中各元件的参数和操作条件。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解之后，还包括：

以可视化的形式显示各个时刻的网格系统中各个网格点的流动参数值数值解。

6.一种天然气管网仿真装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组；

划分模块，用于按照预设的多个空间步长分别对所述天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系；

确定模块，用于对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解；对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；比较所述采用的网格点的插值解和数值解，确定是否删除所述第i-1时刻的所述采用的网格点或在第i-1时刻的所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统，所述新的网格点从所述第i-1时刻的未采用的网格点中获取到；其中，i≥4；

求解模块，用于根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；所述第i个时刻的时间步长为根据第i-1个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解及时间步长，以及第i-2个时刻和第i-3个时刻的流动参数值数值解及时间步长所确定的时间步长。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述获取模块获取天然气管网中天然气流动和传热的控制方程以及边界条件方程，对所述控制方程和所述边界条件方程进行离散处理，得到相应的代数方程，组成代数方程组之前，所述获取模块还用于，获取天然气管网的管网信息；

所述确定模块还用于，根据所述管网信息确定初始空间步长和初始时间步长，根据所述初始空间步长和初始时间步长确定第一个时刻的网格系统和第二个时刻的网格系统；

所述划分模块按照预设的多个空间步长分别对所述天然气管道进行划分，得到多层的网格系统，相邻的两层网格系统对应的空间步长之间成预设的倍数关系之后，所述确定模块还用于，

根据第一个时刻的网格系统中的网格点，以及第一个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第一个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解；

根据第二个时刻的网格系统中的网格点，以及第二个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第二个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定模块具体用于，

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时未采用的网格点，利用所述未采用的网格点周围的网格点的流动参数值对所述未采用的网格点进行插值，确定所述未采用的网格点的流动参数值插值解；

对第i-1个时刻的网格系统中的求解流动参数值时采用的网格点，利用所述采用的网格点周围的网格点的插值解或数值解对所述采用的网格点进行插值，确定所述采用的网格点的流动参数值插值解；

计算所述采用的网格点的流动参数值插值解和数值解的差值绝对值；

在所述差值绝对值小于预设的调节系数与预设阈值的乘积时，删除所述采用的网格点；

在所述差值绝对值大于预设的调节系数与预设阈值的乘积，且小于所述预设阈值时，保留所述采用的网格点；

在所述差值绝对值大于所述预设阈值时，保留所述采用的网格点，在所述采用的网格点的周围增添新的网格点，确定第i个时刻的网格系统；所述新的网格点从所述第i-1时刻的未采用的网格点中获取到。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述管网信息包括：天然气的物性参数、天然气管网的拓扑结构、天然气管网中各元件的参数和操作条件。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：显示模块；

所述确定模块根据第i个时刻的网格系统中的网格点，以及第i个时刻的时间步长，对所述代数方程组进行求解，确定第i个时刻的网格系统中各网格点的流动参数值数值解之后，所述显示模块，用于以可视化的形式显示各个时刻的网格系统中各个网格点的流动参数值数值解。