CN107609312B - 城市输气管网供气能力模拟方法及模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市天然气配送技术领域。为打通燃气网的输配瓶颈，提高燃气网的输配能力，本发明提出一种城市输气管网供气能力模拟方法，采集供气站点处的输配气体的入口压力、出口压力、出口流量以及环境温湿度和阀门位置；根据采集到的数据和城市输气管网中的管线分布图建立瞬时现状供气分析拓扑图；根据瞬时现状供气分析拓扑图在电路仿真软件建立电路模型；对电路模型进行仿真试验，建立城市输气管网中各个供气站点处输气用管道内的压力的数学模型

根据数学模型模拟计算出城市输气管网中各个供气站点处出口流量，且P_Q和P_Z均小于管道的极限承载压力。采用模拟方法可直接模拟得出城市输气管网的供气能力，方便打通输配瓶颈，提高输气能力。

Description

城市输气管网供气能力模拟方法及模拟系统

技术领域

本发明涉及城市天然气配送技术领域，尤其涉及一种对城市中输送天然气的管道网络的供气能力进行模拟用的模拟方法及模拟系统。

背景技术

随着我国天然气的快速发展，我国城市燃气网已经发展成多源供气、多压力级制的纵横交错的网络体系。但是，在城市燃气的不断发展过程中，由于城市燃气规划的无序进行，在燃气网中尤其是燃气网的干线管网中，形成了输配瓶颈和水力平衡差异。因此，为保证燃气输配的安全性和高效性，必须打通燃气网的输配瓶颈，提高燃气网的输配能力。

另外，目前国家为降低环境污染，提高经济效益，在大力发展油改气和煤改气工程，导致燃气网的输配要求提高，为满足燃气网的输配要求，也必须打通燃气网的输配瓶颈，提高燃气网的输配能力。

发明内容

为打通燃气网的输配瓶颈，提高燃气网的输配能力，本发明提出一种城市输气管网供气能力模拟方法，该城市输气管网供气能力模拟方法包括如下步骤：

步骤S1、采集所述城市输气管网中的供气站点处的输配气体的数据、环境温湿度和阀门位置，所述输配气体的数据包括入口压力、出口压力、出口流量、输配气体的比重、输配气体的热值和输配气体的组成成分；

步骤S2、根据所述步骤S1中采集到的数据以及所述城市输气管网中的管线的分布图建立用于显示输配气体在所述城市输气管网中的输送状态的瞬时现状供气分析拓扑图；

步骤S3、根据所述瞬时现状供气分析拓扑图在电路仿真软件建立电路模型，该电路模型中的用电设备代表所述供气站点，可调电阻代表所述供气站点处的阀门，连接电路和位于所述连接电路上的电路开关代表连接所述城市输气管网中的供气站点用的管道，位于所述连接电路上的固定电阻代表所述管道的管径损耗，所述用电设备处的输入电压代表所述供气站点处的入口压力和出口压力的差值，所述用电设备处的输出电流代表所述供气站点处的出口流量；

步骤S4、利用所述电路仿真软件对所述电路模型进行仿真试验，在仿真试验过程中，利用所述电路开关控制电路的通断，并通过调节所述可调电阻的阻值来调节所述用电设备处的模拟输入电压和模拟输出电流，直至所述用电设备处的模拟输入电压和模拟输出电流与所述电路模型中相对应的用电设备处的输入电压和输出电流相等，并建立所述城市输气管网中各个供气站点处输气用管道内的压力的数学模型

其中，

P_X为输气用管道内与该管道起点之间的直线距离为X处的压力，

P表示与所述供气站点对应的用电设备的有功功率，

R为所述用电设备的内阻，

Z₀为电路模型的阻抗，Z₀＝R+R_r，且Z₀＞＞R，R_r为所述电路模型中的可调电阻的阻值；

步骤S5、根据所述步骤S4中建立的数学模型模拟计算出所述城市输气管网中各个供气站点处出口流量，且输气用管道内的起点压力P_Q和输气用管道内的终点压力P_Z均小于所述管道的极限承载压力。

采用该城市输气管网供气能力模拟方法可直接模拟得出城市输气管网的供气能力。这样，本领域技术人员可根据模拟结果对城市输气管网进行局部改造，打通城市输气管网的输配瓶颈，从而提高城市输气管网的输气能力。另外，在进行输气前，先利用该城市输气管网供气能力模拟方法模拟得出该城市输气管网的供气能力，可避免因输气压力和输气流量超出城市输气管网的极限承载能力导致安全事故发生，从而可保证输气的安全性和高效性。

优选地，在所述步骤S1中，利用SCADA系统采集所述城市输气管网中供气站点处的输配气体的数据和环境温湿度，利用GIS燃气管网图档系统采集所述城市输气管网中的供气站点处的阀门位置。这样，利用现有的SCADA系统采集输配气体的数据和环境温湿度，利用现有GIS燃气管网图档系统采集供气站点的阀门位置，可大大降低数据采集成本，进而降低模拟得出城市输气管网供气能力的成本。

优选地，在所述步骤S2中，所述瞬时现状供气分析拓扑图中的供气站点处标示有该供气站点处的入口压力、出口压力和出口流量。这样，可直观的读出城市输气管网中各个供气站点处的入口压力、出口压力及出口流量，便于后续操作建立电路模型。

优选地，所述电路仿真软件为Multisim软件，建立电路模型操作简单方便，且可直接对建立的电路模型进行仿真试验。

优选地，所述用电设备可选用电灯泡。

本发明还提出一种城市输气管网供气能力模拟系统，该城市输气管网供气能力模拟系统采用上述任意一种城市输气管网供气能力模拟方法模拟得出所述城市输气管网的供气能力。这样，本领域的技术人员可直接利用该城市输气管网供气能力模拟系统模拟得出城市输气管网的供气能力。

附图说明

图1为选取的区域输气管网的管线分布示意图；

图2为根据图1建立的区域输气管网的瞬时现状供气分析拓扑图；

图3为根据图2建立的电路模型。

具体实施方式

下面，结合图1-3，对本发明城市输气管网供气能力模拟方法及模拟系统进行详细说明。

以图1所示的区域输气管网为例，采集该区域输气管网中各个供气站点处的输配气体的数据、环境温湿度和阀门位置。其中，输配气体的数据包括输配气体进入供气站点时的入口压力，输配气体从供气站点流出时的出口压力和出口流量，以及输配气体的比重、热值和组成成分。优选地，利用SCADA系统采集区域输气管网中各个供气站点处的输配气体的数据和环境温湿度，利用GIS燃气管网图档系统采集区域输气管网中的各个供气站点处的阀门位置。这样，利用现有的SCADA系统采集输配气体的数据和环境温湿度，利用现有GIS燃气管网图档系统采集供气站点的阀门位置，可大大降低数据采集成本，进而降低模拟得出城市输气管网供气能力的成本。

根据采集到的数据以及图1所示区域输气管网中的管线的分布图建立如图2所示瞬时现状供气分析拓扑图，该瞬时现状供气分析拓扑图用于显示输配气体在图1中的区域输气管网中的输送状态。优选地，在瞬时现状供气分析拓扑图中的各个供气站点处标示出输配气体在各个供气站点处的入口压力、出口压力和出口流量。这样，可直观的读出城市输气管网中各个供气站点处的入口压力、出口压力及出口流量，便于后续操作建立电路模型。

根据图2所示的瞬时现状供气分析拓扑图在电路仿真软件中建立如图3所示的电路模型，该电路模型中的用电设备代表供气站点，可调电阻代表供气站点处的阀门，连接电路和位于连接电路上的电路开关代表连接区域输气管网中的各个供气站点用的管道，位于连接电路上的固定电阻代表管道的管径损耗，用电设备处的输入电压代表对应的供气站点处的入口压力和出口压力的差值，用电设备处的输出电流代表对应供气站点处的出口流量。优选地，电路仿真软件采用Multisim软件，该电路仿真软件建立电路模型操作简单方便，且可直接对建立的电路模型进行仿真试验。优选地，在对电路模型进行仿真验证时，从采集到的多组数据中，选取70％的数据进行仿真试验，并利用剩余的30％的数据对仿真结果进行验证，以提高仿真得出的模型参数的准确性。

利用电路仿真软件对电路模型进行仿真试验，在仿真试验过程中，利用电路开关控制电路的通断，并通过调节可调电阻的阻值来调节用电设备处的模拟输入电压和模拟输出电流，直至用电设备处的模拟输入电压和模拟输出电流与电路模型中相对应的用电设备处的输入电压和输出电流相等，并建立城市输气管网中各个供气站点处输气用管道内的压力的数学模型。建立该数学模型的具体过程如下：

首先，根据输气用的管道的极限承载压力计算出管道的最大输气量，以判断气体输配操作是否在允许范围内。

根据潘汉德尔B公式可知，

其中，

Q_V为气体在压力为0.0101325MPa、温度为293.15K时的流量，

E为输气用的管道的效率系数，且当管道的公称直径在0.300～0.800m范围内时，E为0.8～0.9，当管道的公称直径大于0.800m时，E为0.91～0.94，

D为输气用的管道的内径，

P_Q为输气用管道内的起点压力，

P_Z为输气用管道内的终点压力

Z为天然气压缩因子，计算根据AGA8-92DC进行计算得到，

△为天然气的相对密度，

T为天然气温度，单位为K；

L为输气用管道的的长度。

为了简化计算过程，采用相同时刻输气用的管道内天然气的流量进行计算。在输气用管道停止输气时，由于位于高压段的天然气逐渐流向低压端，故管道内的起点压力逐渐下降，终点压力逐渐上升，直至全线达到某一压力值，即平均值。由于输气用管道内与该管道起点之间的直线距离为X处的压力为P_X，且

其中，

L为输气用管道的长度。

然后，根据欧姆定律可知，在直流电中，当知道电压、电流和电阻三个量中的两个时，可计算出第三个量。在交流电中，欧姆定律同样成立，此时，

其中，I为电流，U为输入电压，K为电路阻抗。

在电路中，电源的总功率包括电阻的有功功率P和电感的无功功率Q，其中，总功率称为视在功率，表示符号为S，单位为V·A(伏安)，且视在功率S与有功功率P和无功功率Q之间的关系如下：

有功功率在视在功率中的占有比例称为功率因数，表示符号为cosφ

其中，

R为用电设备的内阻，

Z₀为电路模型的阻抗，Z₀＝R+R_r，且Z₀＞＞R，R_r为电路模型中的可调电阻的阻值。

由于cosφ的取值范围为0到1，且取值越大，说明有功功率P占视在功率S的比例越大，也说明电能的利用率越高。而无功功率只是电阻与电源交换能量，而不是将电能转换为其他可用能量，且交换能量的电流在电路中流动，在电路的电阻上转化为热量而消耗掉一部分电能，造成电能的浪费，因此，无功功率越小越好。

最后，对公式(2)两边平方可得：

则

令P_Q＝S则

即必定存在

令

若P＝P_A,则Q＝P_X

则

两边平方得：

整理上式(9)得：

在利用电路仿真软件建立电路模型时，可选用电灯泡作为用电设备，此时，可将电灯泡的瓦数视为电灯泡的有功功率。

根据建立的数学模型模拟计算出区域输气管网中各个供气站点处出口流量，且P_Q和P_Z均小于管道的极限承载压力。

采用该城市输气管网供气能力模拟方法可直接模拟得出城市输气管网的供气能力。这样，本领域技术人员可根据模拟结果对城市输气管网进行局部改造，打通城市输气管网的输配瓶颈，从而提高城市输气管网的输气能力。另外，在进行输气前，先利用该城市输气管网供气能力模拟方法模拟得出该城市输气管网的供气能力，可避免因输气压力和输气流量超出城市输气管网的极限承载能力导致安全事故发生，从而可保证输气的安全性和高效性。

另外，本发明还提出一种城市输气管网供气能力模拟系统，该城市输气管网供气能力模拟系统采用上述城市输气管网供气能力模拟方法模拟得出城市输气管网的供气能力。这样，本领域的技术人员可直接利用该城市输气管网供气能力模拟系统模拟得出城市输气管网的供气能力。

Claims (6)

1.一种城市输气管网供气能力模拟方法，其特征在于，该城市输气管网供气能力模拟方法包括如下步骤：

步骤S1、采集所述城市输气管网中的供气站点处的输配气体的数据、环境温湿度和阀门位置，所述输配气体的数据包括入口压力、出口压力、出口流量、输配气体的比重、输配气体的热值和输配气体的组成成分；

步骤S2、根据所述步骤S1中采集到的数据以及所述城市输气管网中的管线的分布图建立用于显示输配气体在所述城市输气管网中的输送状态的瞬时现状供气分析拓扑图；

步骤S3、根据所述瞬时现状供气分析拓扑图在电路仿真软件建立电路模型，该电路模型中的用电设备代表所述供气站点，可调电阻代表所述供气站点处的阀门，连接电路和位于所述连接电路上的电路开关代表连接所述城市输气管网中的供气站点用的管道，位于所述连接电路上的固定电阻代表所述管道的管径损耗，所述用电设备处的输入电压代表所述供气站点处的入口压力和出口压力的差值，所述用电设备处的输出电流代表所述供气站点处的出口流量；

步骤S4、利用所述电路仿真软件对所述电路模型进行仿真试验，在仿真试验过程中，利用所述电路开关控制电路的通断，并通过调节所述可调电阻的阻值来调节所述用电设备处的模拟输入电压和模拟输出电流，直至所述用电设备处的模拟输入电压和模拟输出电流与所述电路模型中相对应的用电设备处的输入电压和输出电流相等，并建立所述城市输气管网中各个供气站点处输气用管道内的压力的数学模型

其中，

P_X为输气用管道内与该管道起点之间的直线距离为X处的压力，

P表示与所述供气站点对应的用电设备的有功功率，

R为所述用电设备的内阻，

Z₀为电路模型的阻抗，Z₀＝R+R_r，且Z₀＞＞R，R_r为所述电路模型中的可调电阻的阻值；

步骤S5、根据所述步骤S4中建立的数学模型模拟计算出所述城市输气管网中各个供气站点处出口流量，且输气用管道内的起点压力P_Q和输气用管道内的终点压力P_Z均小于所述管道的极限承载压力。

2.根据权利要求1所述的城市输气管网供气能力模拟方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用SCADA系统采集所述城市输气管网中供气站点处的输配气体的和环境温湿度，利用GIS燃气管网图档系统采集所述城市输气管网中的供气站点处的阀门位置。

3.根据权利要求2所述的城市输气管网供气能力模拟方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述瞬时现状供气分析拓扑图中的供气站点处标示有该供气站点处的入口压力、出口压力和出口流量。

4.根据权利要求3所述的城市输气管网供气能力模拟方法，其特征在于，所述电路仿真软件为Multisim软件。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的城市输气管网供气能力模拟方法，其特征在于，所述用电设备可选用电灯泡。

6.一种城市输气管网供气能力模拟系统，其特征在于，该城市输气管网供气能力模拟系统采用权利要求1-5中任意一项所述的城市输气管网供气能力模拟方法模拟得出所述城市输气管网的供气能力。

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