CN109697308B - 一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法，包括：根据流体传输延迟特性，提出输气网络传输延时时长的计算方法；根据天然气输气延时特性，建立了考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型，通过构造具有即插即用特性的虚拟元件“延时能量偏差器”量化说明延时对于输气管网的影响效应，包括管网压力分布与官网管存偏差；根据考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型，提出了计及管网衰减延时的天然气输气网络能量流稳态求解算法；本发明有助于包含长距离输气网络的综合能源系统建模工作，所构造的延时能量偏差器可作为单独组件加入到综合能源系统的模型库中，为综合能源系统协同规划、优化调度、安全性分析等的研究提供技术支撑。

Description

一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法

技术领域

本发明涉及天然气输气系统领域，综合能源系统领域，尤其涉及一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法。

背景技术

综合能源系统(integrated energy system,IES)是“互联网+”等先进理念在能源物理层面的具体体现，由于能量转设备的革新，生活生产方式的改变，可再生能源的大量渗透等原因，其已经成为了未来能源利用模式的主要发展趋势之一。其中天然气作为重要的一次能源，与电力系统联系最为紧密。一方面，天然气系统的动态特性对电力系统的稳态运行带来了不确定性，另一方面，天然气系统也对电力系统具有调频调压、削峰填谷的积极作用。在跨区域综合能源系统中，远距离传输使得流体系统具有显著的时间延迟特性。这对综合能源系统的稳态模型产生了重大影响，传统的多能流模型亟待精准化建模方法的改进。输电系统稳态模型已相对成熟，而输气网络的流体特性研究尚不充足。

在传统天然气系统相关研究中，对于大时间尺度上的研究，往往没有考虑电力、天然气传输速率的差异。天然气输气网络作为区域之间传输天然气的载体，在时间尺度上具有网络惯性较大，调节较慢的特性。而在暂态层面上的研究，大多数研究考虑了在暂态层面动态特性本身所带来的影响，虽然可以获得较为精确的天然气数据，但是所构建的模型较为复杂，对于日内时间尺度的优化调度等问题而言，求解耗时也较长。并且当管道网络状态改变时，相较于在两个稳态之间的变化过程，变化的结果是在进行调度分析时更被看重考虑的。因此，如何兼顾精准性与求解的快速便捷，在稳态层面上研究传输延时对于输气系统在日内时间尺度上的影响效应，为考虑天然气输气网络延时特性的电-气综合能源系统稳态分析奠定流体系统模型的基础还有待研究。

发明内容

本发明基于构造即插即用的虚拟元件提供了一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法，以实现对天然气输气网络延时特性的研究，为考虑天然气输气网络延时特性的电-气综合能源系统稳态分析奠定流体系统模型的基础，详见下文描述：

一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法，所述方法包括以下步骤：

根据流体传输延迟特性，提出输气网络传输延时时长的计算公式；

根据天然气输气延时特性，建立了考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型，通过构造具有即插即用特性的虚拟元件“延时能量偏差器”量化说明延时对输气管网的影响效应，包括管网压力分布与官网管存偏差；

获取考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型，并提出了计及管网衰减延时的天然气输气网络能量流稳态求解。

其中，所述传输延时时长的计算公式为：

式中：fⁱ表示管段在考虑延时下第i个时间节点的已有流量，

表示管段在第i+1个时间节点的稳态流量，D_ij表示管段直径，τ’是管段ij所连接流入的上一个管段的延时值。

进一步，所述考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型：

由传统计及压缩机的稳态天然气潮流计算部分与延时能量偏差器部分组成。

其中，所述传统计及压缩机的稳态天然气潮流计算部分表示为：

式中：p_i与p_j为节点压力，D为管道的直径，L为管道的长度，SG为天然气比重值，E_f是管道的效率系数，Q为管段的流量值。

具体实现时，所述延时能量偏差器部分由传输延时模块与能量偏差检测模块组成。

进一步地，所述传输延时模块表示为：

式中：

表示第i+1个时间节点的延时压力值，

表示节点第i个时间节点的延时压力值，

表示稳态下第i+1个时间节点的节点压力值，max(τ_j)为向节点j所注入天然气的所有管道延时值的最大值。

其中，所述能量偏差检测模块由以下参数组成：

式中：i表示时间节点，k表示管段编号，GCV表示总热值，A表示管段横截面积，c表示声速，ρ为天然气密度，

为管段的稳态管存能量，

为管段的延时管存能量，L为管段长度，p_in为管段入端压力值，p_out为管段出口端压力值，τ为传输延时时长，Δt为调度时间间隔长度，

为稳态下全管网的管存能量，

为需要计及延时的管段的稳态管存能量，

为需要计及延时的管段的延时管存能量。

具体实现时，所述计及管网衰减延时的天然气输气网络能量流稳态求解具体为：

(1)考虑压缩机的情况下，采用牛顿节点法计算管网中每一个节点在时刻i下的初始压力稳态值与第i+1时间节点对应的压力稳态值，并计算网络对应流量；

(2)从气源节点开始，依照流量的流向，依照传输延时时长公式依次计算管网中每一个管段的延时值并与调度时间间隔对比，筛选出需要考虑延时的管段；

(3)接入延时能量偏差器，传输延时模块对所有节点的压力值进行更新，即为第i+1时间节点的延时压力值，并计算管网此时的流量分布；

(4)传送相关数据，能量偏差检测模块检测计算管网能量偏差，输出管网能量偏差率；

(5)将延时流量作为第i+2时刻下管段的输入流量，输出流量为第i+2时刻下的稳态流量，返回步骤(2)循环计算，直到最后一个时刻。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明的计算量与计算难度相较于暂态模型的求解差分方程的过程明显降低；而相较于传统稳态计算方法，本发明的模型考虑了延时这一在日内时间尺度上不可忽略的因素，故而精确性更高；

2、本发明有助于包含长距离输气网络的综合能源系统建模工作，构造了具有即插即用特性的虚拟元件“延时能量偏差器”可作为单独组件加入到综合能源系统的模型库中；

3、在后续的综合能源系统相关研究中，当考虑到天然气输气系统的延时特性时，直接将延时能量偏差器接在天然气系统模型中即可计及延时所带来的影响，可以为综合能源系统协同规划、优化调度、安全性分析等的精准化研究提供技术支撑。

附图说明

图1为天然气管网延时示意图；

图2为延时能量偏差器；

图3为计及管网衰减延时的能量流稳态求解算法的流程图；

图4为天然气输气管网的结构图；

图5为各节点延时值(12:00时刻下)的示意图；

图6为节点7计及延时前后的压力对比图；

图7为节点压力偏差率的示意图；

图8为延时能量偏差器在不同管网管径下的输出对比示意图；

图9为延时能量偏差器在不同气质下输出对比示意图；

图10为延时能量偏差器在不同调度间隔下放置对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

为考虑天然气输气网络延时特性的电-气综合能源系统稳态分析奠定流体系统模型的基础，本发明实施例提供了一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法，参见图1-图3，详见下文描述：

101：根据流体传输延迟特性，提出输气网络传输延时时长的计算公式；

102：根据天然气输气延时特性，建立了考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型，通过构造具有即插即用特性的虚拟元件“延时能量偏差器”量化说明延时对输气管网的影响效应，包括管网压力分布与官网管存偏差；

103：获取考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型，并提出了计及管网衰减延时的天然气输气网络能量流稳态求解。

综上所述，本发明实施例有助于包含长距离输气网络的综合能源系统建模工作，构造了具有即插即用特性的虚拟元件“延时能量偏差器”可作为单独组件加入到综合能源系统的模型库中。

实施例2

下面结合图1-图3、计算公式、以及实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：对天然气输气网络传输延时特性进行分析，提出延时时长的计算方法；

在天然气管网的传输中，由于天然气的慢特性与管道的长度影响，通常会有数分钟到数小时的延迟，假设流量的变化是线性的，通过线性化分析，类比热网传输延时示意图，天然气输气网络延时模型绘制如图1所示。

一段输气管道的首末端的流量势必不同。在日内调度的过程中，第i个调度时刻和第i+1个调度时刻之间的时间间隔通常在半小时到一小时之间，那么延时的时间将不可被忽略，因此传统的稳态潮流计算方法将不再适用。

管段在两个状态之间对应的延时τ的计算如下，即为延时时长的计算公式：

式中：fⁱ表示管段在考虑延时下第i个时间节点的已有流量，

表示管段在第i+1个时间节点的稳态流量，D_ij表示管段直径，τ’是管段ij所连接流入的上一个管段的延时值。如果有多个管段流入节点i，则τ’为多个管段延时的平均值。

202：建立了考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态模型，其中构建了具有即插即用特性的虚拟元件“延时能量偏差器”以量化说明延时对于输气网络管存能量等特性的影响效应；

传统计及压缩机的稳态天然气潮流计算表示为公式(2)，所用方法为牛顿-拉弗逊法：

式中：p_i与p_j为节点压力(bar)，D为管道的直径(mm)，L为管道的长度(m)，SG为天然气比重值，E_f是管道的效率系数，典型值为0.92。

为了升高天然气管网压力，会在天然气管网中布置一定的加压站，加压中主要装置为天然气压缩机，其消耗的流量可以等效为加压站的气负荷，采用下列方程进行分析，其中式(3)为压缩机功率方程。

R_kij＝p_j/p_i   (4)

式中：H_kij表示压缩机所需功率(W)，pⁱⁿ和p^out为压缩机的出口与入口压力(Bar)，η为压缩机的效率，fⁱⁿ为流经压缩机管道的流量(m³/s)，为多变指数；式(4)中R_kij为压缩比，压缩机运行需要额外的功率，当该部分功率由天然气通过燃气轮机提供时，所消耗的天然气流量即为式(5)中的τ，α、β、γ表示燃气轮机燃料比率系数，压缩机运行所需功率也可由电网提供。

考虑到天然气的慢动态特性，天然气可以部分存储在管道之中，管网中所有管段存储的天然气之和就是管存。它是影响向负荷节点供应天然气能力的关键因素之一，也是反映管网能量储备的指标之一。

管段能量计算公式如下：

式中：i表示时间节点，k表示管段编号，GCV(gross calorific value)表示总热值(MJ/m³)，A表示管段横截面积(m³)，c表示声速，ρ为天然气密度，

为管段的稳态管存能量，

为管段的延时管存能量，L为管段长度(m)，p_in为管段入端压力值(bar)，p_out为管段出口端压力值(bar)，Δt为调度时间间隔长度(s)。

为了方便且准确的描述延时这一现象对于天然气管网在日内时间尺度仿真分析上的影响与天然气能量流由此而导致的偏差，本发明实施例构建了虚拟元件“延时能量偏差器”，如图2所示。图2中λ为管网的能量偏差率，TD(time delay)表示传输延时模块，n表示虚拟加装TD的管道数量，ED(energy detection)表示能量偏差检测模块，ES(energyshift)表示能量偏差计算环节。

延时能量偏差器由TD与ED两个模块组成，首先应用延时计算公式，即公式1，对全管网进行传输延时计算并与调度时间间隔对比，筛选出需要考虑延时的管段。TD模块虚拟加装在所有延时有影响的管段之上，数量为n，ED模块虚拟检测整个管网，数量为1。

TD反映了延时是如何对管网的压力分布产生的影响，其中串联环节为延时比例衰减环节，并联环节为延时分流环节，原压力计算如下式：

TD提取的延时压力计算如下式：

式中：y表示管道压力平方的差与流量的比值系数，

表示第i+1个时间节点的延时压力值，

表示节点第i个时间节点的延时压力值，

表示稳态下第i+1个时间节点的节点压力值，max(τ_j)为向节点j所注入天然气的所有管道延时值的最大值，

为表示第i+1个时间节点的不计及延时的稳态压力值，Q为管段的流量值。

ED通过管网延时后的能量偏差率反映了延时的影响，其由ES组成，提取计算过程如下式：

式中：

为稳态下全管网的管存能量，

为需要计及延时的管段的稳态管存能量，

为需要计及延时的管段的延时管存能量。

延时能量偏差器工作过程为：首先将延时值传送给延时比例衰减环节与延时分流环节，TD将传输延时所带来的潮流分布变化经由网络压力量化。最后，偏差器采集计及延时管段的稳态能量数值、全管网稳态能量数值、各管段计及延时的入口压力与出口压力等数据，ED经由ES计算出管网的能量偏差率并输出。由此，延时能量偏差器可以便捷而准确的描述传输延时所带来的对管网能量储备的影响。

203：提出了计及管网衰减延时的天然气输气网络能量流稳态求解算法对计及延时的输气管网稳态模型进行求解分析。

本发明实施例首先建立了考虑延时影响的天然气系统(natural gas system,NGS)稳态模型，天然气系统取节点压力、管段分段流量作为状态变量。将稳态压力分布计算作为初始时刻天然气系统的压力初值，并以此计算流量初值，具体的算法步骤如下所示，算法流程图如图3所示。

(1)考虑压缩机的情况下，采用牛顿节点法计算管网中每一个节点在时刻i下的初始压力稳态值与第i+1时间节点对应的压力稳态值，并计算网络对应流量；

(2)从气源节点开始，依照流量的流向，依照式(1)依次计算管网中每一个管段的延时值并与调度时间间隔对比，筛选出需要考虑延时的管段；

(3)接入延时能量偏差器，TD对所有节点的压力值进行更新，即为第i+1时间节点的延时压力值，并计算管网此时的流量分布；

(4)传送相关数据，ED检测计算管网能量偏差，输出管网能量偏差率。

(5)将延时流量作为第i+2时刻下管段的输入流量，输出流量为第i+2时刻下的稳态流量，返回步骤(2)循环计算，直到最后一个时刻。

综上所述，本发明实施例基于构造即插即用的虚拟元件提供了一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法，以实现对天然气输气网络延时特性的研究，为考虑天然气输气网络延时特性的电-气综合能源系统稳态分析奠定流体系统模型的基础。

实施例3

下面以具体的实验来验证本发明实施例提供的优化方法的可行性，详见下文描述：

以文献《天然气-电力混合系统分析研究方法》(张义斌.天然气-电力混合系统分析方法研究[D].中国电力科学院)中输气22节点管网为算例，结果如图4所示，验证了本方法的有效性并对模型特性做分析研究。图4中节点1为气源点，压力恒定为39.21bar，节点5、13、16处有压缩机，节点23、24、25为压缩机出口节点，设压缩机出口压力恒定，为39.21bar，出口节点可以看成管网的一个气源。调度时间间隔设为1800秒，气质比重为0.589。通过计算仿真时段内所有管段的延时值并与调度间隔对比，含有偏差器TD模块的管段即为图中点划线所示的管段，在日内调度等工作中需要计及延时的影响。

从图5可以看出在计及延时的时候，当前算法下，节点的过渡时间最长可以达到7800s左右，这对于调度而言是不得不考虑的一个问题。本算例中半小时为一次调度间隔，则有10个节点受到延时的影响，不能完全过渡到另一个稳态。

节点7计及延时与否的压力对比如图6所示，在节点压力的算法上有大约0.05bar的差值。这说明当负荷改变时，在小时时间尺度上延时对管网的压力分布是有一定影响的。同时计及延时后压力的变化将比不计及延时更加平滑，这是因为管网没有完全实现过渡，负荷变化带来的压力更新始终处于一个更狭窄的区间。

图7中是节点6、10、21、18、8、15和16较稳态时的压力偏差率，其中，节点6、10、21、18、8、15和16距离最近的气源点距离分别为：60km、60km、90km、122km、135km、140km、225km。在100km这个距离程度上，延时确实对各个节点的压力更新有影响，但是从图7中可见，这种影响在一定范围之内。因为在负荷变化之下，两个稳态之间的压力差本身并不大，这样虽然大多数节点的延时长度可以达到2个调度间隔之久，对节点压力的更新的影响并不是十分巨大。而节点16距离最近的气源点的管段距离为225km，可以看出，在这个距离层面上，延时的影响已经十分显著，偏差率可以达到±1％的地步，这样，延时的影响将不可被忽略。

从图8中可以看出，在算法收敛范围内，管径越大，延时能量偏差器所表达的能量偏差就越小，且正负包络线近似为开口向上的二次曲线。考虑延时的情况下，管网管径适当增加有助于降低管网的能量偏差。这是因为随着管径的增加，管网首末的压力之和更偏向于稳态值，从而令偏差上下限更接近于0。

不同的天然气气质对管存所蕴含的总热值有一定的影响。虚拟元件输出数据可以直观地描述这种影响。当气源中心天然气的气质改变时，比如在传统天然气之中注入一定比例的氢气或者高比例CH₄的沼气，其对应的GCV与SG等参数数值将下降。此时调整输入“延时能量偏差器”的参数，经由偏移器对管网能量的对比，可以很方便的得到考虑管网延时的情境下能量储备的偏差，如图9所示。

从图9中可以看出，建立的虚拟元件模型直观的描述出了气质对于能量偏差的改变。天然气的比重SG与管网能量偏差率的限值大小呈正相关关系，正负包络线是直线。在考虑延时的场景中，天然气气源中混入一定比例的氢气或者沼气将使得天然气系统的能量偏差现象减弱。这是因为当SG减少时，意味着天然气的密度下降，管网首末压力之和更接近于传统稳态的值，从而在“延时能量偏差器”的输出显示中，削弱了能量偏差。

改变调度间隔时间，将改变管网对于延时影响的容纳度，两者基本呈正相关的关系。对此的表现是延时能量偏差器的分布将发生一定的变化，如图10所示。

从图10中可以看出，当延时的标准放宽到8251s时，管网实际上不存在能量的偏差，所以不需要加装延时能量偏差器。当标准小于80s的时候，所有管段都存在或多或少的能量偏差，所以全管网都需要加装延时能量偏差器。而当延时标准在这两者之间的时候，虚拟元件的加装情况是从管网远端向压力恒定点蔓延的，这是因为当管段距离气源点越远，延时的影响越大，从而越容易达到加装延时能量偏差器的条件。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据流体传输延迟特性，提出输气网络传输延时时长的计算公式；

根据天然气输气延时特性，建立了考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型，通过构造具有即插即用特性的虚拟元件“延时能量偏差器”量化说明延时对输气管网的影响效应，包括管网压力分布与管网管存偏差；

获取考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型，并提出了计及管网衰减延时的天然气输气网络能量流稳态求解；

其中，

所述传输延时时长的计算公式为：

式中：fⁱ表示管段在考虑延时下第i个时间节点的已有流量，

表示管段在第i+1个时间节点的稳态流量，D_ij表示管段直径，τ’是管段ij所连接流入的上一个管段的延时值；如果有多个管段流入节点i，则τ’为多个管段延时的平均值；

所述延时能量偏差器部分由传输延时模块与能量偏差检测模块组成；

所述传输延时模块表示为：

式中：

表示第i+1个时间节点的延时压力值，

表示节点第i个时间节点的延时压力值，

表示稳态下第i+1个时间节点的节点压力值，max(τ_j)为向节点j所注入天然气的所有管道延时值的最大值；

所述能量偏差检测模块由以下参数组成：

式中：i表示时间节点，k表示管段编号，GCV表示总热值，A表示管段横截面积，c表示声速，ρ为天然气密度，

为管段的稳态管存能量，

为管段的延时管存能量，L为管段长度，p_in为管段入端压力值，p_out为管段出口端压力值，τ为传输延时时长，△t为调度时间间隔长度，

为稳态下全管网的管存能量；

所述计及管网衰减延时的天然气输气网络能量流稳态求解具体为：

(1)考虑压缩机的情况下，采用牛顿节点法计算管网中每一个节点在时刻i下的初始压力稳态值与第i+1时间节点对应的压力稳态值，并计算网络对应流量；

(2)从气源节点开始，依照流量的流向，依照传输延时时长公式依次计算管网中每一个管段的延时值并与调度时间间隔对比，筛选出需要考虑延时的管段；

(3)接入延时能量偏差器，传输延时模块对所有节点的压力值进行更新，即为第i+1时间节点的延时压力值，并计算管网此时的流量分布；

(4)传送相关数据，能量偏差检测模块检测计算管网能量偏差，输出管网能量偏差率；

(5)将延时流量作为第i+2时刻下管段的输入流量，输出流量为第i+2时刻下的稳态流量，返回步骤(2)循环计算，直到最后一个时刻。

2.根据权利要求1所述的一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法，其特征在于，所述考虑管网延时特性的天然气系统稳态模型：

由传统计及压缩机的稳态天然气潮流计算部分与延时能量偏差器部分组成。

3.根据权利要求书2所述的一种考虑管网延时特性的天然气输气系统稳态建模方法，其特征在于，所述传统计及压缩机的稳态天然气潮流计算部分表示为：

式中：p_i与p_j为节点压力，D为管道的直径，L为管道的长度，SG为天然气比重值，E_f是管道的效率系数，Q为管段的流量值。

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