CN110765622A - 一种天然气管道模型的能流获取系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种天然气管道模型的能流获取系统、设备及介质，包括：模型建立模块，所述模型建立模块用于对天然气网络中的元件进行建模；参数获取模块，所述参数获取模块用于根据所述模型建立模块中建立的模型获取天然气网络的拓扑网络及元件参数；能流计算模块；所述能流计算模块用于根据获取的所述拓扑网络及元件参数计算天然气管道中的能流系数。本申请基于天然气系统关键元件的稳态模型、气体的连续性、能量平衡及运动方程，对天然气系统建立动态模型。采用求解电力潮流的方法分析天然气系统潮流，当获知天然气系统各节点的压力时，即可确定整个天然气系统的潮流分布。

Description

一种天然气管道模型的能流获取系统、设备及介质

技术领域

本申请涉及天然气管道技术领域，尤其涉及一种天然气管道模型的能流获取系统、设备及介质。

背景技术

多能流系统的建模涉及对能量系统、网络、转换单元件等对象的数学、物理或逻辑的描述，仿真则是模型在计算机上随时间运行的手段和方法。模型是仿真的基础，主要包括物理模型和经济模型。前者针对多能流区域能源系统的能源资源，收集燃气轮机设备、光伏发电系统、电池储能系统、储冷储热设备、富余电能制氢设备、电动汽车充电管理、电力管网、热力管网以及天然气管网等物理模型。后者通过收集资料获得经济模型数据建立，包括不同类型系统或设备的投资、生命周期以及运维等数据，对应的系统或设备包括发电系统、储能、充电站、电热冷负荷设备以及电热气网络等经济数据。

在现有的技术当中，例如文献《Optimal Power Flow of Mutiple EnergyCarriers》中考虑了稳态电力网络和天然气网络的最优潮流问题对天然气系统进行了建模，只考虑了天然气在管道中气体静态方程，没有考虑天然气管道存储作用，进而不能兼顾该模型在多能流系统规划上的应用(过多布置储气设施)。文献《A Decomposed Solutionto Multiple-Energy Carriers Optimal Power Flow》把多能流问题分解为传统单能流问题，不能综合统一计算与分析方法。文献《区域综合能源系统电/气/热混合潮流算法研究》采用能源集线器模型，基于顺序求解法，为工程应用简化了计算过程，不能精确地反应元器件中的能流情况。

然而对于天然气管道气流的稳态模型以及管道存储模型，压缩机、储气设施等非管道元件的稳态模型建模因与传统的单一能流应用场景不同，目前还没有考虑多个能流应用场景的天然气管道模型。

发明内容

本申请实施例提供了一种天然气管道模型的能流获取系统、设备及介质，使得针对关键元器件进行精确建模，将天然气系统能流计算分析方法的向电力系统潮流运算的方法统一，同时兼顾该模型在多能流系统的运行及规划上的应用。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种天然气管道模型的能流获取系统，所述系统包括：

模型建立模块，所述模型建立模块用于对天然气网络中的元件进行建模；

参数获取模块，所述参数获取模块用于根据所述模型建立模块中建立的模型获取天然气网络的拓扑网络及元件参数；

能流计算模块；所述能流计算模块用于根据获取的所述拓扑网络及元件参数计算天然气管道中的能流系数。

优选地，所述模型建立模块包括：气体基本模型、管道稳态模型、压缩机稳态模型以及储气设施静态模型；

所述气体基本模型用于获取气体连续性、气体能量平衡模型以及气体运动模型；

所述管道稳态模型用于获取管道气体体积流量、管道储气量；

所述压缩机稳态模型用于获取天然气线路的潮流；

所述储气设施静态模型用于获取储气设施注气气量速度以及采气气量速度。

优选地，所述气体基本模型中获取气体连续性、气体能量平衡模型以及气体运动模型的公式为：

气体连续性：M＝Fwρ；

M＝M_o–mx；

式中，M为气体质量流量；F为输气管道流通面积；w为输气管道中的气体线速度，Mo表示在输气管起始截面处的气体质量流量；m表示单位时间内输气管单位长度上的气体质量；x表示输气管起点至所分析的截面之间的距离；

气体能量平衡模型：

其中，v为气体单位质量的容积；g为重力加速度；z为输气管道上进行分析的那一点的高程；D为输气管道的内径；P为气压；λ为水力摩阻系数；

气体运动模型：d(mv)＝∑N_idτ

式中，d(mv)表示动量的变化量；∑N_idτ表示流体方向上的冲量。

优选地，所述管道稳态模型中获取管道气体体积流量、管道储气量的公式为：

管道气体体积流量：

式中，G表示管道质量流量；D表示输气管道内径；P1表示输气管道起点压力；P2表示输气管道终点压力；L表示输气管道计算长度；Z表示气体压缩因子；T表示管内气体绝对温度；Rg表示管内气体常数；λ表示水力摩擦系数；

管道储气模型：

式中，V_e表示储气管道末端储气量，V表示出气管道容积；T₀表示天然气基准状态温度；P₀表示天然气基准状态压力；T_avt1和T_avt2分别表示储气开始、终了的天然气平均温度；P_avt1和P_avt2分别表示储气开始、终了时的平均压力，MPa；Z₁和Z₂分别表示在P_avt1和P_avt2下的压缩因子。

优选地，所述管道气体体积流量包括水平管道流量以及地形起伏地区的管道流量；

其中水平管道流量：

地形起伏地区的管道流量：

式中：Q表示气体体积流量；D表示管道内径，cm；P1和P2分别表示输气管道起点和终点压力；L表示管道长度；Δ表示天然气对空气的相对密度；E表示输气效率；Z表示气体压缩因子；a表示系数，a＝0.0683，Δ/T·Z；Δh表示管道起点和终点的高差，m；n表示管道沿线按高差划分的段数；h_i和h_i-1分别表示各管段起点和终点标高；L_i表示第i段管长。

优选地，所述压缩机稳态模型中获取天然气线路的潮流的公式为：

式中，G_nj,t表示在t时段从节点n到节点j的天然气潮流；p_n，t，p_i，t分别表示在t时段n节点的气压和i节点的气压；

是与节点i与节点j之间的线路上的加压站的相关的常系数。

优选地，所述储气设施静态模型中获取储气设施注气气量速度以及采气气量速度的公式为：

注气气量速度：

采气气量速度：

式中：P₁表示采气时井底压力，注气时进口压力；P₂表示采气时井口压力，注气时井底压力；H表示井深；D表示井筒内径；λ表示水力摩擦系数；T表示气井中气体的温度；a表示参数；Δ表示气体的相对密度；R_g表示空气的气体常数；C表示常数，其值视所采用的单位确定。

优选地，所述计算能流系数的计算公式包括：

运动方程：

连续性方程：

状态方程：P＝ZρRT；

其中，ω表示燃气速度；ρ表示燃气密度；ρ_a表示空气密度；P表示燃气压力；t表示时间；x表示管道轴向坐标；g表示重力加速度；a表示管道与水平面夹角；λ表示管道摩阻系数；D表示管道直径m；Z表示压缩因子；T表示燃气温度；R表示气体常数。

本申请第二方面提供一种天然气管道模型的能流获取设备，所述设备包括：设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行如上述第一方面所述的天然气管道模型的能流获取系统中的计算模型。

本申请第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述第一方面所述的系统中的计算模型。

从以上技术方案可以看出，本申请公开了一种天然气管道模型的能流获取系统，包括：模型建立模块，所述模型建立模块用于对天然气网络中的元件进行建模；参数获取模块，所述参数获取模块用于根据所述模型建立模块中建立的模型获取天然气网络的拓扑网络及元件参数；能流计算模块；所述能流计算模块用于根据获取的所述拓扑网络及元件参数计算天然气管道中的能流系数。

本申请通过建立天然气网络中的多个元件的模型，将天然气系统能流计算分析方法的向电力系统潮流运算的方法统一，能够同时兼顾该模型在多能流系统的运行及规划上的应用。

附图说明

图1为本申请一种天然气管道模型的能流获取系统的一个实施例的系统架构图；

图2为本申请一种天然气管道模型的能流获取系统的另一个实施例的系统架构图；

图3为本申请一种天然气管道模型的能流获取系统的一个实施例中天然气传输线路模型示意图。

具体实施方式

多能流系统的建模涉及对能量系统、网络、转换单元件等对象的数学、物理或逻辑的描述，仿真则是模型在计算机上随时间运行的手段和方法。模型是仿真的基础，主要包括物理模型和经济模型。前者针对多能流区域能源系统的能源资源，收集燃气轮机设备、光伏发电系统、电池储能系统、储冷储热设备、富余电能制氢设备、电动汽车充电管理、电力管网、热力管网以及天然气管网等物理模型。后者通过收集资料获得经济模型数据建立，包括不同类型系统或设备的投资、生命周期以及运维等数据，对应的系统或设备包括发电系统、储能、充电站、电热冷负荷设备以及电热气网络等经济数据。

本申请针对多能流系统中的天然气系统，建立天然气管道的稳态模型及其能流计算方法。

在某一时间段内，流入管道(起点)的流量和流出管道(终点)的流量是相等的、不随时间变化的，起点和终点的压力也是稳定的、不随时间变化的，且是等温过程(即管道内天然气与外界没有热交换产生)，此时的天然气网处于稳态，它的模型即为稳态模型。

传统天然气网主要包括天然气井、管道、加压站、储气罐、调压阀和阀门。天然气由气井进入管道，通过管网被输送至用户。通过控制管网中不同节点的压力和调压阀或者阀门阀芯位置来调节天然气的流量。加压站的主要元件为压缩机，主要用于当天然气在输送过程中会因为管壁摩擦等原因造成压力损失时，对管道内的气体进行增压。

而本申请主要对建立了天然气网中的气体、管道、加压站(压缩机)、储气罐的稳态分析模型。

气体在管道中流动可视为一元流动。由于气体的运动必然满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，故由流体力学可建立气体流动相应的连续性方程、能量平衡方程和运动方程。这些方程描述了气体的压力、密度、流速和温度等量之间的关系。

天然气管道稳态分析模型用于描述天然气网络中节点压力和管道流量所满足的关系。管道流过的天然气流量受许多因素的影响，其中最主要的因素是包括天然气管道长度、内径、摩擦系数、环境温度、海拔、两端气压等。且由于天然气管道流量与上述因素之间存在复杂的非线性关系，增加了天然气系统建模的难度。

由于管道内摩擦阻力的存在，即会产生传输损耗从而导致一定的压力损失。为保证天然气管网长距离输送能量的可靠性，网络中还需装设一定的加压站以补偿摩擦引起的压力损失。加压站通常由发电机、燃气轮机、压缩机构成，通过对管道中的天然气加压来抵消输送过程中消耗的压力。

储气设施必须控制注采气的速度，一般来说，生产运行时的注采气初期，储气设施的压力变化较快，后趋平稳，因此应延长注采气周期，短期内的注采气必定产生大的压降漏斗。同时，采气时间越短，储气设施单位费用越高，对于构造和储气量不变的储气设施，短时间的采气，必须增加采气井的数量。特别是时对于储层较平的构造，重力不起作用，注气就更不能太快，避免气体溢失。但由于建造储气设施的目的就是进行城市的调峰用气，这有要求高的注采气速度，因此确定最佳的注采气速度，在储气设施规划设计时十分必要。

因此，本申请主要针对关键元器件包括气体、管道、加压站(压缩机)、储气罐进行精确建模，将天然气系统能流计算分析方法的向电力系统潮流运算的方法统一，并根据建立的稳态模型提出其能流计算方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1，图1为本申请一种天然气管道模型的能流获取系统的一个实施例的系统架构图，如图1所示，图1中包括：

模型建立模块101，用于对天然气网络中的元件进行建模。

需要说明的是，本申请首先对天然气网络中的各个元件进行建模，这些元件可以是天然气井、管道、加压站、储气罐、调压阀和阀门，通过建模确定各元件中相关参数之间的关系。

参数获取模块102，用于根据模型建立模块中建立的模型获取天然气网络的拓扑网络及元件参数。

需要说明的是，建立各元件的模型之后，通过获取到各元件中给定的相关参数带入到模型中计算得到各元件节点的气流或者压强等参数。

能流计算模块103；用于根据获取的拓扑网络及元件参数计算天然气管道中的能流系数。

需要说明的是，通过获取到各元件节点的的气流流速或者压强可以求解得到拓扑网络中未知节点的相关参数，其参数可以是气流流速或者压强。

本申请提供了一种天然气管道模型的能流获取系统，通过建立天然气网络中的多个元件的模型，将天然气系统能流计算分析方法的向电力系统潮流运算的方法统一，能够同时兼顾该模型在多能流系统的运行及规划上的应用。

为了更清楚地理解本申请的技术方案，请参阅图2，图2为本申请实施例一种天然气管道模型的能流获取系统的另一个实施例的系统架构图；如图2所示，具体包括：

模型建立模块201，用于对天然气网络中的元件进行建模。

需要说明的是，本申请首先对天然气网络中的各个元件进行建模，这些元件可以是天然气井、管道、加压站、储气罐、调压阀和阀门，通过建模确定各元件中相关参数之间的关系。

在具体的一个实施例中，模型建立模块201还包括气体基本模型2011、管道稳态模型2012、压缩机稳态模型2013以及储气设施静态模型2014；

气体基本模型2011用于获取气体连续性、气体能量平衡模型以及气体运动模型。

需要说明的是，其中气体连续性方程具体为：单位时间内，通过输气管横截面的气体量等于体积流量乘以气体的密度ρ：

M＝Fwρ

式中：M为气体质量流量；F为输气管道流通面积；w为输气管道中的气体线速度。此方程适用于沿线无气体分出或流入的低压、中压和高压输气管。

为解决沿线连续分气的输气管的计算问题，必须列出气体平衡方程。在均匀分气的情况下，气体质量平衡方程如下：

M＝Mo–mx

式中：Mo表示在输气管起始截面处的气体质量流量；m表示单位分气量(单位时间内输气管单位长度上的气体质量)；x表示输气管起点至所分析的截面之间的距离。

气体能量平衡模型为：

式中：v为比容(气体单位质量的容积)；g为重力加速度；z为输气管道上进行分析的那一点的高程；D为输气管道的内径；P为气压；λ为水力摩阻系数。

该式的左边表示当气体从一个压力区移向另一个压力区时的气体势功，势功消耗于气体线速度的变化、气体的上升、以及克服输气管中的水力摩阻。

应用关系式：

把公式转换为如下形式：

式中：α表示科里奥利斯系数，对层流α＝2；对紊流α＝1.1。该式的每一项都是比功：第一项为压力变化功；第二项为气体变化所必要的比功；第三项为消耗于克服水力摩阻的比功。此公式就是气体在稳定流动时以微分形式表示的能量平衡方程，它对可压缩的气体和不可压缩的气体都是正确的。

气体运动模型为：d(mv)＝∑N_idτ

式中：d(mv)表示动量的变化量；∑N_idτ表示流体方向上的冲量(力的作用对时间的累积效果)。

管道稳态模型2012用于获取管道气体体积流量、管道储气量。

需要说明的是，其中管道气体体积流量为：

式中：G表示管道质量流量，kg/s；D表示输气管道内径，m；P₁表示输气管道起点压力，Pa；P₂表示输气管道终点压力，Pa；L表示输气管道计算长度，m；Z表示气体压缩因子；T表示管内气体绝对温度，K；Rg表示管内气体常数，J(kg·K)；λ表示水力摩擦系数。

要使理论公式能实际应用，还必须求得水力摩擦系数λ值。理论研究表明，λ是由气体在管道内的流动状态决定的，而判断流动状态的依据是雷诺数，即Re值的大小。由于λ的计算不同，输气管的实用公式各不一样。经常应用的有5个公式：莫维斯公式，潘汉德修正公式，全苏研究所早起公式，全苏研究所近期公式等。本项目仅介绍经过我国输气工程实践，较接近实测值的潘汉德修正公式。

潘汉德修正公式的λ值可以表示为

在具体的实施例中，管道气体体积流量包括水平管道流量以及地形起伏地区的管道流量；

管道的局部阻力来自于弯头、三通、阀门以及焊接等地方，为了方便计算，把局部摩擦阻以相当于管道长度摩阻的百分比来表示，所以计算长度等于管道实长机上局部摩阻当量长度。在平原和浅丘陵地区，计算长度为管道实长的1.03-1.05倍；而在山区，由于弯头增加很多，通常取1.06-1.08倍。

因此，水平管道流量：

当输气管道沿线地形起伏高差超过200m时，必须考虑到高差对阻耗的影响，需对公管道流量公式进行修正，得到地形起伏地区的管道流量：

式中：Q表示气体体积流量；D表示管道内径，cm；P₁和P₂分别表示输气管道起点和终点压力；L表示管道长度；Δ表示天然气对空气的相对密度；E表示输气效率；Z表示气体压缩因子；a表示系数，a＝0.0683，Δ/T·Z；Δh表示管道起点和终点的高差，m；n表示管道沿线按高差划分的段数；h_i和h_i-1分别表示各管段起点和终点标高；L_i表示第i段管长。

管道储气模型为：一条已投产的输气干管的长度、容积，储气开始时管道末端的终点压力(门站进口最低压力)，储气终了时管段末端的起点压力(最高工作压力)，以及该管道正常输气量等都是已知量，可按下列步骤计算其管存气量。

根据门站进口最低压力P_2min，即储气开始时管道末端的终点压力。由正常输气量算出储气开始时的管道起点压力：

根据压气站的最高工作压力P_1max，即储气终了时管道末端的起点压力，由正常输气量算出储气终了时管道末端的终点压力，即门站进口压力：

计算管道的容积：

初期开始时的平均压力为：

在此平均压力下，输气管道末端中的气体量：

储气终了时的平均压力为：

在此平均压力下，输气管道末端中的气体量：

储气量为：V_e＝V_max-V_min；

式中：V_e表示储气管道末端储气量，m³(20℃，0.1013MPa)；V_max表示储气终了时管道末端存气量，m³(20℃，0.1013MPa)；V_min表示储气开始时管道末端存气量，m³(20℃，0.1013MPa)。

整理后，得到管道存储量：

式中，V_e表示储气管道末端储气量，V表示出气管道容积；T₀表示天然气基准状态温度；P₀表示天然气基准状态压力；T_avt1和T_avt2分别表示储气开始、终了的天然气平均温度；P_avt1和P_avt2分别表示储气开始、终了时的平均压力，MPa；Z₁和Z₂分别表示在P_avt1和P_avt2下的压缩因子。

压缩机稳态模型2013用于获取天然气线路的潮流。

需要说明的是，由于天然气在输送过程中会因为管壁摩擦等原因造成压力损失，因此通常需要通过加压气站对管道内的气体进行增压，具体可参考图3，图3为本申请一种天然气管道模型的能流获取系统的一个实施例中天然气传输线路模型示意图，其线路的潮流G_ij,t是从加压站出口n到管道节点j的天然气潮流G_nj,t与加压站消耗的天然气之和，可以表示为：

式中：G_nj,t表示在t时段从节点n到节点j的天然气潮流；p_n，t，p_i，t分别表示在t时段n节点的气压和i节点的气压；

是与节点i与节点j之间的线路上的加压站的相关的常系数。

储气设施静态模型2014用于获取储气设施注气气量速度以及采气气量速度。

需要说明的是，由于冬季单井最大高峰采出量不超过30000m3/h，整个储气设施最高采气速度为有效体积的1/40-1/50。注采气速度计算公式可以表示为：

采气气量速度：

注气气量速度：

式中：P₁表示采气时未井底压力，注气时未进口压力；P₂表示采气时为井口压力，注气时为井底压力；H表示井深；D表示井筒内径；λ表示水力摩擦系数；T表示气井中气体的温度；a表示参数；Δ表示气体的相对密度；R_g表示空气的气体常数；C表示常数，其值视所采用的单位确定。

参数获取模块202，用于根据模型建立模块中建立的模型获取天然气网络的拓扑网络及元件参数。

需要说明的是，建立各元件的模型之后，通过获取到各元件中给定的相关参数带入到模型中计算得到各元件节点的气流或者压强等参数。

能流计算模块203，用于根据获取的拓扑网络及元件参数计算天然气管道中的能流系数。

需要说明的是，通过获取到各元件节点的的气流流速或者压强可以求解得到拓扑网络中未知节点的相关参数，其参数可以是气流流速或者压强。

在具体的实施方式中，由于天然气管道中的燃气流动是不稳定流，对其进行分析以建立关于它的基本方程，对于天然气气管道来说，由于长径比大，在进行管道内压力、流速等参数分析时，除了超高压大口径传输管道外，一般可按一维处理，即认为管道截面上压力、流速等参数分布均匀。这在流动处于紊流态时，计算误差就更小。另外，由于天然气管道一般埋于地下(冰冻线以下)，管道沿线温度变化比较小，因此在计算分析中一般也不考虑管道内燃气温度变化。在此基础上所建立的燃气管道分析模型由下列三个方程组成。

包括运动方程：

连续性方程：

状态方程：P＝ZρRT

式中：ω表示燃气速度，m/s；ρ表示燃气密度，kg/m³；ρ_a表示空气密度，kg/m³；P表示燃气压力，Pa；t表示时间，s；x表示管道轴向坐标，m；g表示重力加速度，m/s²；a表示管道与水平面夹角，°；λ表示管道摩阻系数；D表示管道直径，m；Z表示压缩因子；T表示燃气温度，K；R表示气体常数，J/(kg·K)。

利用上述方程可以计算管道中任何位置、任何时间的燃气压力、速度等系数。另外考虑工程分析的时间要求，可以忽略一些对计算结果影响不大的因素。例如，忽略气流惯性因素即质量流速随时间的变化；忽略燃气流的动能变化；此外暂只考虑水平输气管道，则管道气体体积流量可以改成：

引入系数k，使得：

其中：

ω₀表示速度下限；ω₁表示速度上限。

使得方程有线性化的形式：

由水平管道流量以及声速的参数式可以得到：

可进一步得到长输管道的天然气流动的抛物线形偏微分方程：

其中：

其中：G表示质量流量，G＝Aρω；A表示管道流通截面积。

本申请通过建立天然气网络中的多个元件的模型，将天然气系统能流计算分析方法的向电力系统潮流运算的方法统一，能够同时兼顾该模型在多能流系统的运行及规划上的应用。

本申请实施例还提供了另一种天然气管道模型的能流获取设备，包括处理器以及存储器：存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给所述处理器；处理器用于根据程序代码中的指令执行实天然气管道模型的能流获取系统中的计算模型。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序代码，该程序代码用于执行前述各个实施例所述的一种天然气管道模型的能流获取系统中的计算模型中的任意一种实施方式。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种天然气管道模型的能流获取系统，其特征在于，包括：

模型建立模块，所述模型建立模块用于对天然气网络中的元件进行建模；

参数获取模块，所述参数获取模块用于根据所述模型建立模块中建立的模型获取天然气网络的拓扑网络及元件参数；

能流计算模块，所述能流计算模块用于根据获取的所述拓扑网络及元件参数计算天然气管道中的能流系数。

2.根据权利要求1所述的天然气管道模型的能流获取系统，其特征在于，

所述模型建立模块包括：气体基本模型、管道稳态模型、压缩机稳态模型以及储气设施静态模型；

所述气体基本模型用于获取气体连续性、气体能量平衡模型以及气体运动模型；

所述管道稳态模型用于获取管道气体体积流量、管道储气量；

所述压缩机稳态模型用于获取天然气线路的潮流；

所述储气设施静态模型用于获取储气设施注气气量速度以及采气气量速度。

3.根据权利要求2所述的天然气管道模型的能流获取系统，其特征在于，

所述气体基本模型中获取气体连续性、气体能量平衡模型以及气体运动模型的公式为：

气体连续性：M＝Fwρ；

M＝M_o–mx；

式中，M为气体质量流量；F为输气管道流通面积；w为输气管道中的气体线速度，Mo表示在输气管起始截面处的气体质量流量；m表示单位时间内输气管单位长度上的气体质量；x表示输气管起点至所分析的截面之间的距离；

气体能量平衡模型：

其中，v为气体单位质量的容积；g为重力加速度；z为输气管道上进行分析的那一点的高程；D为输气管道的内径；P为气压；λ为水力摩阻系数；

气体运动模型：d(mv)＝∑N_idτ；

式中，d(mv)表示动量的变化量；∑N_idτ表示流体方向上的冲量。

4.根据权利要求2所述的天然气管道模型的能流获取系统，其特征在于，

所述管道稳态模型中获取管道气体体积流量、管道储气量的公式为：

管道气体体积流量：

式中，G表示管道质量流量；D表示输气管道内径；P1表示输气管道起点压力；P2表示输气管道终点压力；L表示输气管道计算长度；Z表示气体压缩因子；T表示管内气体绝对温度；Rg表示管内气体常数；λ表示水力摩擦系数；

管道储气模型：

式中，V_e表示储气管道末端储气量，V表示出气管道容积；T₀表示天然气基准状态温度；P₀表示天然气基准状态压力；T_avt1和T_avt2分别表示储气开始、终了的天然气平均温度；P_avt1和P_avt2分别表示储气开始、终了时的平均压力，MPa；Z₁和Z₂分别表示在P_avt1和P_avt2下的压缩因子。

5.根据权利要求4所述的天然气管道模型的能流获取系统，其特征在于，

所述管道气体体积流量包括水平管道流量以及地形起伏地区的管道流量；

其中水平管道流量：

地形起伏地区的管道流量：

式中：Q表示气体体积流量；D表示管道内径，cm；P₁和P₂分别表示输气管道起点和终点压力；L表示管道长度；Δ表示天然气对空气的相对密度；E表示输气效率；Z表示气体压缩因子；a表示系数，a＝0.0683，Δ/T·Z；Δh表示管道起点和终点的高差，m；n表示管道沿线按高差划分的段数；h_i和h_i-1分别表示各管段起点和终点标高；L_i表示第i段管长。

6.根据权利要求2所述的天然气管道模型的能流获取系统，其特征在于，

所述压缩机稳态模型中获取天然气线路的潮流的公式为：

式中，G_nj,t表示在t时段从节点n到节点j的天然气潮流；p_n，t，p_i，t分别表示在t时段n节点的气压和i节点的气压；

是与节点i与节点j之间的线路上的加压站的相关的常系数。

7.根据权利要求2所述的天然气管道模型的能流获取系统，其特征在于，

所述储气设施静态模型中获取储气设施注气气量速度以及采气气量速度的公式为：

注气气量速度：

采气气量速度：

式中：P₁表示采气时井底压力，注气时进口压力；P₂表示采气时井口压力，注气时井底压力；H表示井深；D表示井筒内径；λ表示水力摩擦系数；T表示气井中气体的温度；a表示参数；Δ表示气体的相对密度；R_g表示空气的气体常数；C表示常数，其值视所采用的单位确定。

8.根据权利要求1所述的天然气管道模型的能流获取系统，其特征在于，

所述计算能流系数的计算公式包括：

运动方程：

连续性方程：

状态方程：P＝ZρRT；

其中，ω表示燃气速度；ρ表示燃气密度；ρ_a表示空气密度；P表示燃气压力；t表示时间；x表示管道轴向坐标；g表示重力加速度；a表示管道与水平面夹角；λ表示管道摩阻系数；D表示管道直径m；Z表示压缩因子；T表示燃气温度；R表示气体常数。

9.一种天然气管道模型的能流获取设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-8任一项所述的天然气管道模型的能流获取系统中的计算模型。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-8任一项所述的天然气管道模型的能流获取系统中的计算模型。

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