CN112069692A - 一种天然气管网输差计算的优化求解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天然气管网输差计算的优化求解方法，属于天然气运输领域；它解决现今输差计算误差较大，流程繁琐等问题；其技术方案是：首先根据天然气管网物理结构，建立可视化天然气管网模型，然后设置边界条件，接着综合考虑元件、节点在水力学、热力学和拓扑学上的相关关系，建立天然气管网的系统计算模型，使用四阶龙格‑库塔法求解常微分方程组，最后结合SCADA系统采集天然气管网的输入、输出气量，自用气量和放空气量，计算天然气管网输差及输差率。本发明考虑多因素影响，更符合实际情况，本发明系统操作界面、语言简洁，利用Python和Matlab混合编程，缩短输差计算周期，极大提高计算效率。

Description

一种天然气管网输差计算的优化求解方法
技术领域
本发明属于天然气运输领域，具体而言，涉及一种天然气管网输差计算的优化求解方法。
背景技术
在天然气的管道输送过程中，天然气管道是一个统一的、连续的、密闭的水力系统，根据质量守恒定律，若输送过程中，天然气没有泄露，那么输差应该为零。然而，由于天然气的量值是由测量仪表确定的，而测量仪表不可避免存在误差；且随着管道实际工况的改变，管道内的天然气储存量也会随之变化，因此在长输管道输送过程中，不可避免会出现输差。天然气公司作为盈利组织，当天然气管网出现输差问题，势必会影响到公司的经济效益，带来巨大的经济损失。
目前国内对管网输差的计算是通过SCADA系统采集管道运行数据，根据管段始末端的压力、温度，计算管段内的平均压力、温度，根据平均压力、温度计算管存量，作为输差计算基础数据。但平均压力、温度难以准确反映管道运行的真实工况，因此计算所得的管存量不能反映管道的实际管存量，TGNET软件可计算管道的管存量，但TGNET软件不具备输差计算功能，且其内置的气体状态方程为BWRS、SRK、Peng等，然而，AGA8-92DC方程更适用于管输条件下的天然气物性计算。因此基于Python和Matlab编程语言，通过对天然气基础物性参数计算模型和天然气管网系统计算模型的集成，开发了能适用于任意枝状天然气管网的“天然气管网输差计算系统”，以计算天然气管网运行沿线站场压力、温度以及流量、流速和管存量、输差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气管网输差计算的优化求解方法，该方法综合分析天然气管网输送中的实际管存量及输差问题，结合天然气管网输送水力、热力计算理论，运行元件、节点参数以及实际管网运行参数边界条件等，进行天然气管网输差计算优化求解器设计，提出相应的优化计算方法，构建具有可视化界面的“天然气管网输差计算系统”，即输差计算求解器，以确定天然气输送管网经济、高效、平稳运行。
本发明的技术方案如下：
一种天然气管网输差计算的优化求解方法，该方法具体包括以下步骤，
S100根据天然气管网物理结构，可通过模块中气源、管线、用户、储气库、换热器以及阀门，建立可视化天然气管网模型；
S200定义天然气管网中的元件、节点参数，管道内输送气体气质组分及计算所需的基础参数，根据SCADA系统采集的实际管网运行参数设置边界条件；
S201对于管道的各个元件、节点建立相应的数学模型，建立起各元件、节点的质量、连续性、运动和能量守恒方程组；
S202建立天然气经由气源输入到天然气管网中的气源数学模型，包括压力边界、温度边界、流量边界模型；
S203建立节点数学模型，同一节点可与单个或多个元件相连接；
S204对于非管道元件建立通用数学模型；
S205采用元件—节点关联矩阵描述天然气管网系统的物理结构，通过元件—节点关联矩阵来描述任意结构的天然气管网物理结构；在元件—节点关联矩阵中，通过行搜索，确定与各节点连接的元件，并确定属于流入元件还是流出元件，进而建立节点数学模型；通过列搜索，确定元件的上下游节点，进而建立管道元件的数学模型；对于由N个节点和M个元件组成的管网，通过元件—节点关联矩阵A＝[aij]N×M来描述，其中元件—节点关联矩阵中相应位置中的约定值定义为
Figure BDA0002679668300000021
S300建立程序计算模块，在元件、节点数学模型的基础之上，综合考虑元件、节点在水力学、热力学和拓扑学上的相关关系，建立天然气管网的系统计算模型，包括天然气物性参数计算，管道输送沿线水力、热力计算，管存计算以及输差计算，具体包括以下步骤：
S301根据管网的物理结构，建立管网的元件—节点关联矩阵；
S302对节点进行编号，根据节点类型，为所有节点建立数学模型；
S303对元件进行编号，判断元件类型，为所有元件建立相应数学模型；
S304将节点数学模型和元件数学模型组合起来，形成天然气管网系统的计算模型；
S305建立天然气管网系统计算模型；
S306管网系统计算模型求解系统，关键在于对管道元件数学模型式的求解，求解天然气在管道输送过程中，管道沿线的水力、热力参数分布，指定相应的边界条件，使用四阶龙格-库塔法求解常微分方程组；
S307根据已知控制体积，始末端压力、温度，计算管道的管存量，即各控制体积管存量的累加求和；
S308对于天然气管网的管存量计算，根据天然气管网的物理结构建立天然气管网系统计算模型，结合SCADA系统采集的基础数据设置边界条件，基础数据包括压力、温度、流量，根据在线色谱分析仪提供的天然气气质组分按照上述计算管网的管存量；
S309结合SCADA系统采集天然气管网的输入、输出气量，自用气量和放空气量，计算天然气管网输差及输差率；
S310天然气管网输差计算基于物料平衡原理，在计算周期内考虑管存量变化、自用气量和放空气量的消耗，计算输入气量与输出气量之间的差值；
S400天然气管网系统计算，包括状态方程的求解，物性参数的计算，模型中基本微分的求解和水力摩阻系数的计算，物性参数包括天然气的压缩因子、密度、焓、比热容、焦耳—汤姆逊系数、黏度；
S500建立结果输出模块，通过结果输出模块实现图形化显示计算结果，计算结果以Excel表的形式保存。
上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，包括管网绘图单元、属性定义单元、程序计算单元和结果输出单元。
上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，所述管网绘图模块包括菜单栏、工具栏、管网元件数据库和工作窗口，实际天然气管网结构，可在工作界面绘制元件图形，包括输入、输出、管线、阀门、换热器及储气库，从而建立可视化管网模型。
上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，所述属性定义界面由元件参数、边界条件、气质组分和基础参数定义界面组成，主要包括：
a1、元件参数定义是根据元件特征设置相应参数，包括管道的长度、壁厚、内径、管内壁粗糙度、始末点高程以及调压阀前后压差、温差；
a2、边界条件定义是根据管网实际运行参数设置气源、用户边界条件；
a3、气质组分定义界面是组分含量以摩尔分数形式输入，包含CH4、C2H6、C3H8、N2、CO2等21种组分；
a4、基础参数输入包含计算所需的环境温度、总传热系数、距离步长。
上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，步骤S301～S310所述程序计算模块的建立及求解，程序计算模块地建立是在元件、节点数学模型的基础之上，综合考虑元件、节点在水力学、热力学和拓扑学上的相关关系，建立的天然气管网的系统计算模型，并利用四阶龙格-库塔法求解。
本发明具有以下显著优点：
(1)本发明考虑多因素影响，将天然气在管道内的流动视作非等温流动，在计算过程中考虑了能量方程，考虑了管道输送过程中沿线温度变化对压降的影响，并且考虑了管道高程对管内天然气流动的影响。
(2)本发明更符合实际情况，计算的管存量更能反映管道储气量的真实情况，根据本发明计算的输差更能反映天然气管网的真实输差，可为后续的输差分析、控制提供理论依据。
(3)本发明系统操作界面、语言简洁，利用Python和Matlab混合编程，缩短输差计算周期，极大提高计算效率。
附图说明
图1为根据本发明的天然气管网输差计算系统结构示意图。
图2为节点模型示意图。
图3为天然气管网系统计算模型建立流程。
图4为天然气管网输差计算流程图。
图5为物性参数计算流程图。
图6为天然气管网系统计算模型求解流程。
图7为程序计算系统主界面。
图8为管道元件属性定义界面。
图9为天然气物性参数计算界面。
图10为计算结果图表显示界面。
图11为输差计算界面。
图12为气源边界条件定义界面。
图13为用户边界条件定义界面。
图14为气质组分定义界面。
具体实施方式
下面结合附图具体操作方式对本发明作进一步详细地说明，下述参照附图对本发明操作方式的说明旨在对本发明的总体构思进行解释。
本发明属于天然气运输领域，主要基于Python和Matlab编程语言，通过对天然气基础物性参数计算模型和天然气管网系统计算模型的集成，开发的能适用于任意枝状天然气管网的“天然气管网输差计算系统”，计算天然气管网沿线站场压力、温度以及流量、流速和管存量、输差。
一种天然气管网输差计算的优化求解方法，如图1所示，该方法具体包括以下步骤，
S100根据天然气管网物理结构，可通过模块中气源、管线、用户、储气库、换热器以及阀门，建立可视化天然气管网模型；
S200定义天然气管网中的元件、节点参数，管道内输送气体气质组分及计算所需的基础参数，根据SCADA系统采集的实际管网运行参数设置边界条件；
S201对于管道的各个元件、节点建立相应的数学模型，建立起各元件、节点的质量、连续性、运动和能量守恒方程组，
Figure BDA0002679668300000051
S202建立天然气经由气源输入到天然气管网中的气源数学模型，包括压力边界、温度边界、流量边界模型；
S203建立节点数学模型，如图2所示，同一节点可与单个或多个元件相连接；
S204对于非管道元件建立通用数学模型；
S205采用元件—节点关联矩阵描述天然气管网系统的物理结构，通过元件—节点关联矩阵来描述任意结构的天然气管网物理结构；在元件—节点关联矩阵中，通过行搜索，确定与各节点连接的元件，并确定属于流入元件还是流出元件，进而建立节点数学模型；通过列搜索，确定元件的上下游节点，进而建立管道元件的数学模型；对于由N个节点和M个元件组成的管网，通过元件—节点关联矩阵A＝[aij]N×M来描述，其中元件—节点关联矩阵中相应位置中的约定值定义为
Figure BDA0002679668300000052
S300建立程序计算模块，在元件、节点数学模型的基础之上，综合考虑元件、节点在水力学、热力学和拓扑学上的相关关系，建立天然气管网的系统计算模型，包括天然气物性参数计算，管道输送沿线水力、热力计算，管存计算以及输差计算，如图3所示，具体包括以下步骤：
S301根据管网的物理结构，建立管网的元件—节点关联矩阵；
S302对节点进行编号，根据节点类型，为所有节点建立数学模型；
S303对元件进行编号，判断元件类型，为所有元件建立相应数学模型；
S304将节点数学模型和元件数学模型组合起来，形成天然气管网系统的计算模型；
S305建立天然气管网系统计算模型；
S306管网系统计算模型求解系统，关键在于对管道元件数学模型式的求解，求解天然气在管道输送过程中，管道沿线的水力、热力参数分布，指定相应的边界条件，使用四阶龙格-库塔法求解常微分方程组，选定步长Δx，将管道沿长度方向划分成N(N＝L/Δx)个控制体积，当管道起点的压力、温度、流量为已知时，具体计算步骤如下：
b100、根据控制体积起点的压力、温度、流量，求解微分方程组式(1)中A1、B矩阵中的系数aij、bi，通过求解线性方程组式(1)，得到初值
Figure BDA0002679668300000061
b200、求解T1、p1、u1；
b300、根据T1、p1、u1重新计算A1、B矩阵中的系数aij、bi，解方程组(1)求得第二次导数值
Figure BDA0002679668300000062
求解增量为Δx/2处的温度、压力、流速T2、p2、u2；
b400、根据T2、p2、u2重新计算A1、B矩阵中的系数aij、bi，求得第三次导数值
Figure BDA0002679668300000063
Figure BDA0002679668300000064
求解增量为Δx处的温度、压力、流速T3、p3、u3；
b500、根据T3、p3、u3重新计算A1、B矩阵中的系数aij、bi，解方程组(1)求得第四次导数值
Figure BDA0002679668300000065
计算控制体积末端的值：
Figure BDA0002679668300000066
以Ti+1、pi+1、ui+1作为下一控制体积的起始值，重复步骤b100～b500可求出管道从起点到终点各剖分界面的压力、温度、流速，作为管道的管存量计算的基础数据。
步骤b100～b500适用于已知管道起点压力、温度、流量求终点参数的情况，对于多气源和包含储气库的管网，管道内的气体流向不唯一，流向会发生改变；当管内气体流向与预设方向相反时，属于管道终点的压力、温度、流量为已知，由管道末端向管道起始端计算的情况。同样地，根据以上步骤实现由管道末端向管道起始端的计算，得到管道沿线各剖分界面的压力、温度和流速。
S307对于每个控制体积，始末端压力、温度已知，按照式(3)～式(5)计算管道的管存量，即各控制体积管存量的累加求和；
Figure BDA0002679668300000071
Figure BDA0002679668300000072
Figure BDA0002679668300000073
式中，V为管存量，单位为m3；i为下标，控制体积编号；s为下标，表示标准状态；cp为下标，表示平均值；N为控制体积总数；Q、Z为下标，表示控制体积的始末端；Din为管道的内径，单位为m。
S308对于天然气管网的管存量计算，根据天然气管网的物理结构建立天然气管网系统计算模型，结合SCADA系统采集的基础数据设置边界条件，基础数据包括压力、温度、流量，根据在线色谱分析仪提供的天然气气质组分按照上述计算管网的管存量；
S309结合SCADA系统采集天然气管网的输入、输出气量，自用气量和放空气量，根据式(6)、式(7)计算天然气管网输差及输差率。
Q差＝(V1+Q1)-(Q2+Q3+Q4+V2) (6)
Figure BDA0002679668300000074
式中，Q差为某一时间输气管道内平衡输气量的差值，单位为m3；Q1为同一时间内的输入气量，单位为m3；Q2为同一时间内的输出气量，单位为m3；Q3为同一时间内输气单位的生产、生活用气量，单位为m3；Q4为同一时间内放空气量，单位为m3；V1为计算时间开始时，管道计算段内的储存气量，单位为m3；V2为计算时间终了时，管道计算段内的储存气量，单位为m3；η为相对输差，用百分数表示。
S310天然气管网输差计算基于物料平衡原理，在计算周期内考虑管存量变化、自用气量和放空气量的消耗，计算输入气量与输出气量之间的差值，天然气管网输差计算流程图如图4所示；
S400天然气管网系统计算，包括状态方程的求解，物性参数的计算，模型中基本微分的求解和水力摩阻系数的计算，物性参数包括天然气的压缩因子、密度、焓、比热容、焦耳—汤姆逊系数、黏度，物性参数计算流程如图5所示；
S500建立结果输出模块，通过结果输出模块实现图形化显示计算结果，计算结果以Excel表的形式保存。
上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，包括管网绘图单元、属性定义单元、程序计算单元和结果输出单元。
上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，所述管网绘图模块包括菜单栏、工具栏、管网元件数据库和工作窗口，实际天然气管网结构，可在工作界面绘制元件图形，包括输入、输出、管线、阀门、换热器及储气库，从而建立可视化管网模型。
上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，所述属性定义界面由元件参数、边界条件、气质组分和基础参数定义界面组成，主要包括：
a100、元件参数定义是根据元件特征设置相应参数，包括管道的长度、壁厚、内径、管内壁粗糙度、始末点高程以及调压阀前后压差、温差；
a200、边界条件定义是根据管网实际运行参数设置气源、用户边界条件；
a300、气质组分定义界面是组分含量以摩尔分数形式输入，包含CH4、C2H6、C3H8、N2、CO2等21种组分；
a400、基础参数输入包含计算所需的环境温度、总传热系数、距离步长。
上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，步骤S301～S310所述程序计算模块的建立及求解，程序计算模块地建立是在元件、节点数学模型的基础之上，综合考虑元件、节点在水力学、热力学和拓扑学上的相关关系，建立的天然气管网的系统计算模型，并利用四阶龙格-库塔法求解，如图6所示；
基于上述的一种天然气管网输差计算的优化求解方法，采用天然气管网输差计算优化求解器对天然气管网输差计算进行优化，如图1所示，求解器包括管网绘图模块、属性定义模块、程序计算模块和结果输出模块四个单元组成：
(a)管网绘图模块，如图7所示，根据天然气管网物理结构，可通过模块中气源、管线、用户、储气库、换热器、阀门等构件，建立可视化天然气管网模型。
(b)属性定义模块，如图8所示，定义天然气管网中的元件、节点参数，管道内输送气体气质组分及计算所需的基础参数，并基于测量仪表准确的前提，根据SCADA系统采集的实际管网运行参数设置边界条件。
(c)程序计算模块，如图9所示，包括天然气物性参数计算，管道输送沿线水力、热力计算，管存计算以及输差计算。
(d)结果输出模块，如图10、11所示，通过结果输出模块实现图形化显示计算结果，为方便对数据做进一步分析和对比，计算结果可以Excel表的形式保存。如图12～14所示，分别为该求解器的气源边界条件定义界面、用户边界条件定义界面及气质组分定义界面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明考虑多因素影响，将天然气在管道内的流动视作非等温流动，在计算过程中考虑了能量方程，考虑了管道输送过程中沿线温度变化对压降的影响，并且考虑了管道高程对管内天然气流动的影响。
(2)本发明更符合实际情况，计算的管存量更能反映管道储气量的真实情况，根据本发明计算的输差更能反映天然气管网的真实输差，可为后续的输差分析、控制提供理论依据。
(3)本发明系统操作界面、语言简洁，利用Python和Matlab混合编程，缩短输差计算周期，极大提高计算效率。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种天然气管网输差计算的优化求解方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤，
S100根据天然气管网物理结构，可通过模块中气源、管线、用户、储气库、换热器以及阀门，建立可视化天然气管网模型；
S200定义天然气管网中的元件、节点参数，管道内输送气体气质组分及计算所需的基础参数，根据SCADA系统采集的实际管网运行参数设置边界条件；
S201对于管道的各个元件、节点建立相应的数学模型，建立起各元件、节点的质量、连续性、运动和能量守恒方程组；
S202建立天然气经由气源输入到天然气管网中的气源数学模型，包括压力边界、温度边界、流量边界模型；
S203建立节点数学模型，同一节点可与单个或多个元件相连接；
S204对于非管道元件建立通用数学模型；
S205采用元件—节点关联矩阵描述天然气管网系统的物理结构，通过元件—节点关联矩阵来描述任意结构的天然气管网物理结构；在元件—节点关联矩阵中，通过行搜索，确定与各节点连接的元件，并确定属于流入元件还是流出元件，进而建立节点数学模型；通过列搜索，确定元件的上下游节点，进而建立管道元件的数学模型；对于由N个节点和M个元件组成的管网，通过元件—节点关联矩阵A＝[aij]N×M来描述，其中元件—节点关联矩阵中相应位置中的约定值定义为
Figure FDA0002679668290000011
S300建立程序计算模块，在元件、节点数学模型的基础之上，综合考虑元件、节点在水力学、热力学和拓扑学上的相关关系，建立天然气管网的系统计算模型，包括天然气物性参数计算，管道输送沿线水力、热力计算，管存计算以及输差计算，具体包括以下步骤：
S301根据管网的物理结构，建立管网的元件—节点关联矩阵；
S302对节点进行编号，根据节点类型，为所有节点建立数学模型；
S303对元件进行编号，判断元件类型，为所有元件建立相应数学模型；
S304将节点数学模型和元件数学模型组合起来，形成天然气管网系统的计算模型；
S305建立天然气管网系统计算模型；
S306管网系统计算模型求解系统，关键在于对管道元件数学模型式的求解，求解天然气在管道输送过程中，管道沿线的水力、热力参数分布，指定相应的边界条件，使用四阶龙格-库塔法求解常微分方程组；
S307根据已知控制体积，始末端压力、温度，计算管道的管存量，即各控制体积管存量的累加求和；
S308对于天然气管网的管存量计算，根据天然气管网的物理结构建立天然气管网系统计算模型，结合SCADA系统采集的基础数据设置边界条件，基础数据包括压力、温度、流量，根据在线色谱分析仪提供的天然气气质组分按照上述计算管网的管存量；
S309结合SCADA系统采集天然气管网的输入、输出气量，自用气量和放空气量，计算天然气管网输差及输差率；
S310天然气管网输差计算基于物料平衡原理，在计算周期内考虑管存量变化、自用气量和放空气量的消耗，计算输入气量与输出气量之间的差值；
S400天然气管网系统计算，包括状态方程的求解，物性参数的计算，模型中基本微分的求解和水力摩阻系数的计算，物性参数包括天然气的压缩因子、密度、焓、比热容、焦耳—汤姆逊系数、黏度；
S500建立结果输出模块，通过结果输出模块实现图形化显示计算结果，计算结果以Excel表的形式保存。
2.根据权利要求1所述的天然气管网输差计算的优化求解方法，其特征在于包括管网绘图单元、属性定义单元、程序计算单元和结果输出单元。
3.根据权利要求1所述的天然气管网输差计算的优化求解方法，其特征在于：所述管网绘图模块包括菜单栏、工具栏、管网元件数据库和工作窗口，实际天然气管网结构，可在工作界面绘制元件图形，包括输入、输出、管线、阀门、换热器及储气库，从而建立可视化管网模型。
4.根据权利要求1所述的天然气管网输差计算的优化求解方法，其特征在于：所述属性定义界面由元件参数、边界条件、气质组分和基础参数定义界面组成，主要包括：
a1、元件参数定义是根据元件特征设置相应参数，包括管道的长度、壁厚、内径、管内壁粗糙度、始末点高程以及调压阀前后压差、温差；
a2、边界条件定义是根据管网实际运行参数设置气源、用户边界条件；
a3、气质组分定义界面是组分含量以摩尔分数形式输入，包含21种组分；
a4、基础参数输入包含计算所需的环境温度、总传热系数、距离步长。
5.根据权利要求1所述的天然气管网输差计算的优化求解方法，其特征在于：步骤S301～S310所述程序计算模块的建立及求解，程序计算模块地建立是在元件、节点数学模型的基础之上，综合考虑元件、节点在水力学、热力学和拓扑学上的相关关系，建立的天然气管网的系统计算模型，并利用四阶龙格-库塔法求解。
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