CN113239645A - 天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统及方法，其包括：数据采集与监控系统、中间生产数据库接口机、在线色谱分析仪和在线瞬态仿真软件服务器；数据采集与监控系统用于从输气管网控制中心的现场SCADA服务器接口机获取实时数据，并通过中间生产数据库接口机将获取的实时数据发送到在线瞬态仿真软件服务器；在线瞬态仿真软件服务器根据获取的实时数据同步地进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，并将计算得到的天然气组分跟踪计算结果与在线色谱分析仪反馈的热值数据进行比对，当误差小于预设阈值时，输出天然气组分跟踪计算结果。本发明可以广泛应用于天然气组分计算领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统及方法,属于天然气长输管道、天然气管网运行调度、多气源混输、能量计量与赋值相关技术领域。
背景技术
随着国内天然气管道的互联互通和联网运行，不同气质的天然气在同一天然气管网中运行、在不同位置进行非固定比例的混合，且任何一个气源都有可能随时间而发生变化，尤其在以液化天然气为气源之一的情况下更是如此。在天然气管网以瞬态调峰为特征的常态化运行工况下，混合天然气的不同组分随着不同距离、不同气源点和下载点的分布方式、时间变化而不断改变的准确计算是非常必要的，尤其在推广采用天然气能量计量的背景下，对不同交付位置的不同时间段的交付天然气量的热值进行动态和精确计算，重要性更加突出。
现有的技术方法通常分为两类，一是对于极短距离(通常只有数百米、最多数千米)的输气管道，可以采用以小网格划分为特征的计算机流体力学方法进行计算，结果非常精确，但缺点也非常突出，例如：求解收敛速度慢、经常耗时几十个小时，且不适用于几十公里以上长度的输气管道计算，难以工业应用；二是采用假设静态混合界面和静态混合比例的方法，结合水力学方程和热力学方程一起编程计算，缺点是过于简化，仅是水力学方程计算这一项就很难适合长输天然气管网的需要，相应的热力学方程计算也更加无法保证。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统及方法，能够准确预测不同气质天然气混输后的混合天然气实时沿管道位置分布、随时间动态变化结果。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一个方面，是提供一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统，其包括：数据采集与监控系统、中间生产数据库接口机、在线色谱分析仪和在线瞬态仿真软件服务器；所述数据采集与监控系统用于从输气管网控制中心的现场SCADA服务器接口机获取实时数据，并通过所述中间生产数据库接口机将获取的实时数据发送到所述在线瞬态仿真软件服务器；所述在线瞬态仿真软件服务器根据获取的实时数据同步地进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，并将计算得到的天然气组分跟踪计算结果与所述在线色谱分析仪反馈的热值数据进行比对，当误差小于预设阈值时，输出天然气组分跟踪计算结果。
进一步，所述在线瞬态仿真软件服务器上设置有在线瞬态仿真模块，所述在线瞬态仿真模块包括组分跟踪计算模块、瞬态水力仿真计算模块和数据比对模块；所述瞬态水力仿真计算模块用于根据获取的实时数据对天然气管网中水力进行实时计算，得到水力仿真计算结果；所述组分跟踪计算模块用于根据获取的实时数据以及水力计算仿真结果对天然气管网中的天然气组分进行实时计算，得到天然气组分跟踪计算结果；所述数据比对模块用于将计算得到的天然气组分跟踪计算结果与在线色谱分析仪反馈的热值数据进行比对，当误差小于预设阈值时，输出天然气组分跟踪计算结果。
本发明的第二个方面，是提供一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算方法，其包括以下步骤：
1)从输气管网控制中心获取天然气管网的实时数据；
2)在线瞬态仿真软件服务器上设置在线瞬态仿真模块，该在线瞬态仿真模块根据获取的实时数据同步地独立进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，得到水力仿真计算结果和天然气组分跟踪计算结果参数；
3)在线瞬态仿真软件服务器将得到的水力仿真计算结果和天然气组分跟踪计算结果与数据采集与监控系统采集的若干台在线色谱分析仪反馈的热值数据进行误差分析和偏差纠正，当误差低于设定误差阈值且收敛时，输出天然气组分跟踪计算结果。
进一步，所述步骤2)中，在线瞬态仿真软件服务器上设置在线瞬态仿真模块，该在线瞬态仿真模块根据获取的实时数据同步地独立进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，得到水力仿真计算结果和天然气组分跟踪计算结果参数的方法，包括以下步骤：
2.1)对常规偏微分方程主导的组分质量平衡理论公式进行化简，得到组分质量守恒线性公式，用于对天然气管网中的天然气组分进行计算；
2.2)通过API接口将步骤2.1)中确定的组分质量守恒线性公式嵌套写入瞬态水力仿真计算模块中；
2.3)设定输出参数和图表；
2.4)在进行瞬态水力计算过程中，自动采用水力计算中自带的网格划分和数值求解方法，并以瞬态水力仿真计算模块内置设定的计算步长为时间单位，对组分质量守恒线性公式进行同步求解计算，并按步骤2.3)的设定输出相应结果参数和图表。
进一步，所述步骤2.1)中，确定的组分质量守恒线性公式为：
Δyk,n＝T1+Δy0,n·T2
ymix＝∑yi·qi/∑qi
式中，Δyk，n表示在编号为k的管道分段的混合天然气中某一组分的摩尔质量在一个时间步长单位的变化量；T1、T2代表计算常数；y0，n为已知边界条件；ymix表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气中某一组分的摩尔质量；yi表示某一确定时间点、确定位置处的单一组分的摩尔质量，∑yi表示混合天然气的摩尔总质量；qi表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气中某一组分的体积流量，∑qi表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气的体积总流量。
进一步，所述步骤2.3)中，设定的输出参数包括每个下载点的热值、密度、C1～C4的组分含量以及其他非烃类组分的含量；图表包括设定时间长度的管道全程的输出参数的分布图以及具体管道位置的输出参数的随时间变化图。
进一步，所述步骤3)中，所述设定误差阈值为3％。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出了天然气管网中天然气组分动态跟踪的实时计算方法和工程应用中的实现方法，可以实现对混输和瞬态调峰的常态化运行工况下的多气源输气管网准确预测混合天然气的不同组分随着不同距离、不同气源点和下载点的分布方式、时间变化的具体数值，可用于天然气组分中任意碳氢组分、非碳氢类气相组分的实时跟踪计算，以及终端用户级的能量计量替代。与现场热值计量结果比对后误差在3％以内，实用性显著。2、本发明也适用于离线计算，例如新增天然气气源投产和接入点安排、新增用气用户的接入点安排，以及新气源的不同接入方式对已有管网天然气热值分布变化的影响测算。因此，本发明可以广泛应用于天然气管网中天然气组分测算领域。
附图说明
图1是天然气管网组分动态跟踪系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统，其包括数据采集与监控系统、中间生产数据库接口机、在线色谱分析仪和在线瞬态仿真软件服务器。其中，数据采集与监控系统用于从输气管网控制中心的现场SCADA服务器接口机获取实时数据，并通过中间生产数据库接口机将获取的实时数据发送到在线瞬态仿真软件服务器；在线瞬态仿真软件服务器根据获取的实时数据同步地进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，并将计算得到的天然气组分跟踪计算结果与在线色谱分析仪反馈的热值数据进行比对，当误差小于预设阈值时，输出天然气组分跟踪计算结果。
进一步的，在线瞬态仿真软件服务器上设置有在线瞬态仿真模块，该在线瞬态仿真模块包括组分跟踪计算模块、瞬态水力仿真计算模块和数据比对模块；瞬态水力仿真计算模块用于根据获取的实时数据对天然气管网中水力进行实时计算，得到水力仿真计算结果；组分跟踪计算模块用于根据获取的实时数据以及水力计算仿真结果对天然气管网中的天然气组分进行实时计算，得到天然气组分跟踪计算结果；数据比对模块用于将计算得到的天然气组分跟踪计算结果与在线色谱分析仪反馈的热值数据进行比对，当误差小于预设阈值时，输出天然气组分跟踪计算结果。
基于上述天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统，本发明还提供一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算方法，在现有的以状态监测功能为主的数据采集与监控系统SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)和以水力计算为主要功能的在线仿真软件模块的基础上，通过嵌套组分跟踪算法，同时进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算。具体的，包括以下步骤：
1)从输气管网控制中心获取天然气管网的实时数据。
2)在线瞬态仿真软件服务器上设置在线瞬态仿真模块，该在线瞬态仿真模块根据获取的实时数据同步地独立进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，得到水力仿真计算结果和天然气组分跟踪计算结果参数。
具体的，包括以下步骤：
2.1)对常规偏微分方程主导的组分质量平衡理论公式进行化简，得到组分质量守恒线性公式，用于对天然气管网中的天然气组分进行计算。
其中，天然气中任一组分的质量守恒公式的偏微分方程为：
式中，yk(x，t)表示混合天然气中某一组分的摩尔质量，且k＝1，...，K，K表示天然气管道划分的总段数，k表示当前在编号为k的管道分段，t表示时间，单位为s；v(x，t)表示流速，单位为m/s；x表示位置和距离，单位为m；t表示时间，单位为s。
对公式(1)中的偏微分方程进行理论推导，得到：
(yk，n+1-yk，n)/Δtn+(yk，n+1-yk-1，n+1)/Δxk·vk，n+1＝0 (2)
式中，k表示当前在编号为k的管道分段，n表示时间节点；yk，n表示混合天然气中某一组分在编号为k的管道分段、在时间节点为n时的摩尔质量；yk，n+1表示混合天然气中某一组分在编号为k的管道分段、在时间节点为n+1时的摩尔质量；yk-1，n+1表示混合天然气中某一组分在编号为k-1的管道分段、在时间节点为n+1时的摩尔质量；；vk，n+1表示混合天然气中某一组分在编号为k的管道分段、在时间节点为n+1时的流速；Δtn表示在时间节点n的时间变化步长；Δxk表示沿管道轴向位置的距离变化步长。其中，各参数计算公式如下：
yk，n＝y(xk，tn) (3)
vk，n+1＝v(xk，tn+1) (4)
Δtn＝tn+1-tn (5)
Δxk＝xk+1-xk (6)
式中，tn、tn+1分别表示连续的n、n+1的时间节点；xk、xk+1分别表示在管道轴向位置相邻的两个管道分段k和k+1。
令：
Δyk，n＝yk，n+1-yk，n (7)
ek，n＝vk，n+1·Δtn/Δxk (8)
式中，Δyk，n表示在编号为k的管道分段的混合天然气中某一组分的摩尔质量在一个时间步长单位的变化量；ek，n表示在编号为k的管道分段，单位距离步长内混合天然气中某一组分在单位时间步长的运动距离。
则公式(2)可转换为：
(1+ek，n)Δyk，n-ek，nΔyk-1，n＝0 (9)
ek，n(yk-1，n-yk，n)＝0 (10)
式中，y0，n为已知边界条件，即在管道入口处的混合天然气中某一组分的摩尔质量，同样可认为已知，则公式(9)可换算为线性公式：
Δyk，n＝T1+Δy0，n·T2 (11)
式中，T1、T2代表计算常数，与速度分量有关。
进而得到：
ymix＝∑yi·qi/∑qi (12)
式中，yk，n表示混合天然气中某一组分的摩尔质量，ymix表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气中某一组分的摩尔质量；yi表示某一确定时间点、确定位置处的单一组分的摩尔质量，∑yi表示混合天然气的摩尔总质量；qi表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气中某一组分的体积流量(m3/s)，∑qi表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气的体积总流量(m3/s)。
2.2)通过API(Application Programming Interface，程序编程接口)接口将步骤2.1)中确定的组分质量守恒线性公式(即公式(11))嵌套写入瞬态水力仿真计算模块中。
2.3)设定输出参数和图表，输出参数主要包括每个下载点的热值、密度、C1～C4的组分含量以及其他非烃类组分的含量，图表主要包括设定时间长度的管道全程的输出参数的分布图以及具体管道位置的输出参数的随时间变化图。
2.4)瞬态水力仿真计算模块在进行瞬态水力计算过程中，自动采用水力计算中自带的网格划分和数值求解方法，并以瞬态水力仿真计算模块内置设定的计算步长为时间单位，对组分质量守恒线性公式进行同步求解计算，并按步骤2.3)的设定输出相应结果参数和图表。
3)在线瞬态仿真软件服务器将得到的水力仿真计算结果和天然气组分跟踪计算结果与数据采集与监控系统采集的若干台在线色谱分析仪反馈的热值数据进行误差分析和偏差纠正，当误差低于设定误差阈值(如3％)且收敛时，输出天然气组分跟踪计算结果。
以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统，其特征在于，包括：
数据采集与监控系统、中间生产数据库接口机、在线色谱分析仪和在线瞬态仿真软件服务器；
所述数据采集与监控系统用于从输气管网控制中心的现场SCADA服务器接口机获取实时数据，并通过所述中间生产数据库接口机将获取的实时数据发送到所述在线瞬态仿真软件服务器；
所述在线瞬态仿真软件服务器根据获取的实时数据同步地进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，并将计算得到的天然气组分跟踪计算结果与所述在线色谱分析仪反馈的热值数据进行比对，当误差小于预设阈值时，输出天然气组分跟踪计算结果。
2.如权利要求1所述的一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统，其特征在于：所述在线瞬态仿真软件服务器上设置有在线瞬态仿真模块，所述在线瞬态仿真模块包括组分跟踪计算模块、瞬态水力仿真计算模块和数据比对模块；
所述瞬态水力仿真计算模块用于根据获取的实时数据对天然气管网中水力进行实时计算，得到水力仿真计算结果；
所述组分跟踪计算模块用于根据获取的实时数据以及水力计算仿真结果对天然气管网中的天然气组分进行实时计算，得到天然气组分跟踪计算结果；
所述数据比对模块用于将计算得到的天然气组分跟踪计算结果与在线色谱分析仪反馈的热值数据进行比对，当误差小于预设阈值时，输出天然气组分跟踪计算结果。
3.一种采用如权利要求1或2任一项所述系统的天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算方法，其特征在于包括以下步骤：
1)从输气管网控制中心获取天然气管网的实时数据；
2)在线瞬态仿真软件服务器上设置在线瞬态仿真模块，该在线瞬态仿真模块根据获取的实时数据同步地独立进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，得到水力仿真计算结果和天然气组分跟踪计算结果参数；
3)在线瞬态仿真软件服务器将得到的水力仿真计算结果和天然气组分跟踪计算结果与数据采集与监控系统采集的若干台在线色谱分析仪反馈的热值数据进行误差分析和偏差纠正，当误差低于设定误差阈值且收敛时，输出天然气组分跟踪计算结果。
4.如权利要求3所述的一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算方法，其特征在于：所述步骤2)中，在线瞬态仿真软件服务器上设置在线瞬态仿真模块，该在线瞬态仿真模块根据获取的实时数据同步地独立进行实时的管网天然气流动的水力仿真计算和天然气组分跟踪计算，得到水力仿真计算结果和天然气组分跟踪计算结果参数的方法，包括以下步骤：
2.1)对常规偏微分方程主导的组分质量平衡理论公式进行化简，得到组分质量守恒线性公式，用于对天然气管网中的天然气组分进行计算；
2.2)通过API接口将步骤2.1)中确定的组分质量守恒线性公式嵌套写入瞬态水力仿真计算模块中；
2.3)设定输出参数和图表；
2.4)在进行瞬态水力计算过程中，自动采用水力计算中自带的网格划分和数值求解方法，并以瞬态水力仿真计算模块内置设定的计算步长为时间单位，对组分质量守恒线性公式进行同步求解计算，并按步骤2.3)的设定输出相应结果参数和图表。
5.如权利要求4所述的一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算方法，其特征在于：所述步骤2.1)中，确定的组分质量守恒线性公式为：
Δyk,n＝T1+Δy0,n·T2
ymix＝∑yi·qi/∑qi
式中，Δyk，n表示在编号为k的管道分段的混合天然气中某一组分的摩尔质量在一个时间步长单位的变化量；T1、T2代表计算常数；y0，n为已知边界条件；ymix表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气中某一组分的摩尔质量；yi表示某一确定时间点、确定位置处的单一组分的摩尔质量，∑yi表示混合天然气的摩尔总质量；qi表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气中某一组分的体积流量，∑qi表示某一确定时间点、确定位置处的混合天然气的体积总流量。
6.如权利要求4所述的一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算方法，其特征在于：所述步骤2.3)中，设定的输出参数包括每个下载点的热值、密度、C1～C4的组分含量以及其他非烃类组分的含量；图表包括设定时间长度的管道全程的输出参数的分布图以及具体管道位置的输出参数的随时间变化图。
7.如权利要求3所述的一种天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述设定误差阈值为3％。
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- 2021-05-25 CN CN202110571490.0A patent/CN113239645A/zh active Pending
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