CN115935566A

CN115935566A - 天然气管网的模拟仿真方法、系统、存储介质和电子设备

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Publication number: CN115935566A
Application number: CN202211564355.4A
Authority: CN
Inventors: 张对红; 陈朋超; 杨毅; 魏政; 阎涛; 侯本权; 刘天尧; 徐波; 朱峰; 薛向东; 康阳
Original assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp
Current assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明涉及天然气管网技术领域，尤其涉及一种天然气管网的模拟仿真方法、系统、存储介质和电子设备，方法包括：将待模拟天然气管网的几何模型划分为多个局部几何模型，多个局部几何模型之间设有至少一个联络节点；为每个局部几何模型分别设置初始条件，计算得到每个局部几何模型的运行状态数据，并通过守恒方程对每个局部天然气管网的末端和联络节点进行迭代，当满足守恒方程的收敛条件时，停止迭代，得到待模拟天然气管网的运行状态数据。可对大规模、复杂结构、强非线性的全要素天然气管网进行模拟仿真，且对处于正常工况下的天然气管网的模拟仿真具备极强的稳定性，在处于异常工况下的天然气管网的模拟仿真具备较好的容错性。

Description

天然气管网的模拟仿真方法、系统、存储介质和电子设备

背景技术

随着天然气管网自身规模的不断增大，管网气源及用户增多，管网拓扑结构日益复杂，管网运行工况日趋多变，客观上需要一套工具或技术来快速、准确预测天然气在管中的输送状态，管存变化等信息，从而为管网的安全调度及突发事故预警提供重要的信息。天然气管网仿真技术利用数字模拟建立与实际管道相一致的虚拟数字管道，在空间上实现对全管网系统各个节点运行参数如压力、温度的计算，在时间上，可以再现历史运行工况、预测未来运行状态。因此天然气管网仿真技术已成为解决上述问题的技术和工具，是管网业务不可或缺的核心技术。在天然气管网仿真技术中，核心算法决定了管网仿真的稳定性及计算效率，也一定程度影响了仿真精度，因此，受到的关注日益递增。

自1970年以来，基于公开发表文献报道可知，主流商业仿真软件的仿真核心算法多为全局求解方法，也即直接求解大规模，离散后的，具备稀疏性特征的非线性方程组。求解的方法从数学的角度分类，可以分为直接线性化或逐次线性化，直接线性化代表性的方法有水力配置法，商业软件TGNET,TLNET就使用了此类方法，该类方法的缺点是难以应对大规模管网问题，原因在于直接线性化难以有效应对强非线性问题，在工业实践过程中虽可通过减小时间步长来降低线性化过程的信息丢失量，使计算能够顺利进行。但是这种作法会使得模拟时长变长，无法高效模拟大规模管网。

逐次线性化代表性的方法有N-R方法(牛顿-拉夫逊方法)，改进的N-R方法(牛顿-拉夫逊方法+加速因子或线性搜索)，拟牛顿法等，管道仿真行业的代表性人物STONER就曾在发表于1972年地论文讲述了商业软件SPS所用的核心算法，采用的是牛顿-拉夫逊方法+加速因子。目前尝试采用如分而治之思路(分层算法)这类另辟捷径的方法。分层算法的原理简单直接，通过将大规模问题分解成若干小规模问题，从而使得顶层矩阵的数量大大降低，以提升稳定性及降低计算时间。以测试的简单情况为例，3.7万千米的大规模全要素管网，如采用前述的全局求解方法，在不考虑能量方程的前提下，计算规模约为7.4万乘7.4万个计算节点，在考虑能量方程的前提下计算规模约为11.1万乘11.1万个计算节点。如采用分层算法，需求解的顶层矩阵规模约为1000乘1000，很显然，顶层矩阵的计算规模直接降低约100倍左右，相对而言，其求解的稳定性和计算效率显然可得到大大提升。

然而分层算法也有其明显弱点，主要源于两点：

1)现有的分层算法的底层是采用线性化技术的，因此当边界条件变化过大的情况，如前所示，该方法是容易发散；

2)分层算法的计算顺序显然是自顶层而至底层的，而顶层矩阵是必然牵涉到全局相关信息，所以一旦出现不符合物理规律的情况，在顶层矩阵求解时会直接出现发散情况，导致底层矩阵直接无法求解。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种天然气管网的模拟仿真方法、系统、存储介质和电子设备。

本发明的一种天然气管网的模拟仿真方法的技术方案如下：

将待模拟天然气管网的几何模型划分为多个局部几何模型，多个局部几何模型之间设有至少一个联络节点；

为每个局部几何模型分别设置初始条件，计算得到每个局部几何模型的运行状态数据；

基于得到每个局部几何模型的运行状态数据，并通过守恒方程对每个局部天然气管网的末端和联络节点进行迭代，当满足守恒方程的收敛条件时，停止迭代，得到所述待模拟天然气管网的运行状态数据。

本发明的一种天然气管网的模拟仿真方法的有益效果如下：

可对大规模、复杂结构、强非线性的全要素天然气管网进行模拟仿真，且对处于正常工况下的天然气管网的模拟仿真具备极强的稳定性，在处于异常工况下的天然气管网的模拟仿真具备较好的容错性。

在上述方案的基础上，本发明的一种天然气管网的模拟仿真方法还可以做如下改进。

进一步，计算得到每个局部几何模型的运行状态数据，包括：

利用非线性方程组计算得到每个局部几何模型的运行状态数据。

进一步，所述守恒方程为质量守恒方程、动量守恒方程或能量守恒方程。

进一步，所述待模拟天然气管网的运行状态数据包括：所述待模拟天然气管网的每个预设位置的压力随时间变化的数据、每个预设位置的流量随时间变化的数据以及所述待模拟天然气管网沿线压力分布数据。

本发明的一种天然气管网的模拟仿真系统的技术方案如下：

包括划分设置模块、计算模块和迭代计算模块；

所述划分设置模块用于：将待模拟天然气管网的几何模型划分为多个局部几何模型，多个局部几何模型之间设有至少一个联络节点；

所述计算模块用于：为每个局部几何模型分别设置初始条件，计算得到每个局部几何模型的运行状态数据；

所述迭代计算模块用于：基于得到每个局部几何模型的运行状态数据，并通过守恒方程对每个局部天然气管网的末端和联络节点进行迭代，当满足守恒方程的收敛条件时，停止迭代，得到所述待模拟天然气管网的运行状态数据。

本发明的一种天然气管网的模拟仿真系统的有益效果如下：

在上述方案的基础上，本发明的一种天然气管网的模拟仿真系统还可以做如下改进。

进一步，所述计算模块具体用于：

本发明的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一项所述的一种天然气管网的模拟仿真方法。

本发明的一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。

附图说明

图1为本发明实施例的一种天然气管网的模拟仿真方法的流程示意图；

图2为多进口和多出口天然气管网的示意图；

图3为对流入流量设置修正系数的示意图；

图4为天然气管网中各点压力随时间变化的示意图之一；

图5为天然气管网中各点流量随时间变化的示意图之一；

图6为天然气管网沿线压力分布的示意图之一；

图7为天然气管网中各点压力随时间变化的示意图之二；

图8为天然气管网中各点流量随时间变化的示意图之二；

图9为天然气管网沿线压力分布的示意图之二；

图10为中心差分格式的示意图；

图11为单管瞬态仿真隐式差分算法的流程示意图；

图12为本发明实施例的一种天然气管网的模拟仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的一种天然气管网的模拟仿真方法，包括如下步骤：

S1、将待模拟天然气管网的几何模型划分为多个局部几何模型，多个局部几何模型之间设有至少一个联络节点；

其中，可根据联络节点对待模拟天然气管网进行划分，联络节点指：多条管段或设备(如压缩机、阀门)的空间连接处。

S2、为每个局部几何模型分别设置初始条件，计算得到每个局部几何模型的运行状态数据，具体利用非线性方程组计算得到每个局部几何模型的运行状态数据。

其中，初始条件为：天然气管网仿真时的初始场景，举例来说，可包括气源处的压力设置、分输点处的分输设定等。

S3、基于得到每个局部几何模型的运行状态数据，并通过守恒方程对每个局部天然气管网的末端和联络节点进行迭代，当满足守恒方程的收敛条件时，停止迭代，得到待模拟天然气管网的运行状态数据。

其中，守恒方程为质量守恒方程、动量守恒方程或能量守恒方程，质量守恒方程的收敛条件为：质量守恒方程的残差平方和。动量守恒方程的收敛条件为：动量守恒方程的残差平方和，能量守恒方程的收敛条件为：能量守恒方程的残差平方和。

每个局部天然气管网的末端具体指：空间上和联络节点相连的一处管段或设备的末端。

基于得到每个局部几何模型的运行状态数据，并通过守恒方程对每个局部天然气管网的末端和联络节点进行迭代，具体过程如下：可通过典型的如牛顿迭代法或任意优化迭代方法，使得以守恒方程残差平方和为目标函数，联络节点处工艺参数为自变量的无约束优化方程最终达到收敛条件。

本发明可对大规模、复杂结构、强非线性的全要素天然气管网进行模拟仿真，且对处于正常工况下的天然气管网的模拟仿真具备极强的稳定性，在处于异常工况下的天然气管网的模拟仿真具备较好的容错性。

可选地，在上述技术方案中，待模拟天然气管网的运行状态数据包括：所述待模拟天然气管网的每个预设位置的压力随时间变化的数据、每个预设位置的流量随时间变化的数据以及所述待模拟天然气管网沿线压力分布数据。

根据待模拟天然气管网的运行状态数据能够确定待模拟天然气管网的设计方案是否符合工程要求，若不符合，则通过优化修改，直至得到符合工程要求的天然气管网的设计方案。

本发明不失一般性，假设为等温情况，因此传热方程、能量方程均不介入计算，同时假设温度变量T为常数，其数值可设置为20℃＝293.15K，因此本发明仅需求解质量守恒方程、动量守恒方程，其中状态方程通过介入流动变量间接接入非线性方程组计算。

计算案例如下所示：假设为多进口(m进)多出口(n出)，如图2所示。

不失一般性，做如下定义，仿真过程中的基础变量、流动通量如下所示：

流动通量：u＝(P，Q)^τ；

瞬态变化为：

进口1：P1→P1+ΔP1；

进口2：P2→P2+ΔP2；

出口1：Pout1→Pout1+ΔPout1；

本发明可分为两种情况：

1)第一种情况：

当所有进口，出口均设置边界条件时，可直接采用优化方法求解，简单而言，可设置m进，和n出的联络节点处压力为决策变量，则将问题转为为1维的非线性无约束优化问题，其中决策变量联络节点处压力，为实数，非向量。目标函数为所有进入、流出流量的差值平方和。问题转换为寻找一个合适的压力值，使得联络节点处的所有流入质量流量与所有流出节点流量和趋向于0，该问题为1维非线性问题，可直接求解。

1)第二种情况：当有1处或多处自由边界，即该处不能设置边界条件时，需通过流出流量修正系数，保障节点处流量守恒。

由于流动特性，仅可以对流出流量设置修订系数，不可以对流入流量设置修正系数，如图3所示。

则求解流程为：

STEP 0：当t＝n时为已知解,

P_i、P_j、P_z、Q_i、Q_j、Q_z、ρ_i、ρ_j、ρ_z、u_i、u_j、u_z为已知值；

边界条件为未变换前；

流出流量修正系数初始化为1.0。

STEP 1：k＝0时，即为t＝n时的值；

边界条件在k＝1后，直至收敛前为设置后(变换)的边界条件。

STEP 2-1：k＝1时，第一次迭代：

对于i管段，由压力出口边界

流量入口边界条件Q^(k＝0)，通过小规模瞬态仿真非线性方程组求解更新入口压力P^(k＝1)；

对于z管段，由流量流出边界条件Q^(k＝0)

P_z＝P_z+ΔP_z

通过小规模瞬态仿真非线性方程组求解，更新出口压力得出P^(k＝1)；

对于j，同上；

对于其他无边界条件变化管段，在此时步，可求解也可不求解，但不失一般性，建议求解。求解上述管段的方法可参照下文中“单管瞬态仿真数学模型和数值求解算法”的内容。

STEP 2-2：基于计算后的所有流入流出流量，可通过联络节点流量守恒条件、更新流出流量修正系数。

STEP 3：k＝2时，第二次迭代所有步骤均同上一步，除了所有流出流量均需根据上步骤的流量进行修正后，进入方程，全局更新迭代。

STEP 4：是否满足收敛条件：

本发明设置收敛条件为：||p^k-P^k+1||≤ε；

其中P为联络节点相关的M+N处节点的压力权重平均值；

正常收敛时，按照此收敛条件及算法设计，流量平衡，节点处压力守恒，流量修正系数应为1.0。

异常工况下收敛条件为迭代步数大于设置的最大迭代步数(如100步)。

其中，上标ⁿ：当前时步(已知值)；上标ⁿ⁺¹：下一步(时步)(需求解)；上标^k：采用的迭代方法(如Newton法)第k步，k＝0时，为当前时步；上标^k+1：采用的迭代方法(如Newton法)第k+1步；通过构造k＝0，k＝1，…，k＝k，k＝k+1来逼近，第n+1时步(下一步时步)需求解的基本变量的数值，下标：代表空间位置。

本发明基于管道流动物理机理的方法，通过将各处流动变化逐步传递至末端处，其中流动变化起点和对应的末端是遵循瞬态仿真守恒方程的，直接而言，管段的管存会变化，而末端和联络节点之间是遵循联络节点的守恒方程的，一般而言，此处采用的守恒方程是不含时间变量的。通过末端和联络节点的变化及管段的变化反复迭代，通过构造系列的流动变量，逼近瞬态的最终流动变量。

本发明是一种不受限于管网规模，仅需求解小规模非线性方程组的工业级天然气管网仿真核心方法。本发明已进行了内部单元测试、小规模集成测试、复杂拓扑结构测试、大规模管网测试。测试结果表明，本发明方法不影响计算精度、具备极高的稳定性和较强的容错性，在3.7万千米规模时，单次瞬态仿真耗时约0.3秒，计算效率与国外商业软件的3秒相比，提升了约9倍。通过如下实验数据进行具体说明：

测试的大规模复杂管网基本情况：该管网全长37909.65km，管外径范围从324mm从1422mm，473个节点和271段管道。采用了本发明的方法对稳态及瞬态仿真分别进行了测试，具体地：

1)稳态仿真测试：设定入口压力8MPa，出口压力2MPa，管道各点压力随时间变化如图4所示，管道各点流量随时间变化如图5所示，管道沿线压力分布如图6所示；

2)瞬态仿真测试：设定入口压力在8MPa附近正弦变化，出口压力2MPa，测试瞬态仿真过程，管道各点压力随时间变化如图7所示，管道各点流量随时间变化如图8所示，管道沿线压力分布如图9所示；

3)计算效率分析：在3.7万计算节点、矩阵规模为7.4万，单次瞬态迭代时间为小于1秒级别，仿真模拟时间如表1所示。

表1：

单管瞬态仿真数学模型和数值求解算法：

管段模型：

连续性方程：

运动方程：

能量方程：

ρ——气体密度，kg/m³，P——气体压力，Pa，h——气体焓，J/kg，T——气体温度，K，θ——管道与水平面间的倾角，rad，t——时间变量，s，M——气体的质量流量，kg/s，D——管道内径，m，K——管道总传热系数，W/(m²·K)，T₀——管道埋深处温度，K，g——重力加速度，m/s²，x——管道位置变量，m，在上面三个方程中，其未知量有ρ，P，T，h，M五个。还需补充两个方程，它们是气体状态方程和焓方程。

BWRS状态方程：

其中，p——kPa，T——K，ρ——kmol/m³，R——R＝8.3143kJ/(kmol·K)；

焓方程：

等温焓差的单位为kJ/kmol，

上式中焓的单位为kJ/kg。

隐式差分法：

中心差分格式如图10所示，具体公式如下：

管段差分方程：

连续性方程的差分格式：

运动方程的差分格式：

能量方程的差分格式：

单管瞬态仿真采用牛顿-拉夫逊法求解：

将网格上的差分方程写成如下形式：

f₁(M_i,M_i+1,ρ_i,ρ_i+1)＝0

f₂(M_i,M_i+1,ρ_i,ρ_i+1)＝0

f₃(M_i,M_i+1,ρ_i,ρ_i+1,T_i,T_i+1)＝0

边界条件：管段入口给定密度和温度，出口给定质量流量。

由管段离散方程和边界条件方程得到非线性方程组，可以采用牛顿-拉夫逊法求解。

迭代方程组可写为：J(X)ΔX＝F，ΔX——修正向量，F——函数向量，J(X)——雅可比矩阵。

线性方程组求解可以采用稀疏矩阵存储和求解技术，如SuperLU，单管瞬态仿真隐式差分算法流程如图11所示。

本发明采用了全新的自局部至整体的计算思路，因此，不需依赖拓扑结构，从而可适应各种复杂拓扑结构；也仅需求解局部的小规模非线性方程组，从而保证了其具有极高的稳定性和计算效率，此外由于该算法的整体思路，保证了即使存在不符合物理规律的情况下，局部管网仍然收敛，保障了异常工况下的容错性。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图12所示，本发明实施例的一种天然气管网的模拟仿真系统200，包括划分设置模块210、计算模块220和迭代计算模块230；

划分设置模块210用于：将待模拟天然气管网的几何模型划分为多个局部几何模型，多个局部几何模型之间设有至少一个联络节点；

计算模块220用于：为每个局部几何模型分别设置初始条件，计算得到每个局部几何模型的运行状态数据；

迭代计算模块230用于：基于得到每个局部几何模型的运行状态数据，并通过守恒方程对每个局部天然气管网的末端和联络节点进行迭代，当满足守恒方程的收敛条件时，停止迭代，得到待模拟天然气管网的运行状态数据。

可选地，在上述技术方案中，计算模块220具体用于：

可选地，在上述技术方案中，守恒方程为质量守恒方程、动量守恒方程或能量守恒方程。

可选地，在上述技术方案中，所述待模拟天然气管网的运行状态数据包括：所述待模拟天然气管网的每个预设位置的压力随时间变化的数据、每个预设位置的流量随时间变化的数据以及所述待模拟天然气管网沿线压力分布数据。

上述关于本发明的一种天然气管网的模拟仿真系统200中的各参数和各个单元模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种天然气管网的模拟仿真方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

本发明实施例的一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取指令时，使计算机执行如上述任一项的一种天然气管网的模拟仿真方法。

本发明实施例的一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，处理器执行存储介质中的指令，其中，电子设备可以选用电脑、手机等。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。

因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种天然气管网的模拟仿真方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种天然气管网的模拟仿真方法，其特征在于，计算得到每个局部几何模型的运行状态数据，包括：

3.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网的模拟仿真方法，其特征在于，所述守恒方程为质量守恒方程、动量守恒方程或能量守恒方程。

4.根据权利要求1或2所述的一种天然气管网的模拟仿真方法，其特征在于，所述待模拟天然气管网的运行状态数据包括：所述待模拟天然气管网的每个预设位置的压力随时间变化的数据、每个预设位置的流量随时间变化的数据以及所述待模拟天然气管网沿线压力分布数据。

5.一种天然气管网的模拟仿真系统，其特征在于，包括划分设置模块、计算模块和迭代计算模块；

6.根据权利要求5所述的一种天然气管网的模拟仿真系统，其特征在于，所述计算模块具体用于：

7.根据权利要求5或6所述的一种天然气管网的模拟仿真系统，其特征在于，所述守恒方程为质量守恒方程、动量守恒方程或能量守恒方程。

8.根据权利要求5或6所述的一种天然气管网的模拟仿真系统，其特征在于，所述待模拟天然气管网的运行状态数据包括：所述待模拟天然气管网的每个预设位置的压力随时间变化的数据、每个预设位置的流量随时间变化的数据以及所述待模拟天然气管网沿线压力分布数据。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至4中任一项所述的一种天然气管网的模拟仿真方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和权利要求9所述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。