天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法
2023-09-22 23:00:40 1
專利名稱：天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法
技術領域：
本發明是一種天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法。涉及管道系統技術領域。
背景技術：
天然氣管網的仿真是利用天然氣在管道中流動的數學模型來描述的，它是一組非線性的偏微分方程組，學術界並沒有給出符合工程應用需要的解析解，在工程中通常採用數值法進行求解。管網仿真包括穩態仿真和瞬態仿真兩方面，穩態仿真是進行管網設計的有力工具，是選取管網結構和參數方案的重要依據，其準確性直接影響設計方案是否安全可靠與經濟合理。瞬態仿真能夠模擬管網運行參數隨時間的變化，可以針對不同的工藝設計方案，例如調峰、管道放空和斷裂突發事故，進行瞬態計算，根據計算結果，提出好的解決方案，從而保障有效的調度管理和及時發現並處理突發事故。天然氣管網輸送系統動態仿真與穩態仿真相比求解難度更大，應用範圍更廣。2005年「天津大學論文」中「燃氣管網系統安全性及仿真的理論分析與應用研究」公開了一種以三大守恆方程為基礎建立等溫和非等溫條件下的燃氣管網穩動態仿真理論模型，通過對比所得結果進行比較和分析，得出其工程的可應用性，進而為燃氣管網的優化提供參考。但目前天然氣管網輸送系統動態仿真過程實現方法存在水力、熱力系統耦合求解不穩定的難題，計算時間長、求解效率低。常用的求解動態仿真數值模型的方法包括近似解析法(線性化)和數值法兩大類。近似解析法的處理是將數學模型的分線性部分線性化，轉化成偏微分方程組，然後根據初值求出解析解，線性化的方法主要有均值、恰爾內插值以及最小二乘法。近似解析法的主要有點是計算速度快，缺點是計算精度較差，適用於長時間範圍內模擬管網運行情況。數值法是隨著計算機技術的成熟而逐漸發展起來的，主要是有限差分法，該方法的原理是把偏微分方程轉化成差分方程，然後用數值迭代方法求解差分方程。偏微分方程轉化成差分方程方法主要有特徵線法、隱式中心法和泰勒展開法。數值解法的優點是計算精度高而且計算較靈活，缺點是求解速度不如近似解析解法快。對於特徵線法，針對系統的各個節點和管道內部網格點獨立建立相應的低維的非線性代數方程組，可將管道上的偏微分方程化為特徵差分方程，其特點是不需要求解龐大的非線性方程組，易於求解，佔用較少的計算機內存，但為了滿足求解的穩定性，時間層次往往取得很小。然而，對於天然氣管網系統而言，由於氣體的可壓縮性，其出現不穩定程度要比液體管道出現的不穩定程度小得多，因而時間層次取得過小沒有必要，並且不符合工 程應用對動態仿真時間步長的要求。對於隱式差分法，考慮所有節點和管道內部網格點，建立統一的高維非線性代數方程組。由於要將待求時間層次上所有的未知量聯立起來進行求解，需要求解的非線性方程組非常龐大，求解需要較長的時間。但是這種方法能夠保證求解的穩定性，時間步長可取得較大。
發明內容
本發明的目的是發明一種水力、熱力系統耦合求解穩定、計算時間短、求解效率高的天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法。本發明的天然氣管網輸送系統動態仿真過程實現方法(見圖I)是「蛙跳」策略分離水力、熱力系統；「迎風」格式處理熱力系統不穩定性；線性方程組求解；
得到天然氣管網輸送系統動態仿真數值模型求解結果。所述水力系統和熱力系統的「蛙跳」策略是目前常用的求解動態仿真數值模型的各種方法多將水力系統和熱力系統耦合在一起進行聯立求解；在實際仿真過程中，系統的外部邊界(壓力、溫度)的劇烈變化會引起求解過程中溫度曲線出現嚴重「鋸齒」現象，引起壓力和流量分布曲線震蕩，甚至出現不符合物理意義的溫度計算值，直至計算結果發散、系統崩潰。為了處理溫度曲線的「鋸齒」以及對水力系統對熱力系統的幹擾問題，將整個天然氣管網系統分割為水力系統和熱力系統分別離散並聯立，在每個時步分別單獨進行求解，先將熱力參數採取前兩個時步的「外插值」傳入水力系統進行求解，將水力系統求解結果傳遞給熱力系統，進行熱力系統的求解。其求解流程(見圖2)為水力系統和熱力系統分別離散；水力系統和熱力系統分別建立初始狀態；熱力系統的熱力參數外插值處理；水力系統初始狀態建立後與熱力參數外插值處理後共同作用於水力系統；水力系統後到熱力系統；熱力系統再到熱力參數外插值處理；水力系統後結束。「蛙跳」策略隨時間交替求解水力系統和熱力系統，每個能量方程以前面得到壓力和流量值為基礎計算溫度，而每個水力系統又以前兩個時步「外插」得到的溫度值為基礎計算壓力和流量；其優點用兩個規模較小的矩陣求解代替一個大矩陣求解，大幅度地提高了計算速度；由於小矩陣的特殊結構，可以用稀疏矩陣技術存儲；雖然說對於現代計算機速度已不是主要問題，但充分提高計算效率對離線動態仿真數值模型求解仍然具有十分重要的意義；所述「迎風」格式處理熱力系統不穩定性(見圖3)是耦合求解水力系統和熱力系統時溫度出現曲線出現「鋸齒」的根本原因在於熱力系統的不穩定性；通過「蛙跳」策略分離水力、熱力系統後，增加計算速度的同時，也將不穩定的熱力系統分離出來集中處理，將熱力系統在時間軸上的收斂階數從I階提高到了 2階，極大地提聞了熱力系統的穩定性。此外，在管路內流體流向發生改變時，溫度曲線同樣會出現「鋸齒」，從而引起水力系統的崩潰。這是因為在求解動態仿真系統過程中，很重要的一點是確定流場信息傳播的速度和方向，以使數值格式與流動的物理性質保持一致，否則得到的結果在不光滑區域附近會出現相當大的震蕩，甚至得到的結果不可接受。為了解決上述問題，引入了「迎風」格式；迎風格式是根據流場的特徵速度方向來確定差分取向，在物理上符合擾動波傳播規律，同時克服了特徵線法為滿足穩定性而要求時間層此取得很小的限制，以及採用中心差分因忽略流動信息傳播方向而造成求解結果劇烈震蕩的不足。在天然氣管網輸送系統動態仿真數值模型求解具體中，採用分段常量函數來逼近溫度曲線，在每個計算節點根據流速的方向，來決定溫度的導數的插值形式(向後插值、和向前插值)保證始終是沿著流體流動的方向進行插值處理；這種方法有效地解決了在流向不定時的熱力方程的穩定性問題。所述線性方程組求解是根據管網的拓撲結構(見圖4)及特性，對形成的非線性系統進行拓撲排序，使得形成的雅克比矩陣是一個帶邊的塊狀對角稀疏矩陣，採用Harwell-Boeing格式進行和線性方程組求解器進行數據交換，以減少求解時內部預處理的耗時，從整體上提高求解效率；實踐表明，對於3萬維度的矩陣來說，其 線性求解的耗時在10毫秒級。本發明提出的適用於天然氣管網輸送系統動態仿真數值模型求解方法，克服了水力、熱力系統耦合求解不穩定的難題，縮短計算時間、提高求解效率，滿足實際生產中應用要求。
圖I動態仿真過程實現方法流程2「蛙跳」策略示意3迎風策略示意4管網拓撲結構圖
具體實施例方式實施例.以本例來說明本發明的具體實施方式
並對本發明作進一步的說明。本例是天然氣管網輸送系統動態仿真數值模型求解效率實例，其流程如圖I所示「蛙跳」策略分離水力、熱力系統；「迎風」格式處理熱力系統不穩定性；線性方程組求解；得到天然氣管網輸送系統動態仿真數值模型求解結果。為了驗證本發明提出的天然氣管網動態仿真過程實現方法的計算效率以及求解的準確性，以國內某天然氣管網作為實施例，與國外商用管道仿真軟體Stoner PipelineSimulator(SPS)在同樣的條件下(天然氣組分、地溫分布、首戰出站壓力、末站進站壓力、壓縮機和閥門狀態)進行了動態仿真結果對比。實施例中長輸天然氣管網包含3個氣源、7個壓縮機站、6個分輸站、32個閥室、45個管段，幹線長度1568km。不失一般性，在此給出其中的一個壓縮機站、2個閥室、I個分輸站的拓撲結構，如圖4所示。從零流量開始啟動運行動態仿真，當仿真時間累計達到16小時候系統已基本穩定，天然氣管網進口參數和出口參數計算結果對比情況分別如表I和表2所示
表I實施例管網啟動過程仿真進口參數計算結果對比
權利要求
1.一種天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法，其特徵是該方法為 「蛙跳」策略分離水力、熱力系統； 「迎風」格式處理熱力系統不穩定性； 線性方程組求解； 得到天然氣管網輸送系統動態仿真數值模型求解結果。
2.根據權利要求I所述的天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法，其特徵是所述水力系統和熱力系統的「蛙跳」策略是 將整個天然氣管網系統分割為水力系統和熱力系統分別離散並聯立，在每個時步分別單獨進行求解，先將熱力參數採取前兩個時步的「外插值」傳入水力系統進行求解，將水力系統求解結果傳遞給熱力系統，進行熱力系統的求解； 其求解流程為 水力系統和熱力系統分別離散； 水力系統和熱力系統分別建立初始狀態； 熱力系統的熱力參數外插值處理； 水力系統初始狀態建立後與熱力參數外插值處理後共同作用於水力系統； 水力系統後到熱力系統；熱力系統再到熱力參數外插值處理； 水力系統後結束。
「蛙跳」策略隨時間交替求解水力系統和熱力系統，每個能量方程以前面得到壓力和流量值為基礎計算溫度，而每個水力系統又以前兩個時步「外插」得到的溫度值為基礎計算壓力和流量；用稀疏矩陣技術存儲。
3.根據權利要求I所述的天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法，其特徵是所述「迎風」格式處理熱力系統不穩定性是 根據流場的特徵速度方向來確定差分取向；在天然氣管網輸送系統動態仿真數值模型求解中，採用分段常量函數來逼近溫度曲線，在每個計算節點根據流速的方向，來決定溫度導數的插值形式，始終沿著流體流動的方向進行插值處理。
4.根據權利要求I所述的天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法，其特徵是所述線性方程組求解為根據管網的拓撲結構及特性，對形成的非線性系統進行拓撲排序，使得形成的雅克比矩陣是一個帶邊的塊狀對角稀疏矩陣，採用Harwell-Boeing格式進行和線性方程組求解器進行數據交換。
全文摘要
本發明是一種天然氣管網輸送系統動態仿真過程的實現方法。涉及管道系統技術領域。該方法為「蛙跳」策略分離水力、熱力系統；「迎風」格式處理熱力系統不穩定性；線性方程組求解；得到天然氣管網輸送系統動態仿真數值模型求解結果。本發明水力、熱力系統耦合求解穩定、計算時間短、求解效率高。
文檔編號G06F17/50GK102779199SQ20111012465
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者宋飛, 柳建軍, 艾慕陽, 趙佳麗, 鄭建國, 陳國群, 鹿廣輝 申請人:中國石油天然氣股份有限公司