[發明專利]一種基于路徑搜索的天然氣動態流動溫度預測方法

有效

• 申請號: 201711240895.6
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107977513B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 王鵬;宇波;孫東亮;敖尚民
• 申請（專利權）人: 北京石油化工學院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

本發明涉及一種基于路徑搜索的天然氣管網內天然氣動態流動時的溫度預測方法，首先將待預測的天然氣管網進行網格離散，借助于實際測量等方法，確定天然氣管網中各離散節點的水力參數，然后將具有偏微分形式的天然氣在管道內部運行的動態能量方程進行數學離散，同時將具有非線性形式的天然氣在非管道元件的溫度變化方程進行線性處理，得到所需要的線性代數方程組；增加相應的天然氣管網溫度計算的邊界條件后，采用基于路徑搜索的方法進行溫度預測的求解，一直計算到所需要的時刻。本發明兼具計算速度快和可預測的下一時刻的時間間距較長兩個優點，可實現對天然氣流動狀態波動持續時間較長或波動較大的工況均高效地進行溫度預測。

技術領域

本發明涉及一種基于路徑搜索的天然氣動態流動溫度預測方法，適用于天然氣管網內天然氣溫度預測及測量。

背景技術

天然氣作為一種優質、清潔、高效的化石能源，在發展低碳經濟的時代背景下備受青睞。國際能源署(IEA)明確指出21世紀是“天然氣黃金時代”。近年來，我國非常重視天然氣的發展，并取得了很大的成就，截止2015年底天然氣占我國能源結構的的5.9％，天然氣干線管道總長約為6.4萬公里。同時，能源發展“十三五”規劃指出，我國將繼續加大天然氣管道建設力度，進一步落實全國主干管網及區域管網的互聯互通，“十三五”末期天然氣干線管道總里程將達到10.4萬公里。天然氣管網里程日益增加，各管道相互聯通，管網拓撲結構不斷趨于復雜化，任何管道或設備運行狀態變化均會波及整個管網，這對管網的設計、運行、管理等均提出了新的挑戰。若是能提前預算天然氣管網內流動參數，則可以根據這些流動參數的變化趨勢來制定相應運行方案，有可效應對那些新的挑戰。在天然氣流動參數中，溫度參數是一個重要的參數，主要體現在以下幾個方面：(1)溫度影響著天然氣輸送時的計量。天然氣是可壓縮氣體，其某時刻的狀態由壓力、溫度共同決定，尤其是氣體密度受溫度影響。因此，如果天然氣計量時溫度確定有誤，必然導致所計量的天然氣的量有著較大的誤差。(2)溫度影響著天然氣管網關鍵設備的運行。壓縮機是天然氣輸送的關鍵動力設備，用于給天然氣加壓，使之有足夠的動力輸送到下游。但是壓縮機在將天然氣增壓時，氣體溫度會升高，過高的溫度會嚴重影響壓縮機的運行性能。因此，如果進入壓縮機時溫度確定有誤，必然影響壓縮機的運行性能，嚴重時可損壞壓縮機。可見，溫度參數的正確預測，可以為合理規劃管網、優化調度運營、保障天然氣供應等提供重要的參考依據，對天然氣管網輸送業務有重要的實際意義。

天然氣管網中溫度預測的方法是在已知天然氣在管網中運行的水力參數(如管道的壓力和流量等參數)后，通過數值解法求解天然氣在管道內部運行的動態能量方程和非管道元件(壓縮機或閥門等)的溫度變化方程，以得到管道內部的溫度參數。其中，確定天然氣在管網中運行的水力參數的過程可以采用計算機仿真的方法或實際測量的方法。天然氣在管道內部運行的動態能量方程為偏微分方程，天然氣在非管道元件(壓縮機或閥門等)的溫度變化方程為非線性方程，無法直接給出解析解。因此，工程上常采用數值求解法來求解，現有求解方法可以分為顯式方法和隱式方法兩類。這兩類方法的特點說明如下：

顯式方法的優缺點如下：優點：求解過程中所采用數學公式的右邊僅有一個離散節點或僅有元件出口的待預測的溫度的值，在計算機編程求解即為一個數值的賦值過程，無需多次的迭代計算過程，計算過程簡單，計算速度快；缺點：顯式方法所采用時間步長的取值受限于穩定性條件，可取范圍較小，即可預測的下一時刻的時間間距較短。所以，對于天然氣管網內天然氣流動狀態波動持續時間較長的工況，若采用顯式方法，則需要預測的時刻的數目巨大，導致預測效率低。因此，顯式方法對天然氣流動狀態波動持續時間較長的工況進行溫度預測時，預測效率低。例如，通常天然氣管網溫度預測時，兩個離散節點之間的距離約為1km，而天然氣絕熱波速約為400m/s，則時間步長取值約為若采用顯式方法去預測持續一個月的天然氣溫度，則至少需計算4萬多個時刻。即使計算每個時刻所需的時間較少，計算4萬多個時刻所需的總時間也會較長，因此溫度預測的效率較低。