[發明專利]一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法及系統

有效

• 申請號: 202211397298.5
• 申請日: 2022-11-09
• 公開（公告）號: CN115688340B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 李正爍;趙佩堯
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 董雪

1.一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法，其特征在于，包括：

獲取天然氣輸氣網絡的拓撲結構，搭建輸氣管道動態偏微分方程；

對所搭建的偏微分方程進行離散化和線性化處理，得到線性方程組；

對所得到的線性方程組進行迭代求解，得到同一時層下的輸氣網絡各網格節點處的氣壓和質量流量，預測輸氣網絡的節點氣壓和管道流量，完成天然氣輸氣管網系統的動態仿真；

選取空間步長和時間步長，將輸氣網絡的所有管道劃分為網格，對偏微分方程進行離散化和線性化；動態時，基于節點類型的不同，即節點所處管道位置的不同，采用不同的離散格式；

在所述迭代求解的過程中，將上一時刻的節點氣壓和質量流量作為本時刻待求變量的假設值p^*和q^*，即迭代的初始值；通過節點氣壓誤差方程和流量誤差方程計算誤差，判斷所計算的誤差與容許值之間的大小關系，若所得到的誤差小于容許值，則基于迭代求解后的氣壓和流量，計算剩余節點的流量，完成天然氣輸氣管網系統的動態仿真求解；若所得到的誤差不小于容許值，則構建線性修正方程組，通過矩陣運算求解，得到修正變量，根據所得到的修正變量重新計算誤差，直到所得到的誤差小于容許值為止；

穩態時，管道內氣體壓力不隨時間變化，氣體流量不隨時間和空間變化，對空間偏導數離散，得到穩態條件下的管道壓力計算公式：

其中，和代表穩態時網格節點n和n-1處的氣體壓力，表示穩態時第i根管道的質量流量；

動態時，

對于管道中間的網格節點，采用如下所示離散格式：

對于管道首端節點和管道末端節點，采用如下所示離散格式：

為簡化表達，定義常數：

其中，Δx表示離散的空間步長，Δt表示離散的時間步長。

2.如權利要求1中所述的一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法，其特征在于，識別天然氣各個管道之間的連接關系，統計各管道末端的負荷情況；建立輸氣管道偏微分方程模型，并采用一般性假設進行簡化，可以得到由氣體壓力p(t,x)和質量流量q(t,x)描述的輸氣管道偏微分方程模型：

其中，t代表時間，x代表沿管道軸線方向的距離，代表氣壓，D代表管道內徑，A代表管道橫截面積，λ代表管道摩阻系數，Z代表氣體壓縮系數，R代表氣體常數，T代表溫度，q代表質量流量。

3.如權利要求1中所述的一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法，其特征在于：

穩態時，管道內氣體壓力不隨時間變化，氣體流量不隨時間和空間變化，對空間偏導數離散，得到穩態條件下的管道壓力計算公式：

其中，和代表穩態時網格節點n和n-1處的氣體壓力，表示穩態時第i根管道的質量流量；

動態時，

對于管道中間的網格節點，采用如下所示離散格式：

對于管道首端節點和管道末端節點，采用如下所示離散格式：

為簡化表達，定義常數：

其中，Δx表示離散的空間步長，Δt表示離散的時間步長。

4.如權利要求3中所述的一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法，其特征在于，設置需要迭代求解的變量，建立迭代變量矩陣；對于一根管道，給定上個時刻已知量和本時刻氣壓分布，直接計算出本時刻的流量分布，將氣壓和各分支管道首端流量作為迭代求解變量，建立壓力變量矩陣和流量變量矩陣。

5.如權利要求4中所述的一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法，其特征在于，基于穩態壓力公式和給定的穩態氣體質量流量，計算各網格節點的穩態節點壓力，作為網絡動態仿真的初始狀態，通過定義網格點壓力和流量修正值，得到節點氣壓誤差方程、節點氣壓修正方程、流量誤差方程和流量修正方程，完成偏微分方程的離散化和線性化處理，得到線性方程組。