[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

本公開屬于天然運行控制技術領域，具體涉及一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法及系統，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。

技術領域

本公開屬于天然運行控制技術領域，具體涉及一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法及系統。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

輸氣管網是天然氣系統的重要組成部分，對于天然氣系統仿真的關鍵在于對輸氣管網氣體動態流動過程的仿真。通過建立輸氣網絡的動態仿真模型并進行求解，能夠模擬給定條件下的天然氣系統動態運行狀況，并預測未來一段時間系統節點氣壓和管道流量等狀態量的變化。輸氣網絡的動態仿真結果可以為天然氣系統的優化運行提供參考，為工程實踐提供理論依據。為使模型能更有效地應用于系統的優化運行研究，就需要采用合理方法對輸氣網絡動態仿真模型進行快速準確求解，以提高規劃運行效率，否則求解速度過慢，精度過低，模型就會失去實際的應用價值。

據發明人了解，輸氣網絡動態偏微分方程模型的求解面臨以下難點，使得難以對天然氣系統進行快速精確仿真：天然氣在管道內部的一維動態流動過程由一組偏微分方程來描述，刻畫輸氣管道動態仿真模型的原始輸偏微分方程組十分復雜，氣體壓力、密度以及流速等狀態參數之間相互關聯，并且均為時間和空間的函數，即使現有研究采用一些普遍認可的假設對方程進行簡化，但偏微分方程本身仍然難以直接進行有效求解；此外，方程組中存在非線性項，方程復雜度高、非凸性強，采用非線性求解方法計算量大，計算速度慢。對于實際工程中具有數百甚至數千個相互連接的管道的大規模管網系統，復雜的偏微分方程組的求解方案會導致計算時間過長，求解效率降低，并且大量數據的儲存需求也會導致計算成本上升。

發明內容

為了解決上述問題，本公開提出了一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法控系統，基于線性化和離散化網格方法將描述輸氣網絡動態仿真的偏微分方程組模型轉化為線性方程組模型，提高模型求解速度，并通過迭代求解保證精度。所提的方法與傳統方法相比提高了仿真求解的穩定性，減少了所需求解的變量數目，并能夠實現對動態過程的良好擬合。

根據一些實施例，本公開的第一方案提供了一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法，采用如下技術方案：

一種天然氣輸氣管網系統動態仿真的求解方法，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。

作為進一步的技術限定，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，p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。

作為進一步的技術限定，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；

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：