基于断裂降维算法的天然气管网瞬态仿真新方法

天然气管网瞬态仿真技术在天然气管网系统调度管理中的作用日益凸显，日益大型化和复杂化的天然气管网对瞬态仿真计算效率提出了更高的要求。为此，提出了基于断裂降维算法的天然气管网瞬态仿真新方法，首先将管网模型抽象为站场模型、站间管网模型以及连接点模型；然后以连接站场和站间管网的连接点压力为基础变量，求解连接点流量的通解，重构站间管网的仿真模型，降低站间管网模型的方程组维度；随后以重构的站间管网仿真模型为基础，构建天然气管网系统瞬态仿真模型；最后分别针对压缩机转速缓慢变化和压缩机快速停机2种工况，对比分析了新算法的计算精度及计算效率。研究结果表明：(1)断裂降维新算法计算精度较高，压缩机出口压力和用户压力的相对误差均小于0.1%；(2)断裂降维新算法的计算效率高，与非线性方程组求解方法相比，2种工况下的加速比最快达到了17.3与12.2；(3)断裂降维新算法的加速比与管网系统瞬态仿真模型的方程组维度呈线性关系，方程组维度越高，加速比越大，即管网模型越复杂，其计算加速效果越明显。结论认为，该新方法在不影响计算精度的条件下提高了计算速度，对于提高复杂天然气管网系统的瞬态仿真计算效率具有重要的理论价值...     

燃气管道三色泄漏定位及风险评估

预防和控制燃气泄漏事故的发生以及合理评价燃气事故的风险,是燃气输运安全领域研究的重点课题,其关键技术在于燃气泄漏位置的确定。为了更加科学合理地对燃气事故进行预防、控制和评价,提出了基于首末端监控的双向同步仿真与实地监测相结合的时差最小化的三色泄漏定位方法和基于GIS的城市燃气管网区域风险评价方法,并针对其实现关键技术进行了探讨和分析：以增加耗散项和初始点、延长出口点的方法,简化了动态仿真模型求解过程,增加了结果的稳定性;建立了变孔径泄漏及扩散综合计算模型,运用格林函数得出了其相应经验解析公式,弥补了非定常泄漏研究及其扩散技术模型无法对泄漏扩散浓度做出合理可靠分析的不足;对燃气浓度极限和冲击波致人伤亡的危险性给予了分析。     

两种基于模式识别的枝状燃气管网泄漏定位方法

燃气管网的泄漏检测及定位研究一直是关注的焦点，但至今尚无较好的办法来实现管网的泄漏检测和定位。为此，介绍两种基于模式识别的枝状燃气管网泄漏检测与定位方法。利用小波分析对枝状燃气管网各端点获取的压力波信号进行消噪处理和奇异性分析，获取各端点压力突变点；再分别用加权最小距离分类器和神经网络法对泄漏点进行识别和定位。加权最小分类器法是基于标准化欧式距离和各属性权值计算基础上，将待检时间向量判定为与之距离最近的类，从而实现对泄漏点的定位；神经网络法分别选择BP网络和线性网络来判定泄漏点发生的管段及在该管段中的具体位置。仿真计算结果表明，两种方法获得的定位结果一致，证明了两种方法的有效性和精确性。     

基于信息熵的燃气输配管网系统可靠性分析

环状燃气管网具有多条流通路径，路径流量分配的不确定性与可靠性密切相关，而信息熵作为量度不确定性的手段，可间接定量地反映系统的可靠性。为此，基于信息熵理论及最大熵原理提出了路径熵的概念，并以此来定量量度燃气管网中气体从气源至节点流动过程中对路径选择的不确定性。此外，通过定义路径流量比来构建路径熵的概率空间，从而建立了路径熵的计算模型，并提出利用序贯方法、采用分层排序的思想求解模型。最后求解了一个算例中燃气管网的各节点路径熵。结果表明，路径熵间接反映了管网系统的流动阻力特性；路径熵值越大的节点水力性能越好，其上游任一流通路径发生事故时该节点流量损失期望值越小，可靠性越大。     

基于遗传算法的燃气管网布局优化效果明显

作者以低压燃气管网为研究对象，以管网总投资费用最小为优化目标建立优化模型，并采用单亲遗传算法来求解燃气管网系统最优布局形式。本文与以往研究的不同之处在于考虑了管网参数对布局的影响，并对这一思路采用计算实例进行了验证，证实在考虑了管网参数对布局的影响之后，管网总投资将大为减少，优化效果明显。     

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天然气管道系统在运行过程中，由于供气量和用气量的变化、阀门的开关、压缩机的启停等，往往会使管网系统处于不稳定的运行状态，加上目前管网运行中存在着区域供用气不平衡、管网服役时间长、运行环境恶劣、管线破漏频繁、事故隐患严重等问题。因此对管道系统进行动态分析是很有必要的。文章通过建立管道数学微分模型以及管网中非管元件数学微分模型，并用隐式差分法将偏微分模型转换为有限的差分方程，然后用牛顿迭代法求解有限差分方程组，最后通过自制软件对某气田管网进行了仿真。仿真结果表明：各管道中的压力没有超过管道允许压力，管网内压降较小。因此，可以适当增加输气量；而部分管段流量很小，利用率很低，则需要调整输气方案。仿真结果与实际情况对比表明，该方法具有仿真精度高、求解速度快的优点。     

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在天然气工程中，勘察设计获得输气线路的基本数据资料后，将面临如何连接各节点使整个管网布局最合理的问题。当穿越城市较多，地形起伏复杂，可供选择的线路方案就有若干个，而所需要的最优化路线方案却只有一个。为此，提出应用Hopfield神经网络优化方法来求解天然气输气管网规划问题。通过分析输气管网最优化布局问题，确定了模型的目标函数和约束条件，建立了Hopfield神经网络的能量函数模型，得出网络收敛的动态方程，求解使能量函数达到极小点时的状态点，即输气管网的最优化布局方案。研究表明，应用Hopfield神经网络方法可以得到输气管网布局优化问题的有效解。     

基于有限体积法的城市燃气管网运行分析

在大力发展燃气用户的同时,要确保燃气输配管网运行的可靠性,就需要对燃气输配管网进行工程计算。目前对燃气管网工程计算的研究多集中在天然气长输管线,而与之相比,城市燃气管网结构更复杂、计算数据量更庞大。为此,建立了采用有限体积法对管网模拟方程组进行求解的燃气管网分析系统,并据此对某次高压管线进行了动态工程计算,各站点压力的计算结果与实际监控信息平均相对误差为0.02%～4.13%（与采用美国SPS软件验证计算结果基本一致）;采用燃气管网分析系统还对某城市中压管网进行了稳态工程计算,得到管网压力最低点及“瓶颈”管段,这将有助于管网改造与运行方案的制订;同时结合运营经验、监控信息对计算结果进行了综合分析。结论认为：①如果对城市燃气输配管网进行动态模拟,必须研究各燃气用户的用气规律,找出不同工况下燃气用户的小时流量估算方法;②监控点信息值选取城市全年最大小时流量发生日对应的时段值,并结合日常运营工作的经验判断计算结果的合理性。     

复杂城市管网多气源混输模型的构建及工程应用

为研究复杂城市燃气管网多气源混输的影响,在传统燃气管网水力仿真模型的基础上补充气体组分追踪方程,构建燃气管网多气源混输仿真数学模型。通过某省规划管网算例,验证所构建模型的准确性。将所构建多气源混输模型应用于A城市高压燃气管网系统,研究多气源混输对管网中气体压力、气源结构及气体组成的影响。结果表明,季节性供气方案调整会导致管网中压力、气体甲烷比例、氢比例、华白数和发热量等气质指标发生波动。部分输气站气源结构发生较大置换,压力波动可达20%,华白数波动可达4.9%,发热量波动可达4.61%,这将对A城市燃气管网安全平稳运行造成一定影响。      

管网系统动态仿真数学模型的建立及求解

为了便于天然气合理的生产和输送，在保证安全的前提下实现有效的调度和管理，对管网系统进行动态分析是非常必要的。根据天然气管网流动基本方程，建立了管网系统的动态仿真数学模型。并对常用的特征线数值求解方法进行改进，采用Newton-Rapshan迭代法求解非线性方程组，最终实现模型的数值求解。建立的管网动态模拟分析数学模型和所采用的数学求解方法可以应用和分析天然气管网系统的动态运行。     

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湿天然气输送技术的应用,可使处于海洋、沙漠、戈壁、滩海等恶劣环境下的凝析气田的操作人员和开采费用下降。在实际运行中,湿天然气在输送管道中存在气液两相,因此管道中的流动总是处于慢瞬变流动状态。文章从流体力学的基本规律出发,建立了描述湿天然气管道输送调峰工况下瞬变流的数学模型方程,并对模型方程作了简化处理,设计了具体的计算思路。根据输送边界条件,给出了动态模型方程的数值计算方法、管道离散格式、参数存储     

西部天然气管网稳态运行优化研究

基于现场报表数据反算校验的西部天然气管网SPS仿真模型,通过不同流量与运行压力级制分类搭建了管网运行方案库。结合深度学习模型对方案库数据进行训练与特征提取,建立了一种新的管网水力计算与压气站配置方法,在保证计算精度的基础上提高了大型天然气管网运行优化计算效率。利用动态规划算法对压气站最优出站压力变量进行选择,管网流量分配原则为系统总能耗最小。所建立的管网稳态运行优化模型同时具备计算的高效性与准确性,基于该优化模型编制了西部天然气管网稳态运行优化软件V1.0,经过现场实测数据验证,模型优化结果可以显著降低管网运行能耗,可为西部天然气管网的运行与调度提供有效参考。     

长输管线气体泄漏率简化计算方法

管道因穿孔或爆裂而导致的泄漏是长输管线风险的主要来源，而气体泄漏率是评估管线风险后果的一项重要参数。通过对现有气体泄漏率计算模型的研究，提出了采用满足管内亚临界流、孔口临界流状态下的相关方程与管道模型相结合的方法来计算不同泄漏孔径下气体的泄漏率。使用该方法不但可以避免判断流型的复杂过程，而且不会面临因出现孔口亚临界流而导致泄漏率的求解不便，是一种简化计算方法。实例分析结果表明，在不同的起始压力下或泄漏发生于距管线起点不同距离处，采用该方法来计算泄漏率是有效可行的。     

基于运行仿真的多气源环状管网能量计量方法研究

目的天然气能量计量的对象是其完全燃烧后产生的总热量,通常采用体积计量值与体积发热量相乘的方法确定天然气的能量值,而体积发热量取决于天然气的组成,即天然气中各组分的摩尔分数。多气源管网中天然气的组成通常随空间位置和时间变化,故管网的每个计量站都需要确定不同时刻输入或输出本站的天然气的体积发热量。国内长输管道的A级计量站均配置了在线气相色谱仪,可以分析天然气发热量,B级和C级计量站可使用仿真方法为天然气发热量赋值,从而降低配置气相色谱仪的投资与运行维护费用。 方法依据面向能量计量的管网仿真理论基础,针对某多气源环状管网,分别使用TGNET和SPS仿真软件建立了具有天然气组分跟踪与发热量计算功能的运行仿真模型。为提高仿真结果准确性,基于历史运行数据校准了仿真模型的管段输气效率这一关键参数。 结果分别应用TGNET和SPS模型对该管网持续48 h的历史运行过程进行了动态仿真,TGNET模型的发热量仿真结果与历史记录值的偏差在0.3%以内。 结论基于运行仿真的多气源环状管网能量计量是一种可行的方法,研究成果为国内天然气能量计量的实施和推广提供了一种可操作的方法。      

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根据天然气管网的系统特征，阐述了天然气管网中的基本关系式和在天然气管网仿真中的应用方法；讨论了天然气管网静态仿真节点压力法和动态仿真特征线法的原理和仿真系统模型的建立方法。根据这些方法和长期的科研实践，研制了天然气管网静动态仿真软件ＧＡＳ－ＦＬＯＷ。该对管网结构不作，达用于由管道，调压阀，压缩机，气田及众多气源和用户组成的任意环状和枝状管网，实现天然气集，输，配管网的静动态仿真。还介绍了ＧＡＳＦＬ     

Determination of Optimal Parameters of Distributive Gas Pipeline by Dynamic Programming Method

Abstract

In this article we present a model for determination of optimal parameters of main distributive gas pipelines by dynamic programming (DP) methods. The basic characteristic of this gas pipeline system is that the transported gas quantities are variables. This article presents DP techniques for solving the problem of minimizing investment costs of gas pipeline building. The main objective of this program is to determine the optimal location of compressor station and the optimal diameter of gas pipeline under the constraint of pressure value achievement for all users. The proposed model develops an improved numerical searching technique with the purpose of finding the optimal solution quickly.

Applications for this method for optimal parameter determination of gas pipelines and the results are exemplified by the design of a gas pipeline in Belgrade–Valjevo. The model presented will be applied in a feasibility study to define the optimal parameters of a future gas pipeline, South Stream, from the Russian Federation to central Europe.     

基于动态规划和黄金分割法的环状天然气管网运行优化

目前中国天然气管道主干线已经相互联接,形成了环套环的大型复杂天然气管网,随着各压气站燃驱压缩机组的增加,如何实现管网的稳态优化运行已成为一个技术难题。为此,在同时考虑管网中环状结构和枝状结构对于管道流量分配的影响,以及燃驱机组耗气量对管道内流量影响的基础上,结合管网模型分割思路,将黄金分割算法与动态规划算法进行融合,形成了改进后的动态规划和黄金分割混合算法。以华北地区某环状管网为案例的计算结果表明:(1)管网运行优化数学模型比单线管道模型增加了管道内过流量、燃驱耗气量等变量,进一步加大了管网模型的求解难度;(2)混合算法能够有效地对运行燃驱和电驱压缩机机组的包含环状和枝状小型管网的稳态运行优化数学模型进行求解;(3)混合算法的优化方案能提高管网压气站的出口压力、提高机组的运行效率,降低系统的功率消耗、减少系统能耗,同时增加管网的管存量,提供了管网额外的应急资源。结论认为,混合算法有效地破解了复杂管网优化技术难题,可以为当前中国大型天然气管网稳态运行优化提供参考。     

天然气管道输送混氢天然气的可行性

将氢以一定比例掺入天然气作为家用燃料使用,被认为是减少温室气体排放的途径之一,而利用现有发达的天然气管网输送混氢天然气（HCNG）至终端用户则被视为可行的方法;但由于氢气与天然气在物理化学性质方面存在着差异,HCNG有可能对燃气终端用户以及管道输送工况造成较大的影响。鉴于我国目前尚未出台HCNG作为燃料及其输送的相关标准,为此采用德尔布指数法、韦弗指数法、高沃泊指数与高热值法分别对天然气在不同混氢比下的燃气互换性和燃烧特性进行了评估分析,同时基于HYSYS软件和相似原理建立管道模型,分析了氢气的混入对天然气管道和压缩机运行工况的影响。研究结果表明：①随着混合气体中氢气体积分数的增加,燃具的热负荷下降,燃气的火焰传播速度急剧增大,燃具发生回火的风险增大,并以此确定对于天然气管道供应系统来说混氢天然气的最大混氢体积比不应超过27%;②氢气的混入虽然能提高管道的输气能力,但当管网和压缩机联合运行时其平衡工作点对应的压力和流量都将减小,反而会降低管道的输气能力。结论认为,该成果为天然气管道输送混氢天然气的可行性研究提供了基础数据。     

输气管网的水力可靠性分析方法

输气管网的水力可靠性决定了供气的可靠性和供气质量。现有的输气管网的水力可靠性分析方法对于流量和压力的关系，多采用0-1模式，即把供气可靠性简单分为“供气正常”和“供气中断”两种模式，这与实际情况有较大差异。为此，在供气可靠性研究中增加了“部分供气”模式，并采用3种可靠性特征量即：节点可靠度、体积可靠度和网络可靠度来表征管网的水力可靠性，并介绍了水力可靠性特征量的计算方法，还对实例管网正常工况和事故工况下的供气可靠性进行了分析计算。结果表明：在实际的事故工况中，各节点的供气可靠性均受到影响；离气源点越近，管网节点可靠性越高；离事故点越近，节点可靠性就越低，但输气管网的部分节点依然能够部分满足供气要求。这说明本方法的分析结果更符合输气管网的实际。