复杂天然气管网周转量计算模型及其应用——以川渝天然气管网为例

管网周转量测算是控制管道运行现金成本、管道能源消耗,实现降本增效的措施之一。川渝天然气管网作为目前国内最复杂的区域性管网（由枝状管网和环形管网交错结合在一起）,具有进出气点多、管线压力等级复杂、管网输配调度灵活、调峰方式多样等特点,同时存在天然气气体流向复杂、原始数据采集不实时、计算周期难确定等问题。为此,根据该复杂天然气管网特点,建立了枝状管网和环状管网管线图模型,采用“微元法”原理和方法,建立了较为适合复杂天然气管网特点的周转量计算模型,将整个管网系统按照管理层级层层分解,将周转量的测算细分到每一管段,以作业区作为一个计算区间进行测算,再进行层层累加求和,即得到整个系统的周转量。通过对比实例计算,得出了用“微元法”计算复杂天然气管网周转量的方法较为符合川渝管网的实际的结论。该成果可为全国联网天然气管道周转量的测算提供借鉴,有助于联网管道的销售管理、结算管理和运行管理。鉴于复杂天然气管网的特殊性,可采用年度或季度平均法,在统计分析的基础上计算周转量。     

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。     

基于简化拓扑结构的陕京天然气管网供气可靠性分析

为了定量分析结合了拓扑结构与水力计算的天然气管网的供气可靠性,以陕京天然气管网为分析对象,提出了一种通用的天然气长输管网系统供气可靠性评估方法。首先从上述天然气管网的拓扑结构入手,将站场与天然气管段视为网络结构的结点与链路单元,对系统进行了简化,建立了天然气管网系统的拓扑结构模型;然后通过设备失效数据库确定了系统各单元的事故率分布,耦合基于故障率分布的蒙特卡洛模拟生成了天然气管网的拓扑结构;最后再结合水力计算得到一定拓扑结构下陕京天然气管网的供气能力。结果表明:①无论是用气高月还是用气低月,该管网都保持了很高的供气可靠性;②陕京一、二、三线3条天然气管道构成了具有一定拓扑结构的供气网络,增加了系统的鲁棒性,从拓扑结构层面也提高了供气的可靠性。结论认为,该项研究成果给出了天然气管网供气可靠性的定量计算方法,为天然气管网供气可靠性分析提供了技术支持。     

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。     

低压煤层气环状集输管网的管径计算

低压煤层气集输采用环状集输管网工艺在国内属首创。文章介绍了环状集输管网管径的计算原理,推导了环状管网管径的计算公式,提出了环状管网计算起点、终点位置的确定方法和管道平均温度、压力的计算方法等。文章最后结合工程实例,阐述了这些理论和公式在某煤层气田矿场集气工程中的应用,并介绍了几点体会。     

线性逼近法在管网系统优化运行中的应用

通过对天然气管网系统输配气过程中各种影响因素的分析，建立了天然气管网系统输配气运行方案优化的数学模型，采用线性逼近法对模型进行了求解，编制了计算软件，应     

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...     

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。     

基于人工智能技术的输气管道系统可靠性量化方法

天然气管网运行可靠性评估对于保障区域乃至全国天然气供应安全、改善大气环境、促进沿线经济社会发展都具有重要的意义。为了保障“全国一张网”的天然气干线管网运营机制以及上游油气资源多主体多渠道供应、中间“一张网”高效集输、下游市场化良性竞争油气市场体系（“X+1+X”体系）的安全稳定运行,借助于大数据、人工智能等现代信息技术,建立了基于长短期记忆神经网络（LSTM）方法的短周期用气量预测模型;然后基于单条管道系统的可靠性模型和各子系统可靠性先验概率等信息,结合可靠性计算失效原则和贝叶斯估计理论,提出了天然气管道系统可靠性的量化计算方法 ;进而以某城市192天真实用气量数据为样本,验证了该用气量预测模型的估计误差为1%～4%,得出了基于实际天然气管道的可靠性数值分析结果。结论认为,首次将人工智能技术与天然气管道系统可靠性结合起来,采用LSTM方法并基于多源异构海量数据进行短周期用气量预测,实现了天然气管道动态运行工况下的系统可靠性量化计算,为天然气管网的用气量估计和系统可靠性定量计算奠定了基础;所提出的方法在实际天然气管道系统中已经得到了应用和验证,为后续天然气管网系统可靠性研究提供了一条可行...     

天然气管网系统可靠性应用技术

介绍了国内外对天然气管网可靠性的研究现状。并介绍了可靠性分析、计算在研究开发气井数、采气管网结构形式，确定影响大的重要组成单元、集气站生产能力、加热炉连接方式、管道工程等方面的应用，达到提高经济效益的目的。     

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中国四川省的天然气管网已运行30年,管线老化、腐蚀严重,近几年爆管事故频繁,严重影响管道安全和正常输气。迫切需要了解和提高管道系统的运行可靠性,减少事故,延长管道系统的使用寿命。文章论述了天然气管道运行可靠性评价技术理论内容和计算方法,给出了天然气管道系统中线路部分、压气站和整个系统可靠性指标的计算公式,分析了天然气管道的失效模式和寿命分布模型, 提出了保证管道系统可靠性的措施。     

大型天然气管网系统可靠性

随着中国国民经济的快速发展,天然气需求量不断扩大。天然气管网作为连接资源与市场的纽带,已成为保障国民经济的生命线。中国拥有世界上最复杂、输送任务最艰巨的天然气管网系统。现有基于单一或少数管道的运行管理方法已不能满足大型管网系统安全生产需要,必须寻求更为科学合理的管理思路。本文首次提出大型天然气管网系统可靠性概念,分析了大型天然气管网系统可靠性面临的3个挑战：量化大系统可靠性、评价分系统（单元）可靠性、建立大系统与分系统之间的关联。同时,对大型天然气管网系统可靠性框架进行了初步设计,并针对中国天然气管道行业现状,提出大型天然气管网可靠性增强方案。     

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借鉴系统可靠性分类法的理论和方法研究了西气东输工程,进而提出了以下三种解决方案,如能实现,不但可以将西气东输工程中、下游目前的低可靠性系统建成为高可靠性环网管段及高可靠性环网供、用气系统,而且可以节省巨额投资。第一,把主管系统建成为高可靠性环网管段,即西北天然气与四川天然气在上海并联为一个子系统后,该系统就具备了m=2可靠系统的主要条件,这样,一条管线就可以当作两条不同方向传输的管线使用。第二,“三个为零”的节资措施：①用主管沿线的废弃或正在开采的油气田作储调资源,其投资为零;②采取用户零储备;③为提高系统可靠性所必须采用的2项发明专利,目前使用费为零。第三,建成城市用户的高可靠性环网供、用气系统。     

致密轻质油藏不同CO2注入方式沥青质沉积及储层伤害特征

致密轻质油藏注CO₂会引发沥青质沉积现象。为厘清不同CO₂注入方式下沥青质沉积特征及其对储层的伤害机理,以鄂尔多斯盆地延长组7段储层轻质原油为例,在明确CO₂注入量和压力对沥青质沉淀量影响的基础上,通过开展不同注入压力下CO₂吞吐和驱替实验,辅以核磁共振在线扫描技术,研究了不同注气方式下沥青质在岩心中的沉积特征,定量评价了不同注气方式下沥青质沉积对储层物性、润湿性和孔隙结构的伤害程度,从微观孔隙尺度剖析了沥青质沉积对储层的伤害机理。研究结果表明,沥青质主要在岩心入口端大量沉积,且越接近岩心出口端沉积量越小,驱替方式下的沥青质沉淀量和沉积区域大于吞吐方式;两种注入方式下孔隙度变化率相差较小,但驱替方式下的渗透率伤害率远高于吞吐方式;沥青质沉积引发岩石润湿性向亲油反转,润湿反转指数随注入压力的升高而增大,且驱替方式下的润湿反转指数大于吞吐方式;微观尺度下沥青质主要在大孔隙中沉积,但吞吐方式下大孔隙（0.092 μm≤T₂<4.500 μm）堵塞率随注入压力的升高而增大,小孔隙（0.009 μm≤T₂<0.092 μm）堵塞率则先下降、后上升;驱替方式下小孔隙和大孔隙堵塞率均随注入压力的增加而增大。     

天然气管网韧性保供问题及其研究展望

天然气的供应保障对经济发展与社会稳定至关重要。天然气保供是资源、管网、需求上、中、下游一体化的复杂系统工程。国内外对天然气管网可靠性已开展了系列研究。但是,对于大规模复杂系统,基于概率安全思想的可靠性评价方法存在容易稀释小概率、高后果极端风险的本质缺陷。借鉴电网、供应链、交通运输等复杂系统的研究和实践,提出了天然气管网韧性保供的概念,即在可靠性基础上,增加管网系统脆弱性和系统经受干扰后恢复至既定功能的能力（恢复力）评价;总结了天然气管网和电网等复杂系统可靠性、脆弱性和恢复力研究的现状、存在问题和发展方向;同时指出,大数据、人工智能技术将助推天然气管网韧性保供理论的发展,使其成为智能化与市场化变革大背景下智慧管网技术的重要理论基础。     

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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     

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。     

基于不确定性用气量的输气管网供气可靠度计算方法

由于未来用气量是一个随机变量,过去采用点预测的方式无法客观体现出其随机性的特征,由此得到的供气可靠性评价结果也难以客观反映实际情况。为了准确预测用气量,在调研输气管网供气量预测模型研究进展的基础上,提出了一种采用基于小波分解的神经网络模型来预测随机性用气量的供气可靠度计算方法,通过对比分析模型预测结果与实际用气量的误差,确定用气量所服从的分布类型及参数,结合管道的最大允许输气量,以供气可靠度最高作为目标函数,建立了优化流量分配及计算管网供气可靠度的数学模型,进而利用该模型对某一虚拟管网进行了供气可靠性评价。结果表明:(1)所建模型求解的流量分配方案优先保障权重较大/较为重要的用户,但会牺牲其他用户的供气可靠度,管网总体供气可靠度亦会下降;(2)取消权重后,管网总体供气可靠度提高,优先保障距离气源地较近的用户,若不要求完全满足用户的用气量,则在降低一定的标准后,所有用户的供气可靠度都能达标。结论认为:所提出的计算方法结合了用气量随机的特性,能够更加客观地评价管网的供气可靠度,同时由于引入了用户的权重,在计算管网供气能力的时候能优先满足重要的用户,更加符合实际情况,其评价结果可以指导输气管网的高效运行。     

燃气管网动态仿真的研究及应用

研究和了解燃气在管道中的流动，是进行燃气管网系统优化和提高管网输运系统安全性的前提和基础。以流体力学三大守恒方程为基础，建立了等温和非等温条件下的燃气管网稳态和动态仿真理论模型。以有限差分法为基础，得到了上述模型的求解方法，并加入了耗散项，提高了求解方法的稳定性。通过增加初始点和延长出口点的方法，简化了模型的求解。通过在北京六环天然气管网中的初步应用，分别得到了与实际值综合相对误差为1.21％和2.62％的压力和流量仿真值，从而验证了模型及求解方法的可靠性。