天然气管网在线仿真理论与实践

为了充分利用管道自动化和数字化建设取得的数据成果,应对天然气管网日益大型化、复杂化带来的挑战,促进安全生产和提质增效,在线仿真已成为管网调度管理和操作控制的迫切需求和重要手段,受到国家、企业、社会的广泛关注.管网在线仿真系统建设和项目实施是众多领域科学和技术的综合应用,涉及仿真理论与方法、软件与技术、数据与自动化、调度...     

基于分而治之思想的天然气管网仿真方法

随着天然气管网规模不断扩大,其拓扑结构越来越复杂,管网瞬态仿真过程所需的计算量及计算耗时都迅速增长。基于分而治之思想提出了一种简单高效的仿真方法:先求解天然气管网中各元件之间的连接点,进而将管网分解成若干条独立的管道,然后逐一求解每一条管道的水力参数和热力参数,连接点和管道的求解分别采用简单高效的共轭梯度和三对角矩阵算法。通过实例对比分而治之方法与SPS软件,结果表明:该方法计算精度与SPS软件相当;仿真速度与SPS软件处于同一量级,且超过SPS软件的1.5倍;对于管网规模的适应性与SPS软件相当,甚至当管网规模较大时,适应性更优。     

来苏污水管网改扩建工程设计分析

介绍了来苏污水管网的现状,通过实地调查分析,确定污水管网的布置,确定了管网水力设计的设计参数,并通过管网水力计算得到了管道的流量、管径和埋设的工程数据,为工程的实施提供了可靠依据。     

顺北油气田集输管网气液混输特性模拟

顺北油气田集输管网集输半径大、气油比高、地形起伏大、流态复杂,时常引起管道低洼处积液量大、段塞流等多种复杂工艺问题。为此,建立气液混输管网水力仿真计算模型,并利用顺北油气田现场数据对模型进行修正,进而开发油气混输管网仿真计算程序,对顺北1区集输管网气液混输特性进行仿真及参数预测。结果表明：建立的水力计算模型仿真结果与实测数据的误差基本在±6%以内,满足运行需求;管网各管道的持液率均较低,流型以分层流和环状流为主;针对管网中压降与温降较大、管输效率较低、积液量较大的管道分别提出了优化及保护建议。研究成果可为气液混输管网设计及安全运行提供技术依据。（图3,表7,参30）     

Excel在农村饮水工程设计管网水力计算中的应用

利用Excel软件进行函数分析、计算、统计和处理,进行饮水工程管网的水力计算,可使管网水力设计表格化,提高了设计的速度、设计质量。     

大型天然气管网系统在线仿真方法及软件开发

天然气管网系统仿真技术是管网系统设计方案论证、管输计划制定、运行方案优化、应急保障决策的核心技术。基于质量守恒、动量守恒、能量守恒原理及非管元件特性方程，建立了适用于任意结构形式的管网系统仿真模型；形成了基于管道数学模型泛函分析、大型稀疏矩阵压缩存储条件下的快速LU分解等方法的管网系统仿真模型求解算法。采用B/S软件架构、大数据高速缓存技术、大数据抽取实时可视化技术，开发了包括数据通讯模块、数据库存储模块、数据滤波模块、在线仿真模块、结果推送模块的大型天然气管网系统在线仿真软件，将其分别应用于总长6 100 km、45座压缩机站和总长31 000 km、117座压缩机站的大型管网系统，软件适用规模、计算精度与速度均达到国际同类商业软件水平。（图9，参25）     

PSOt校核给水管网水力模型

校核给水管网水力模型中漏损系数来提高模型精度。通过模拟给水管网多工况运行,收集足够的校正数据,利用PSOt进行计算。算例分析表明:采用上述方法校核后所得的给水管网节点压力值与实际管网节点压力值较为匹配。     

沁水煤层气集输管网三维地理信息系统的设计

煤层气集输管网复杂,包含了大量数据和多种学科领域的交叉。针对煤层气集输管网地域广、地形复杂、系统要素多、管理难度大的特点,以沁水煤层气集输管网为研究对象,将三维GIS技术与集输管网相关情况相结合,建立具有编辑、查询、分析、可视化等功能的集输管网地理信息系统数据库。通过三维GIS与仿真模拟软件相对接,实现了煤层气集输系统的模拟与优化,为煤层气集输管网的规划设计、操作控制及调度管理提供指导意见。     

大型复杂天然气管网离线仿真软件国产化研发及应用

面向国家石油天然气管网集团有限公司（简称国家管网集团）大规模复杂天然气管网的仿真应用需求与管道行业智能化转型的实际需要，提出了一种全新的仿真引擎核心算法——分区增量迭代法，攻关完成了具备先进性、健壮性、开放性的工业级天然气管网仿真引擎，基于总体架构与应用架构设计，完成了离线仿真软件的开发，实现了大型复杂天然气管网仿真核心技术自主可控。依托研发的天然气管网离线仿真软件，对某新建管道完成了设计校核，平均相对误差为0.1%；以全要素涩宁兰管道为对象建模，并与商业软件结果进行对比发现，管道沿线各站的压力、流量在稳态与瞬态仿真下的最大相对误差均小于1%；针对大规模、复杂拓扑结构的2×104 km级全要素天然气工业管网，该离线仿真软件对其具备仿真能力。所研发天然气管网离线仿真软件能够满足未来“全国一张网”的仿真需求，可为国家管网集团的数字化战略及智能化转型提供专业化仿真服务。（图7，表3，参22）     

大型天然气管道仿真软件RealPipe-Gas研发

讨论了天然气管道仿真软件RealPipe-Gas的关键技术和实现方法。其仿真引擎能够对任意拓扑结构的天然气管网进行有效表征,对所形成的非线性方程组线性化后分别在时间与空间上进行离散,形成大型稀疏系数矩阵。采用高效求解器进行模型求解,并针对热力系统和水力系统采取"蛙跳"的求解策略,有效解决了仿真引擎的计算效率与计算稳定性问题。对业已发布的RealPipe-Gas1.0与国际先进软件SPS的仿真计算结果进行对比分析,结果表明:其计算精度、计算效率与软件稳定性均达到国际同类商业软件的先进水平,为油气管道系列仿真软件产品的国产化奠定了基础。     

城市燃气管网水力计算软件的开发

在城市燃气管网的设计过程中,水力计算是最关键的环节。以往采用传统的手算平差法,存在计算周期长、误差大、计算结果保守的缺点。采用Visual Basic5.0开发了城市燃气管网水力计算软件,采用的节点线性逼近法比平差法的方程阶数增多,收敛速度令人满意,计算结果具有较高的经济性。     

应用仿真技术提高我国管道设计水平

介绍了Stoner公司的长输管道仿真软件SPS的建模技术、软件运行过程中的图像显示及数据报告,讨论了SPS在设计及科研中的应用。管道仿真软件为动态水力工况分析、确定运行方案以及管道泄漏的检测和分析提供了强有力的工具,使以往只能在实际管道和实验管道进行的方案试验,可用计算机仿真系统来实现。     

自动化物流系统AGVS的定性仿真建模及算法

AGVS的优化调度问题是自动化物流系统中的一个重要问题,用定性仿真对AGVS建模,并介绍了算法—基于QSIM的Q3算法,软件实现采用C++调用Matlab中的第三代定性仿真器Qua.Si.III,最后,通过与定量仿真的数据对比,证明确实提高了生产的自动化程度和效率。     

基于地理信息的长输管道工艺设计工作流

为了提高管道工程设计和数据管理的水平,以国际先进的ArcGIS和Synergi Gas软件为媒介,结合管道地理信息和工艺仿真模拟的特点,探索实施了将地理信息数据和工艺软件相结合,并在交互数据中提升效率和准确度的设计工作流方法。实践表明:管道模型采用地理信息软件和工艺软件分析相结合的办法,有利于数据管理,提高了数据和分析结果的准确性,并有利于输气工艺的分析。建议在大型管网设计规划和设计管理过程中,逐渐推广地理信息结合工艺分析系统的工作流方法,为后续管网的建设提供更好的决策支持。     

樊北煤层气集输管网动态仿真调度系统

樊北煤层气因其低压、高密、大起伏、小流量的特征,使得其集输管网系统结构复杂、压力敏感、流动参数变化细微,工艺分析和调度管理工作困难。以PNS(Pipeline Network Simulation)管网仿真软件为核心,结合樊北煤层气集输管网三维地理信息系统、SCADA系统及实时数据库,描述了樊北煤层气集输管网动态仿真调度系统的构架,阐述了动态仿真模型、模型自适应及在线仿真的实现过程,讨论了动态仿真与GIS地理信息系统交互式作用及自动建模和动态查询展示的方法和过程,实现了动态仿真调度系统在线分析和跟踪煤层气管网系统的流动,量化集输管网系统运行状态并分析评价指标,直观搜索、查询及展示系统中各个部分的运行参数,为大型、复杂煤层气地面集输管网系统的调度管理提供及时、准确的分析手段和决策依据,协助调度方案的决策和实施。将系统应用于樊9集气站煤层气集输管网,得到整个管网系统的流动状况,可为调度管理决策提供及时、准确的量化数据。     

基于面向对象和二叉树的油气集输管网水力计算

为了更好地掌握油田集输管网的水力情况,针对油田常见的单管环状掺水集输流程,提出一种基于面向对象思想与二叉树的水力计算方法。该方法将油气集输管网表征为实例化对象的组合,以字段、属性存储对象参数,建立了水力计算模型,基于二叉树理论对系统集油和掺水管网部分的流量、温度、压力分别采用不同遍历顺序进行求解。据此开发了油气集输管网水力计算软件,可对实际的生产集输系统进行计算。结果表明:该方法能大幅减少前期建模工作量,同时具备计算速度快、适应性强、稳定性好等优点,并且最终计算误差约为5%,具有较强的实际应用价值。(图7,表2,参25)     

混合建模方法在油气管网中的应用初探

大型油气管网具有源汇节点多、空间跨度大、热力水力过程耦合程度高等特点,导致建模难度大。国家《中长期油气管网规划》指出,管网智能化是未来方向,融合机理知识与数据驱动建模方法,构建物理意义明确、外推泛化能力强的混合模型是实现智慧管网的关键环节。分析机理建模与数据驱动建模方法的特点,通过融合机理模型与数据驱动模型协同描述研究对象的物理特性,充分挖掘现场数据内在关联,探索过程变量演化规律,最终建成了机理-数据双驱动的高保真混合模型。梳理混合建模不同结构及其在油气管道行业应用的可行性,阐明了不同应用场景下混合建模的策略,探讨了机理与数据驱动协同建模技术的研究方向,以期为智慧管网建设提供参考。(图2,参60)     

基于K-Spice与SPS的单管泵阀模型PID控制

管道的控制系统是油气管道建设必不可少的部分,对其进行仿真模拟具有重要的工程指导意义。通过K-Spice软件建立单管泵阀模型,在模型上加入PID控制进行仿真,同时在SPS软件上进行相同的单管泵阀模型的PID控制仿真。通过二者的仿真结果对比分析,验证了K-Spice软件在模型控制仿真方面的可行性与优异性。K-Spice软件的PID控制模型仿真结果较为理想,且更方便、合理,可为后续使用K-Spice软件进行更复杂的管网系统模型控制仿真提供支持。(图8,参23)     

国产化液体管道云仿真软件CloudLPS的研发

为了摆脱液体管道仿真长期依赖国外商业仿真软件的现状，基于B/S云架构，以准确快速、界面简洁、交互方便等研发理念，开发了具备完整自主知识产权的国产云仿真软件平台CloudLPS(Cloud-Based Liquid Pipeline Simulator)。在模型与算法方面，除了常规的流动传热模型之外，CloudLPS还引入非牛顿流体模型、跨维度热力模型等先进数理模型，使软件具备易凝高黏原油管道水热力仿真能力，此外还引入自适应网格、动网格、分而治之、异构并行等高效仿真方法，实现大型复杂管网系统快速计算；在功能方面，主要针对原油及成品油管网，向用户提供管网系统稳态及非稳态仿真、逻辑控制、水击分析、批次跟踪、停输再启动、能耗优化等多种业务及复合业务功能支持，并且提供友好的可视化建模和结果数据展示及分析环境。CloudLPS可作为基础软件工具，在管网系统规划设计、运行调度、风险决策等业务场景下发挥支撑性作用，对于保障我国液体管道的安全经济运行具有重要意义。（图16，表1，参35）     

中国海油广东地区天然气保供方案实践与优化

为缓解中国北方地区冬季天然气供需紧张问题,基于中国海油在广东省产供储销体系及其与西气东输二线管网互联互通的现状,对广东地区天然气基础设施信息进行梳理。采用SPS软件对多气源、多用户管网进行瞬态调峰水力仿真分析,为广东地区天然气基础设施剩余能力"南气北送"、各气源、管网协同调度提供解决方案。为了促进中国海油海气、LNG接收站等基础设施产能释放,实现"南气北送"天然气保供,同时对"互联互通"后的天然气管网进行优化,提出依托现有深燃管道向深圳、香港地区供气替代西气东输二线南下供气的优化方案,为保障国家天然气供应安全提供依据。(图4,表1,参21)