基于分而治之思想的天然气管网仿真方法北大核心

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。     

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。     

天然气管网管段阻抗系数优化反演研究

天然气管网在运行中,由于管道腐蚀、局部堵塞等原因,使管网的实际工艺参数与原始设计参数之间存在差别,增大了管网仿真和优化计算的误差.采用正反分析法建立了天然气管网管段阻抗系数优化反演的数学模型.该数学模型具有非线性、多峰值的特点,采用小生境遗传算法进行求解.实例计算表明,通过优化反演修正管网工艺参数,能大大提高管网仿真结果的精确性,使管网的优化调度和运行管理更加科学和合理.     

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）     

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）     

天然气管网互联互通用户侧供需平衡仿真分析

中国油气体制改革进程中,石油公司下辖天然气管道与国家管网集团、省级管网公司下辖管道互联互通构成大型天然气管网,其具有气源/资源类型多样、不同管段设计/运行压力不同、下游用户类型复杂、用气规律多样等特点。为研究该类管网运行供需平衡问题,借助SPS软件对双气源、多用户管网进行仿真建模,在对现有管网运行参数进行可靠性验证的基础上,结合用户2025年用气需求对管网供需平衡问题进行仿真分析,并提出优化运行方案。结果表明：通过分输站对两路气源进行压力平衡的优化方案不仅能够满足下游用户双气源保供需求,同时资源分配更加平衡,尤其在冬季保供期,极大地分担了国家管网冬季保供压力,提升管网整体保供能力,可为管网现场运营调度提供指导。（图6,表5,参24）     

TGNET和SPS在甬台温输气管道设计中的比较

结合甬台温输气管道,分别从建模、有效性检验、工况运行和结果读取4个方面定性分析TGNET和SPS软件在管道工程设计应用中的异同,对多气源管道的稳态动态模拟、最大储气能力和最大输气能力进行计算,并对结果进行定量比较.在相同设置、相同参数的情况下,两款软件的计算结果相近,但又各具特点:TGNET通过实物建模,操作简单、易于掌握,适用于稳态模拟和简单动态模拟;SPS可采用实物和文本编程两种方式建模,其Intran文件逻辑编辑功能强大,并可分段导入中线成果数据,生成断面线,可以随时查看运行结果、调整输入参数,交互性能好.基于此,提出建议:当需要中线成果数据导入及进行动态模拟时,特别是需要模拟多种逻辑控制的复杂管网,SPS明显优于TGNET,在其他情况下,宜采用操作简单的TGNET软件进行工艺计算.     

中俄东线天然气管道贸易交接点仿真软件研发

为了满足中国和俄罗斯双方对中俄东线天然气管道工程管输天然气的贸易需求,有效模拟管道过境段贸易交接点的管道特性参数及其变化趋势,实现日平均交接点压力及日最低交接点压力的计算与判定功能,根据两国协议拟定的水力、热力计算基本公式及气体状态方程,建立数学模型,利用牛顿迭代法对管道粗糙度及环境换热系数进行自适应校正,中国研发了具有自主知识产权的交接点压力与温度仿真计算软件。将软件仿真结果与俄罗斯软件仿真结果进行对比,结果表明:软件计算精度满足中俄东线天然气管道工程相关协议要求,证明了软件计算结果的可靠性,因而实现了中俄东线天然气管道工程贸易交接点工艺参数的仿真计算,可对中俄东线的天然气贸易交接进行监督与管控。(图3,表1,参21)     

天然气管网多状态可靠性及天然气市场满意度计算

天然气管网系统可靠性影响因素众多,运用极限状态条件下的可靠性计算方法不能满足实际需求,运用不同类型随机变量既可以开展天然气管网多状态条件下系统可靠性概率计算,也可以表示管网运行参数的变化。将管道生产运行参数变换为规范的独立随机变量,进而利用边缘分布函数简化管网可靠性概率计算。综合天然气管网供应能力和天然气市场供需双方经济效益两方面因素,将管道供应可靠度与市场交易财务损失率相结合,形成供需双方满意度的计算方法,为天然气管网运行及市场经营决策提供了量化分析工具。     

天然气管网运行最优化探讨

随着天然气管网规模不断增大以及运行条件日益复杂,对管网集中调控提出了更高的要求,仅凭调度员经验难以全面应对管网运行问题,亟需高效的优化工具辅助制订运行方案,调整日常工况。将最优化技术应用于天然气管网运行中,分别以管道水力热力计算校核、压气站负荷分配、单条输气管道运行方案、复杂输气管网运行方案为优化对象,建立了相应的最优化模型,并提出了求解方法。最优化技术是解决天然气管网生产实际问题的有效方法,但仍需突破精准优化模型建立、优化模型高效求解以及优化结果分析利用等技术瓶颈。最后,展望了最优化技术在非稳态优化、控制系统优化以及全生命周期优化方面的应用前景。     

中亚天然气C线管道SPS仿真模拟

中亚天然气C线管道属于典型的输送压力高、流量大、管道跨度大、压气站数目多、输送工艺复杂的输气管道。为研究中亚天然气C线管道正常工况和事故工况下水热力参数的变化规律以及各种事故下管道的自救时间,采用SPS软件建立了中亚天然气C线管道仿真模型。模拟了正常工况下管道全线压力和温度参数,模拟结果与实际运行数据最大相对误差分别为1.90%和12.24%,验证了模型的可靠性;在此基础上分析了环境温度和管道粗糙度变化对全线输气效率的影响规律,确定了各种事故工况下管道最长的自救时间,可为中亚天然气长输管道运行管理提供参考。     

基于能耗指标对国内天然气管网的能耗分析

依据国内某大型天然气管网的相关参数,建立相对应的数据模型和管网结构模型,计算该天然气管网内4条管道的周转量、能耗率、单位燃动费等天然气管道运行评价指标,分析管网能耗变化情况,基于此,得出各管道以及整个管网合理的能耗率控制范围为能耗率小于2.5%、成本低于31×108元、单位燃动费低于200元/(107 m3·km)。最后,提出了具有可操作性的优化建议:新建枢纽站场尽量选择建设在管网下游,利用管道的大管径降低能耗,实现效益最大化;根据实际管网物理特点,将天然气管道划分为不同的管道系统,编制相应的优化方案,从而使管网的总能耗最低;在管网规划设计初期,综合考虑管网总体情况以及未来发展趋势,做到设计输量、布站选线具有一定的发展空间,降低综合成本。     

配置燃驱压缩机组的输气管道高温运行工况模拟

对于配置燃驱机组的长输天然气管道,高温天气易导致燃气轮机最大输出功率和运行效率降低,使得管道输气流量减小。利用SPS软件对中亚天然气管道的夏季高温运行工况进行瞬态仿真,并基于实际生产数据采用"移动曲线"方法校正软件的输入参数,从而使仿真结果与实际工况的偏差在合理范围内。通过分析燃气轮机功率特性及管道工况变化规律,从运行调控角度提出了压力控制与最大可用功率控制相结合的全线压缩机组控制模式,有效保证了高温运行工况下气源按合同进气,并降低自耗气量。     

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)     

天然气管道线路截断阀误关断判断算法

为减少天然气长输管道线路截断阀误关断次数,提高阀室泄漏检测系统的可靠性,基于大量阀室误关断事件的原因分析,结合气体流体力学理论,运用SPS仿真软件建立了长输天然气管道泄漏仿真模型。探究了天然气长输管道泄漏过程中泄漏位置、管道运行压力等条件对压力下降过程的影响规律,并在此基础上计算在特定管道出现泄漏时可能发生的最快压力下降过程数据。据此,设计了一种天然气管道线路截断阀误关断判断算法,并编写了管道泄漏线路截断阀关断的控制程序。仿真数据及试验结果表明,该方法可根据压力变化特征实现误关断信号与真实泄漏信号的判断,降低系统误关断率。     

基于能耗最低的天然气管输计划优化编制方法

天然气管输计划的编制主要依赖人工经验,编制过程需要花费大量的时间、精力,不利于管输计划的整体优化。为提高天然气管输计划编制的效率和科学性,通过对现有编制方法进行梳理,将编制天然气管输计划的人工经验编码化,开发了一种管输计划辅助编制软件以寻找可行解。在天然气管网进销平衡、设计输量等约束条件下,以天然气管网能耗最低为优化目标,通过对大量能耗、输量历史数据进行统计、拟合分析,建立了天然气管网优化模型,利用最优化方法寻求最优可行解,并以两条干线管道为例,阐述了生产单耗与周转量拟合过程。研究结果可为复杂的天然气管网系统提供一种高效、科学的管输计划优化编制方法。     

基于SPS软件的肯尼亚1号线成品油管道水击分析

为减少管道水击危害,需要计算管道运行过程中可能出现的水击压力,以便采取相应的水击保护措施。采用SPS软件对某成品油管道泵站泵机组事故停运工况下的管道水击压力进行分析计算,模拟结果表明:在没有任何水击保护措施的情况下,某泵站泵机组事故停运产生的水击压力超过了站内管网设施设计压力和站间管道设计压力。为确保输油管道安全平稳运行,在水击泄放系统中增加水击保护措施,经仿真系统验证,该措施能够实现对管道瞬变过程的控制。     

中亚天然气管道的运行优化与能耗控制

为保证中亚天然气管道经济、高效运行,通过模拟仿真、压缩机组控制等手段对管道能耗进行整体控制。利用TGNET软件建立中亚天然气管道ABC线运行仿真模型,并定期利用实际生产数据对模型进行校正,保证仿真模拟结果与实际运行工况的误差在合理范围内。利用仿真手段对ABC线联合运行输量分配进行优化分析,统一协调全线运行;制定管存控制原则,并对管存量进行有效监管控制;根据仿真计算的压力结果进行压缩机组站场压力控制,提高机组的调控效率与运行效率。实践证明,中亚天然气管道运行优化与能耗控制方法节能降耗效果显著。(图4,表3,参20)     

天然气长输海管放空泄压规律模拟

放空泄压是高压天然气管道的重要操作,放空过程属非稳定流动,不同的放空过程对管道参数与放空过程参数的影响较大。以中国某条98 km海管的实际泄压过程为例,利用SPS软件进行天然气管道放空模拟计算,对管道的放空过程进行动态模拟分析。分析放空过程中放空气量、放空口温度、管道压力、管道温度等参数的变化规律,并且对比不同泄压过程,选出更为经济有效的操作方案,以期为天然气管道的放空作业提供参考。虽然在现场实际放空泄压操作过程中,存在放空管道、火炬分液罐等设备温度过低,气体出液过多,放空气体在管口形成气阻现象等问题,但实际放空规律与模拟结果基本吻合。