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）     

西气东输智慧管网建设实践

随着大数据、物联网、云计算、人工智能等智能技术的不断发展及应用,管道行业由传统管理模式逐步向数字化、智能化发展。国家管网集团西气东输公司坚持以"全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理"为目标,聚焦智慧管网,经过管理创新与技术革新,建立了人工智能与管道行业深度融合的新模式:在已有管道运营体系的基础上,引入工业互联网、机器学习、智能控制等技术,形成了站场智能巡检、分输智能控制、流量计智能检定等核心技术,推动了天然气管道站场智能运行技术的发展;大力发展天然气管道关键设备全面智能感知技术,开展了天然气泄漏检测、站场运维巡检智能化管控、压缩机组与流量计智能监测等核心技术创新;构建管道风险智能管控技术体系,推进了管道线路风险智能识别、光纤安全预警、管道智能防腐等核心技术的提档升级。在此基础上,国家管网集团西气东输公司高效推进智能管道运行效率再升级,构建了"全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化"的智能管网雏形,为中国油气管道的智慧化发展提供了重要借鉴。     

“双碳”愿景下管网多介质灵活输运与智能化高效利用发展战略思考

“双碳”战略下，管道作为能源领域和现代运输体系重要基础设施，需加快适应“能源生产低碳转型、能源传输格局重塑、能源消费灵活多样”的发展新要求，统筹解决安全高效、绿色智能、价值提升的协同问题。通过分析国家和行业发展需求，回溯了油气储运多年来取得的丰硕技术成果，借力管网改革和储运技术积淀优势，分析了未来发展多介质灵活输运和智能化高效利用的战略需求和建设目标，提出了加快推进“油气+新能源”和“储运+数智化”融合创新步伐以及储运技术重心由“钢制管道+流体力学”向“智慧管网+系统工程”演进扩展的探索性思考。深入剖析了原油管道超弹性改性输送、天然气管道减阻增输、管网仿真优化与智能控制、管体微小缺陷检测评价、纯氢/掺氢管道输运、超临界/密相二氧化碳管输、管网智能化与能源互联等关键技术发展新需求，从构建国家能源管道数据平台、完善新能源管输体系顶层设计、发挥企业科技创新主体作用、面向基础-前沿-应用全链条深化创新、打造中国管道战略科技力量等多个方面进行了建设性思考，以期为新型能源体系下管网发展提供需求参考和技术支撑。（参27）     

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）     

借鉴俄罗斯经验发展我国天然气管道工业

俄罗斯天然气管道工业历经五十余年的建设与发展，目前已敢一个集天然气开采、运输、加工、分配、储存的统一整体，具备了这些功能的特点的俄罗斯统一供气管网则是其建设成就的集中体现。叙述了俄罗斯统一供气管网的发展阶段及功能与特点，了俄罗斯保证供气管网可靠性的一些重要做法。根据俄罗斯统一供气管网的建设与发展经验，提出了我国天然气管道工业的发展思路：①国家的大力支持是天然气管道工业发展的决定性因素；②积极吸收俄     

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。     

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。     

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。     

中俄东线天然气管道智能化关键技术创新与思考

中俄东线天然气管道是中国第三代长距离、大输量天然气管道标志性工程,是全球单体规模最大的输气管道,在中国乃至世界管道建设史上创下了多项新纪录。以该管道为试点,打造了中国首个智能管道样板工程。系统阐释了智能管道与智慧管网的基本内涵与关键技术,梳理了支撑管道"全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理"的关键技术及阶段性成果,为持续推进中国管道智能化建设、助力打造智慧互联大管网提供了重要指引。同时,从认识与技术等层面,就管道智能化的技术本质、管道数字基建、管道瓶颈技术攻关、管网智慧大脑等问题,给出了进一步思考与建议。(图1,参23)     

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...     

从旁接油罐到管网联运再到智能调控——中国输油管道工艺技术50年发展回顾与展望

在"八三"管道工程建设50周年之际,回顾了中国石油管道工艺技术50年发展历程,梳理了输油管道密闭运行及水击控制保护技术、易凝高黏原油输送技术、成品油顺序输送与优化运行技术、大落差管道设计及投产运行技术、输油管道运行仿真技术的科学研究与工程应用成果,总结了下一步发展目标。展望了输油管道智能化发展愿景,提出相关建议:确定国家管网系统建设统一数据平台的模式;形成适用于油气管道的专业工业化软件;研究基于海量数据+AI算法的智能决策系统;建立输油管道系统数字体、意识体的构建原则、目标及应用评价方法;建立国家管道和设备失效数据库及发布平台;研制自主可控的基于数据和机理模型的大型输油管网在线和离线分析预测软件;研究国内外SCADA系统软件协调运行及国产软件大规模应用技术;研究精细管理下大型油气管网节能增效技术。以上建议期望为智慧互联大管网的构建提供参考。(图2,参33)     

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）     

油气管网仿真技术在智能管网建设中的应用及展望

智能管网建设需要准确描述管网特性和行为，随着智能管网的快速发展和应用，仿真技术成为智能管网建设中不可或缺的一部分。梳理了国内外油气管网仿真技术在理论研究、工程应用及仿真软件研发方面的发展现状，明确了智能管网建设对油气管网仿真技术和仿真平台的需求，从规划与设计、投产、运行维护等不同阶段，阐述了油气管网仿真技术在智能管网建设中的应用场景，并从通用性、高效性、智能化等方面对油气管网仿真技术的发展进行了展望，以期更好地发挥油气管网仿真技术在智能管网建设中的作用。（图2，参42）     

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)     

中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考

随着数字化、智能化等技术的发展,油气管道运行管理模式将发生根本性转变,形成以智能管道、智慧管网为核心的发展理念。从管道运行工艺角度对中国智能管道建设的基础及实现条件进行了分析:①从智能管道的定义、国内外智能管道的发展现状以及油气管道智能运行的物联网基础与技术准备3个方面论述了智能管道建设的基础及所需实现的功能,指出智能管道在油气生产过程中的应用性是智能管道建设的核心问题;②探讨了天然气管网数据、建模及计算复杂性的根源,明确了智能管道、智慧管网的建设思路;③以中俄东线天然气管道为例,阐述了中俄东线智能运行的目标、基础以及工艺运行智能化组成的设想,其中工艺运行智能化组成包括管道工艺仿真系统建设、基于管道数据的数字孪生体构建以及综合运行调度和可靠性评价。最后,针对智能管道技术发展与应用面临的形势与挑战,给出几点认识及建议。     

复杂网络理论的应用进展及对天然气管网的启示

随着中国天然气管网的逐步加密，管网运行愈加复杂，对管网拓扑结构、供气稳定性等方面的研究提出了新的挑战。近年来，复杂网络理论研究不断深入，已在交通、水力、电力等输送网络领域实现广泛应用。为借鉴复杂网络理论在相似输送网络中的研究成果，梳理了复杂网络理论在拓扑结构分析、输送可靠性评价、瓶颈识别、网络区域划分、网络流追踪5个方面的研究进展。针对中国天然气管网研究现状，提出发展建议：根据天然气管网无标度网络的特点，发展用于可靠性评价的随机抽样方法、网络流算法、人工智能需求预测方法，形成3大类瓶颈识别方法，建立区域划分算法，并对各类经营模式提出不同的网络流追踪算法；尽快进行管网拓扑结构特征分析，建立完整、快速的供气可靠性评价方法；利用网络流模型识别管网瓶颈，为新建管道提供依据；基于天然气管网供气特征进行区域划分，并发展一套清晰、透明的气流追踪算法用于管输费结算。研究结果可为天然气管网长期发展提供技术参考。（图1，表1，参75）     

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。     

天然气管网可靠性评价方法研究现状

随着我国管道事业的蓬勃发展,以及清洁能源的不断推广,天然气的需求量及供气要求进一步提高,天然气管网的可靠性显得尤为重要。分析了现有管道完整性管理与管道可靠性的关系,总结了部分国家天然气管网可靠性评价的发展概况,对比了部分具有明确代表性的天然气长输管道可靠性设计方法及标准规范,评述了我国天然气管网可靠性评价的发展历程。结合当前主流天然气管网可靠性评价方法与原理,初步探讨了当前可用的天然气管网可靠性评价方法的可行性与难点,为深入开展天然气管网可靠性评价方法的理论研究和实践应用提供了参考。     

华北天然气省级管网低负荷率对终端成本的影响

华北地区天然气管网发达,天然气需求日益增长,而各省级短途天然气管网运营主体不一,分布相对分散,管径、压力等级较小,运输负荷率低,在准许成本加合理收益的管输费定价模式下形成了中游运输环节"1+X"的局面,造成较大运输成本瓶颈。通过对比分析华北地区国家管网长输管道与省级管网短途管道天然气运价差异,指出提高管道负荷率至规定起算值以上,可明显降低单方气管道运价,对终端用户用气降本作用显著。并提出以下建议:减少运输环节,尽可能将省级管网并入国家管网公司,减弱运输成本瓶颈,激发市场活力;优化天然气管道输气、配气路径;积极推动省级短途管网向第三方公平开放;不断增强天然气资源调运供给,利用运量与运价相互关系,惠及用户,助推天然气行业的高质量发展。(图1,表8,参25)     

智慧管网主要特征与建设构想

针对目前在智慧管网建设方面存在定义不清、认识不统一的问题,基于现有文献提出的智慧管网定义,从智慧系统感知、分析、决策、处置4个环节应该具备的功能出发,给出了智慧管网定义:充分利用信息技术和人工智能技术,在尽可能减少管网运行中人的体力和脑力劳动的前提下,实现对管道状态的全面智能感知和自主分析计算,具备对管网运营各类生产需求和异常事件的自主决策和处置能力,能够对管网的安全和运行状态做出快速、灵活、准确的判断和响应,实现管网全生命周期安全环保水平最高和运营效益最优的目标。借鉴智能制造能力成熟度模型中智能维的5要素及现有智慧管网研究成果,明确了智慧管网应具备的5大特征为业务智能化、数据统一化、信息互通化、状态可视化及知识网络化,并以此为依据,提出了智慧管网的建设构想。(图2,参21)