[发明专利]天然气管网输送系统动态仿真过程的实现方法

说明书

技术领域

本发明是一种天然气管网输送系统动态仿真过程的实现方法。涉及管道系统技术领域。

背景技术

天然气管网的仿真是利用天然气在管道中流动的数学模型来描述的，它是一组非线性的偏微分方程组，学术界并没有给出符合工程应用需要的解析解，在工程中通常采用数值法进行求解。管网仿真包括稳态仿真和瞬态仿真两方面，稳态仿真是进行管网设计的有力工具，是选取管网结构和参数方案的重要依据，其准确性直接影响设计方案是否安全可靠与经济合理。瞬态仿真能够模拟管网运行参数随时间的变化，可以针对不同的工艺设计方案，例如调峰、管道放空和断裂突发事故，进行瞬态计算，根据计算结果，提出好的解决方案，从而保障有效的调度管理和及时发现并处理突发事故。天然气管网输送系统动态仿真与稳态仿真相比求解难度更大，应用范围更广。2005年“天津大学论文”中“燃气管网系统安全性及仿真的理论分析与应用研究”公开了一种以三大守恒方程为基础建立等温和非等温条件下的燃气管网稳动态仿真理论模型，通过对比所得结果进行比较和分析，得出其工程的可应用性，进而为燃气管网的优化提供参考。

但目前天然气管网输送系统动态仿真过程实现方法存在水力、热力系统耦合求解不稳定的难题，计算时间长、求解效率低。

常用的求解动态仿真数值模型的方法包括近似解析法(线性化)和数值法两大类。近似解析法的处理是将数学模型的分线性部分线性化，转化成偏微分方程组，然后根据初值求出解析解，线性化的方法主要有均值、恰尔内插值以及最小二乘法。近似解析法的主要有点是计算速度快，缺点是计算精度较差，适用于长时间范围内模拟管网运行情况。数值法是随着计算机技术的成熟而逐渐发展起来的，主要是有限差分法，该方法的原理是把偏微分方程转化成差分方程，然后用数值迭代方法求解差分方程。偏微分方程转化成差分方程方法主要有特征线法、隐式中心法和泰勒展开法。数值解法的优点是计算精度高而且计算较灵活，缺点是求解速度不如近似解析解法快。

对于特征线法，针对系统的各个节点和管道内部网格点独立建立相应的低维的非线性代数方程组，可将管道上的偏微分方程化为特征差分方程，其特点是不需要求解庞大的非线性方程组，易于求解，占用较少的计算机内存，但为了满足求解的稳定性，时间层次往往取得很小。然而，对于天然气管网系统而言，由于气体的可压缩性，其出现不稳定程度要比液体管道出现的不稳定程度小得多，因而时间层次取得过小没有必要，并且不符合工程应用对动态仿真时间步长的要求。

对于隐式差分法，考虑所有节点和管道内部网格点，建立统一的高维非线性代数方程组。由于要将待求时间层次上所有的未知量联立起来进行求解，需要求解的非线性方程组非常庞大，求解需要较长的时间。但是这种方法能够保证求解的稳定性，时间步长可取得较大。

发明内容

本发明的目的是发明一种水力、热力系统耦合求解稳定、计算时间短、求解效率高的天然气管网输送系统动态仿真过程的实现方法。

本发明的天然气管网输送系统动态仿真过程实现方法(见图1)是：

“蛙跳”策略分离水力、热力系统；

“迎风”格式处理热力系统不稳定性；

线性方程组求解；

得到天然气管网输送系统动态仿真数值模型求解结果。

所述水力系统和热力系统的“蛙跳”策略是：

目前常用的求解动态仿真数值模型的各种方法多将水力系统和热力系统耦合在一起进行联立求解；在实际仿真过程中，系统的外部边界(压力、温度)的剧烈变化会引起求解过程中温度曲线出现严重“锯齿”现象，引起压力和流量分布曲线震荡，甚至出现不符合物理意义的温度计算值，直至计算结果发散、系统崩溃。

为了处理温度曲线的“锯齿”以及对水力系统对热力系统的干扰问题，将整个天然气管网系统分割为水力系统和热力系统分别离散并联立，在每个时步分别单独进行求解，先将热力参数采取前两个时步的“外插值”传入水力系统进行求解，将水力系统求解结果传递给热力系统，进行热力系统的求解。

其求解流程(见图2)为：

水力系统和热力系统分别离散；

水力系统和热力系统分别建立初始状态；

热力系统的热力参数外插值处理；

水力系统初始状态建立后与热力参数外插值处理后共同作用于水力系统；

水力系统后到热力系统；热力系统再到热力参数外插值处理；

水力系统后结束。