[发明专利]考虑天然气热力过程的电-气综合能源系统统一能流计算方法

说明书

本发明公开了考虑天然气热力过程的电‑气综合能源系统统一能流计算方法，主要步骤为：1)建立考虑天然气系统热力过程的设备模型。所述设备模型包括天然气管道模型和压缩机模型。2)基于设备模型，建立电‑气综合能源系统的统一能流求解模型。所述电‑气综合能源系统的统一能流求解模型包括天然气系统模型、电力系统模型和耦合元件模型。3)利用电‑气综合能源系统的统一能流求解模型对待检测电‑气综合能源系统的能流进行计算。本发明可以更加精确的反映由热力过程导致的天然气温度变化情况，及其对系统中其他状态变量的影响。

技术领域

本发明涉及电-气综合能源系统领域，具体是考虑天然气热力过程的电-气综合能源系统统一能流计算方法。

背景技术

近年来，随着燃气轮机装机容量的日渐提升，电力系统与天然气系统间的耦合日益紧密，因此，对电-气综合能源系统进行统一的能流求解至关重要。天然气经过不同元件的热力过程将导致气温不断变化，且气温、气压和流量等变量的变化是相互影响和耦合的。天然气温度无论对电力系统还是天然气系统都会产生重要影响，例如，影响压缩机的能量消耗以及燃气轮机的能量转换效率。气温和气压还会共同影响水合物的生成，水合物将导致气体传输效率降低、局部气压累积过大、气网设备损坏，甚至造成分输中断，降低对用户的供气可靠性。当中断发生在燃气轮机供气支路，还会影响供电可靠性。故除气压外，气温也有必要被作为状态变量考虑。

现有的电-气综合能源系统统一能流计算模型大部分只考虑了节点的流量平衡，把气压和流量作为了状态变量，而天然气的温度一般被当作与环境温度相等的常量，管道中的热力过程被忽略了。现有的考虑了管道热力过程的计算方法使用Weymouth方程作为管道的流量模型，但矛盾的地方在于，事实上Weymouth方程是基于整个管道温度不变的假设推导的，因此在考虑热力过程的背景下其计算精度有限。在专门针对天然气管道的热力过程的研究中，通常采用苏霍夫公式等描述在管道不同位置的温度分布，这些公式可以计及天然气与外界环境热交换以及气体沿管道内摩擦造成的温度变化。当希望同时观察天然气温度和压力在管道中的分布时，一般使用一组反映气体在管道中流动特性偏微分方程，并采用有限差分逼近和荣格-库塔法等数值计算方法进行求解，从而管道中任意一点的气温和气压状态都可以得到。

偏微分形式的管道流量模型由于其涵盖了大量不必需的管道内状态变量信息，从而带来了庞大的计算量，因此不适用于电-气综合能源系统的统一能流求解。此外，压缩机作为天然气系统的另一种重要设备，其热力过程将导致出口节点的显著温升，而这一特性在现有的电-气综合能源系统统一能流求解方法中都没有被考虑。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，考虑天然气热力过程的电-气综合能源系统统一能流计算方法，主要包括以下步骤：

1)建立考虑天然气系统热力过程的设备模型。所述设备模型包括天然气管道模型和压缩机模型。

所述天然气管道模型包括天然气管道热力模型和天然气管道流量模型。所述压缩机模型包括压缩机热力模型和压缩机流量模型。

1.1)建立天然气管道模型的主要步骤如下：

1.1.1)天然气水平管道m₁n₁的气体流动守恒方程如下所示：

其中，p和T分别为天然气的压力和温度。Z和R分别为天然气的压缩因子和气体常数。λ为摩擦系数。x为当前位置与管道起点的距离。和分别为管道的内径和截面积。为流过管道的质量流量。d(·)为微分符号。

1.1.2)与管道起点位置距离x处的天然气温度T(x)如下所示：