[发明专利]一种掺氢天然气的中低压配气管网建模方法

说明书

本发明提供了一种掺氢天然气的中低压配气管网建模方法，其包括如下步骤：S1、建立掺氢天然气网络管道的稳态等温模型，所述稳态等温模型包括掺氢天然气的密度、雷诺数、动力粘度、摩阻系数的参数设置及掺氢天然气网络的节点、管道、回路的数学模型描述；S2、基于步骤S1中的数学模型描述，采用迭代法建立掺氢天然气中低压配气管网的求解方法；S3、根据步骤S2中的求解方法，分别采用节点法、环网法、环能法建立网络的节点压强、管道流量的数学求解模型，分析对比这三种方法获得的数学求解模型之间的内在联系并对比分析各自特点与适用场合，最后实现掺氢天然气的中低配气管网建模方法。

技术领域

本发明属于能源系统数学建模技术领域，具体涉及一种掺氢天然气的中低压配气管网建模方法。

背景技术

随着社会的不断发展，终端用户对于能源品质的标准不断提高，对于能源的高效性与清洁性有着更进一步的要求。近年来，随着国家对电能与新能源技术的大力推广，尤其是“两个替代”——“电能替代”与“清洁替代”政策的提出，使得能源转型脚步进一步加快，如何提高可再生能源的消纳水平，如何改善能源使用结构，是未来能源网络的重要研究方向。

一方面，随着民众对于环境污染问题的日益关注，以及能源储备等实际问题，传统化石能源中，煤炭与石油的消费比重将会持续降低，而天然气作为一种清洁的化石能源，其消费比重则将会逐步提升；而另一方面，随着清洁能源使用技术的发展，氢气作为另一种清洁能源，也同样被认为将会是未来清洁能源消费结构中的重要组成部分。然而，氢气作为理想清洁能源，虽然有着同重量下能量密度高、可燃性范围广、最低点火能量低、燃烧速率快、燃烧不产生污染排放物等优势，但同样也存在着影响机组效率、存储运输难等问题。氢气只有在经过压缩之后才能进行运输，运输难度大，成本高。且氢气容易发生气化或起火问题，纯氢燃机技术发展不成熟，对应的燃料基础设施、燃料供应设备的缺乏，都大大限制了氢燃料的发展。而将氢气掺入天然气中制成掺氢天然气，将会是一种向纯氢能源过渡的可行方式，掺氢天然气相比与天然气有着更高的燃烧速率与更少的污染物排放，而相比与氢气，则其可以利用现有的天然气管网进行运输，使用限制更小，安全系数更高，是一种更加符合当前实际需要的新型混合清洁能源。

与此同时，氢气与天然气的物理化学性质不同，其在现有配气管网中的运输状况也不同，采用原有的天然气管网模型不能准确有效地反应掺氢天然气管段运输的物理模型，研究掺氢天然气运输特征将会是一项十分重要的工作。虽然已有文献论证了掺氢天然气利用现有天然气管道运输的可行性，但是对于运输掺氢天然气的中低压配气管网的数学建模还处于探索阶段，因而问题的关键在于提出一种有效准确的掺氢天然气中低压配气管网的数学建模方法。

发明内容

为有效刻画掺氢天然气的管段运输特性，本发明提供了一种掺氢天然气的中低压配气管网建模方法，并提供如下技术方案：

一种掺氢天然气的中低配气管网建模方法，其包括如下步骤：

S1、建立掺氢天然气网络管道的稳态等温模型，所述稳态等温模型包括掺氢天然气的密度、雷诺数、动力粘度、摩阻系数的参数设置及掺氢天然气网络的节点、管道、回路的数学模型描述；

S2、基于步骤S1中的数学模型描述，采用迭代法建立掺氢天然气中低压配气管网的求解方法；

S3、根据步骤S2中的求解方法，分别采用节点法、环网法、环能法建立网络的节点压强、管道流量的数学求解模型，分析对比这三种方法获得的数学求解模型之间的内在联系并对比分析各自特点与适用场合，最后实现掺氢天然气的中低配气管网建模方法。

进一步地，所述掺氢天然气的密度、雷诺数、运动粘度、摩组系数的参数设置具体过程为：

所述掺氢天然气的密度ρ为相对密度Δ与空气密度ρ_空气的乘积，具体表达式为：