[发明专利]一种掺氢天然气管道能流计算方法、系统、设备及其应用

说明书

本发明提供了一种掺氢天然气管道能流计算方法、系统、设备及其应用，该能流计算方法为：输入基础数据；参数初始化；计算掺氢天然气管道流量及压缩机流量；通过牛顿法迭代修正掺氢天然气管网中各节点的气体温度；计算天然气系统的节点能流平衡方程，并进行收敛判断：当不满足收敛条件时，则牛顿法计算雅可比矩阵与压强修正量后，返回掺氢天然气管道流量及压缩机流量计算程序；当满足收敛条件时，则进入下述计算天然气系统能流分布程序。本发明采用牛顿恒法，对管网各节点、管段参数信息进行迭代计算，通过改变气质中氢气的占比计算出不同氢气浓度下管道运输工况，可与运输纯天然气的工况进行对比，分析掺氢浓度对管网运行参数的影响。

技术领域

本发明属于天然气系统稳态能流计算技术领域，具体涉及一种掺氢天然气管道能流计 算方法、系统、设备及其应用。

背景技术

随着工业生产流程循环低碳化、生活消费模式向远程智能化演变，终端用能将逐步减 少化石能源的直接需求，形成以电力、氢能、热力、天然气等零碳和低碳能源为主的供应 体系。大力发展可再生能源，输电网络和储能系统的扩建势在必行，这将侧重于供电、供热和交通部门的可持续能源供应。实现能源可持续供应的根本是增加可再生能源在电力消费和总能源消费中所占的份额，然而，随着可再生能源在发电中所占的份额越来越大，由于风能光伏发电的不稳定性将会导致电网运行更加多变和复杂。为了确保安全稳定的能源供应，需要开发更大、更灵活的储能解决方案。

在我国风能，太阳能迅速扩张的背景下，电力储存问题逐渐引起重视。几十年来我国 大力发展抽水蓄能电站，用来储存大量的电力，但是受环境、气候因素影响，发展空间受限。近年来国内外已有了新策略和具体的试点项目，利用电网实时剩余电力，通过电解水制氢并对氢气进行储存、利用，起到减少电网负荷的效果。所生产的氢气作为清洁能源可重新用于发电或用于电力部门以外的部门(如交通、供热、化工厂)，为减少二氧化碳排 放，达到2030年碳达峰与2060年碳中和目标做出重要贡献。

各类氢气的运输方式中，管道输送价格最低，对运输距离适应性广，但新建氢气专输 管道建设成本高、审批困难。我国的天然气管网总里程已突破10万公里，涉及几千个直供用户和站场阀室，但输氢管道目前仅有100公里，加氢站61座，如果能够利用已有成 熟的天然气管道设施，在不必对设备设施进行专门处理和改造的前提下注入氢气，有望实 现大规模输送氢气，大幅降低氢气输送成本，提高天然气管道经济性，减少开发新的输配 基础设施的投资。

由于氢气的体积能量密度较低，大约为天然气的三分之一，现有天然气系统(特别是 地下储存和高压管道)掺氢后的储气能力会随着天然气被氢气所取代而降低，因此若保持 运输的能量总量不变，天然气管道内气体流量和管道压强会发生相应变化。为了考虑掺氢 对天然气管网运行可能产生的影响，需模拟天然气管网掺氢的运输工况，建立天然气管道 运行的稳态模型，计算出不同氢气浓度下天然气供应基础设施(如天然气管道、压缩机等) 的运行状态，定量和定性地对掺氢的影响进行分析，为日后天然气管道掺氢运输的实现提 供理论基础，起到促进天然气与新能源融合发展的作用。

能流计算是天然气系统的一种基本计算，是天然气系统规划和运行的基础。基于牛顿 法的传统天然气系统稳态模型计算只能用于计算等温条件下的能流分布，若要计算非等温 稳态模型需使用四阶龙格-库塔法，但四阶龙格-库塔法仅适用于单点边值问题，不适用于 现实中天然气管网运行工况中碰到的多点边界值问题；氢气掺入天然气管道输送时，由于 氢气的体积能量密度低且可压缩性差，与天然气掺混在长输管道中输送时必会使管道压损 和压缩机功率发生改变。此外，因为焦耳-汤姆森效应，天然气在压力降低时温度会降低， 氢气在压力降低时温度会升高，这对管道运行会产生较大影响。氢气与天然气的物理特性 不同，若将传统稳态模型用于模拟掺氢后的管道运输工况会存在较大误差，无法准确计算 出掺氢情况下与输送纯天然气情况下的具体参数差异。