天然气管网的动态分析方法及装置制造方法及图纸

本申请实施例提供了一种天然气管网的动态分析方法及装置，该方法包括：基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。本申请实施例可实现对大规模复杂管网的动态分析，且效率较高。

【技术实现步骤摘要】
天然气管网的动态分析方法及装置
本申请涉及天然气管网动态分析
，尤其是涉及一种天然气管网的动态分析方法及装置。
技术介绍
天然气管网中任意单元产生的扰动都可能造成系统内大范围的状态波动，从而影响正常的供气。由于天然气的可压缩性，扰动造成的慢瞬态变化与时间、空间紧密相关；而且，天然气管网由大量、不同种类的单元构成，具有不同的运行模式、控制模式和限制条件，对扰动做出的响应也不相同。此外，天然气管网的气源多种多样，不同气源的运行模式差异很大。天然气管网的以上特点给其运行状态预测、系统特性分析带来了巨大困难。目前，对天然气管道的瞬态模拟技术已经比较成熟。研究者也发表了许多关于天然气管网瞬态模型的文章。但是，这些文章中的模型多数并非真正意义上的“管网模型”，而是在管道模型的基础上拼凑而成。这些模型的主要焦点在于对偏微分方程的处理，仅简单地考虑了管道与管道连接处的守恒关系。其中，具有代表性的最新方法是MahmoodFarzaneh-Gord,HamidRezaRahbari于2016年在JournalofNaturalGasScienceandEngineering上发表的文章《Unsteadynaturalgasflowwithinpipelinenetwork,ananalyticalapproach》。在这篇文章中，作者首先采用KolomogorovandFomin变换法，化简了质量守恒方程和动量守恒方程；然后对化简后的方程组积分(对时间积分)，将非稳态方程转化为“稳态方程组”。但是，该稳态方程组中的关键系数与时间相关。然后，采用基尔霍夫一定律将各管道的“稳态方程组”组合在一起，形成管网方程组。这个方法就是典型的“拼凑式”方法，其特点在于重点强调对管道模型的改进，然后简单考虑管道模型的耦合关系，形成管网模型。该模型的问题在于：形成的管网模型在形式上非常复杂，应用于大型、复杂管网存在很大困难。也有研究者关注到了这个问题，试图从整体的角度建立天然气管网的系统模型。其中，R.Alamian,M.Behbahani-Nejad,A.Ghanbarzadeh于2012年在JournalofNaturalGasScienceandEngineering杂志上发表了一篇题为《Astatespacemodelfortransientflowsimulationinnaturalgaspipelines》的文章，该文章从控制论的角度建立了天然气管网的状态空间模型。首先，作者对质量守恒、动量守恒方程进行拉普拉斯变换，建立管道的传递函数模型；然后基于传递函数，提取状态变量，描述管网中各节点、管道间的作用关系，再进行反拉普拉斯变换，建立起管网的状态空间模型。但是，由于该模型完全基于控制学方法，建模过程中出了两次拉普拉斯变换外，还要构造逻辑框图，从而给计算造成了较大负担。因此，对于大规模复杂管网，这种方案不具有可行性。换而言之，现有模型仅适用于简单的天然气管网。
技术实现思路
本申请实施例的目的在于提供一种天然气管网的动态分析方法及装置，以实现对大规模复杂管网的动态分析。为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种天然气管网的动态分析方法，包括：基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述节点动态方程包括：其中，Δpi为节点i处的压力增量，ρn为流体密度，c为声速，Ai,j为节点i与节点j间管道的横截面积，Δxi,j为节点i与节点j间管道的离散空间步长，ΔQi,j为节点i与节点j间管道的流量增量，ΔLi为节点j处的供气量增量或需气量增量。本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述管道动态方程包括：其中，ΔQi为管道i的压力增量，Δpk为管道i的端部k处的压力增量，Δpj为管道i的端部j处的压力增量，Kqi为第一系数，且Kpk为第二系数，且Kpj为第三系数，且f(Q0,p0,p0)为变量在平衡态时管道流量变化率的值。本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述节点有向邻接矩阵包括：其中，向量为所述天然气管网中所有节点处压力变化量对时间的导数，Φ为第一系数矩阵，AI为邻接矩阵，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量，ΔL向量为所述天然气管网中所有需求点处天然气流入量，或所述天然气管网中所有供气点处天然气流出量。本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述管道有向邻接矩阵包括：其中，向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量对时间的导数，Kp为第二系数矩阵，KQ为第三系数矩阵，Δp向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力增量，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量。本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述状态空间模型包括：其中，为所述天然气管网的状态空间模型；A为所述天然气管网的状态矩阵，且X为所述天然气管网的状态变量矩阵，且B为所述天然气管网的控制矩阵，且U为所述天然气管网的控制变量矩阵，且m为所述天然气管网中的管道数量，n为所述天然气管网中的节点数量，O为零矩阵，Cp为第四系数矩阵，CQ为第五系数矩阵，p向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力，Qn向量为所述天然气管网中的非管道部件的流量。本申请实施例的天然气管网的动态分析方法，所述根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析，包括：接收基于预设规则输入至所述状态空间模型的扰动事件，所述扰动事件为导致所述状态空间模型偏离正常运行状态的不利事件；根据预设的数值求解方法模拟所述扰动事件在所述状态空间模型中传播过程。另一方面，本申请实施例还提供了一种天然气管网的动态分析装置，包括：动态方程建立模块，用于基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；邻接矩阵建立模块，用于根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；状态空间模型获取模块，用于将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；管网动态分析模块，用于根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。本申请实施例的天然气管网的动态分析装置，所述节点动态方程包括：其中，Δpi为节点i处的压力增量，ρn为流体密度，c为声速，Ai,j为节点i与节点j间管道的横截面积，Δxi,j为节点i与节点j间管道的离散空间步长，ΔQi,j为节点i与节点j间管道的流量增量，ΔLi为节点j处的供气量增量或需气量增量。本申请实施例的天然气管网的动态分析装置，所述管道动态方程包括：其中，ΔQi为管道i的压力增量，Δpk为管道i的端部k处的压力增量，Δpj为管道i的端部j处的压力增量，Kqi为第一系数，且Kpk为第二系数，且Kpj为第三系数，且f(Q0,p0,p0)为变量在平衡态时管道流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天然气管网的动态分析方法，其特征在于，包括：基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。

【技术特征摘要】
1.一种天然气管网的动态分析方法，其特征在于，包括：基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵的转置矩阵确定管道有向邻接矩阵；将所述节点有向邻接矩阵与所述管道有向邻接矩阵进行耦合，获得所述天然气管网的状态空间模型；根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析。2.如权利要求1所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述节点动态方程包括：其中，Δpi为节点i处的压力增量，ρn为流体密度，c为声速，Ai,j为节点i与节点j间管道的横截面积，Δxi,j为节点i与节点j间管道的离散空间步长，ΔQi,j为节点i与节点j间管道的流量增量，ΔLi为节点j处的供气量增量或需气量增量。3.如权利要求2所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述管道动态方程包括：其中，ΔQi为管道i的压力增量，Δpk为管道i的端部k处的压力增量，Δpj为管道i的端部j处的压力增量，Kqi为第一系数，且Kpk为第二系数，且Kpj为第三系数，且f(Q0,p0,p0)为变量在平衡态时管道流量变化率的值。4.如权利要求3所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述节点有向邻接矩阵包括：其中，向量为所述天然气管网中所有节点处压力变化量对时间的导数，Φ为第一系数矩阵，AI为邻接矩阵，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量，ΔL向量为所述天然气管网中所有需求点处天然气流入量，或所述天然气管网中所有供气点处天然气流出量。5.如权利要求4所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述管道有向邻接矩阵包括：其中，向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量对时间的导数，Kp为第二系数矩阵，KQ为第三系数矩阵，Δp向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力增量，ΔQ向量为所述天然气管网中所有管道的流量变化量。6.如权利要求5所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述状态空间模型包括：其中，为所述天然气管网的状态空间模型；A为所述天然气管网的状态矩阵，且X为所述天然气管网的状态变量矩阵，且B为所述天然气管网的控制矩阵，且U为所述天然气管网的控制变量矩阵，且m为所述天然气管网中的管道数量，n为所述天然气管网中的节点数量，O为零矩阵，Cp为第四系数矩阵，CQ为第五系数矩阵，p向量为所述天然气管网中各控制单元两端节点的压力，Qn向量为所述天然气管网中的非管道部件的流量。7.如权利要求1所述的天然气管网的动态分析方法，其特征在于，所述根据所述状态空间模型对所述天然气管网进行动态分析，包括：接收基于预设规则输入至所述状态空间模型的扰动事件，所述扰动事件为导致所述状态空间模型偏离正常运行状态的不利事件；根据预设的数值求解方法模拟所述扰动事件在所述状态空间模型中传播过程。8.一种天然气管网的动态分析装置，其特征在于，包括：动态方程建立模块，用于基于质量守恒方程建立指定天然气管网的节点动态方程，并基于动量守恒方程建立所述天然气管网的管道动态方程；邻接矩阵建立模块，用于根据所述节点动态方程和邻接矩阵确定节点有向邻接矩阵，并根据所述管道动态方程和所述邻接矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲军，苏怀，杨楠，张宗杰，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11