一种混氢天然气网络优化调度模型的建模方法技术

本发明专利技术的混氢天然气网络优化调度模型的建模方法，包括以下步骤：步骤1）建立包括管段压降方程和管存方程的混氢天然气网络模型；步骤2）建立了包括目标函数和约束条件的混氢天然气网络优化调度模型；步骤3）处理了混氢天然气网络优化调度模型中的非线性项，建立了适用于稳态混氢天然气网络优化调度的混合整数二阶锥规划模型。有益效果：该方法能够解决已有研究中缺乏适用于混氢天然气网络优化调度模型的问题，为稳态混氢天然气网络的优化调度提供模型基础，在计及掺氢比对于网络影响的同时获得兼顾经济效益和环保效益的调度策略。获得兼顾经济效益和环保效益的调度策略。获得兼顾经济效益和环保效益的调度策略。

【技术实现步骤摘要】
一种混氢天然气网络优化调度模型的建模方法


[0001]本专利技术涉及能源建模
，尤其涉及一种混氢天然气网络优化调度模型的建模方法。

技术介绍

[0002]氢能的发展依赖于制、输、储、用等多环节的技术支撑，而制氢、储氢设施发展动力不足和高昂的纯氢管网建设费用导致氢能的普及利用依然存在困难。考虑向已有的天然气基础网络中掺入适当比例的氢气，以混氢天然气的形式实现氢能利用，有望打破氢能发展的“先鸡后蛋”困境。
[0003]当前，关于混氢天然气系统的研究大多集中在试验和潮流仿真阶段，包括真实场景下开展试验分析或借助于SPS，Pipeline Studio，ANSYS Fluent等软件进行仿真模拟，缺乏关于混氢天然气网络建模的研究。氢气与天然气的物化性质存在差异，氢气混入天然气后，势必对天然气基础设施的运行工况产生影响，因此不能沿用原有的适用于天然气网络的模型，需要计及掺氢比和压强等级对于气体动力学的影响，重新构建适用于混氢天然气网络的管段压降和管段管存模型，并研究非线性项的处理方法，从而构建混氢天然气网络优化调度模型。

技术实现思路

[0004]本专利技术正是针对现有技术中的问题，以气体组分为混氢天然气的气体网络为研究对象，提供了一种混氢天然气网络优化调度模型的建模方法，为综合能源系统的优化运行提供了网络模型基础。通过分段线性化和SOS2这两种线性化方法，本专利技术将原有的混合整数非凸二次约束规划模型转化为了混合整数二阶锥规划模型，实现稳态混氢天然气网络的优化调度，在计及掺氢比对于网络影响的同时获得兼顾经济效益和环保效益的调度策略,具体由以下技术方案实现：
[0005]所述混氢天然气网络优化调度模型的建模方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1)根据式(1)构建管段压降方程，并根据式(2)构建管存方程的混氢天然气网络模型；
[0007][0008]式(1)中，L
ij
表示管段ij的长度，为管段平均流量，表示为管段入口流量和出口流量的均值，M表示气体的摩尔质量，α、β是与温度和掺氢比例的相关参数，R表示气体常数，T
em
表示温度，D表示管段管径，A表示管段横截面积，p
i
和p
j
分别表示节点i和j的压强；
[0009][0010]步骤2)根据式(3)建立混氢天然气网络优化调度的目标函数，结合约束条件和所
述目标函数构建混氢天然气网络优化调度模型；
[0011][0012]式(3)中，C
HCNG,t
表示混氢天然气网络在t时刻消耗混氢天然气的成本，表示混氢天然气网络在t时刻向碳交易市场支付的碳排费用；
[0013]步骤3)采用分段线性化的方法处理所述管段压降方程中的对数项，采用名为特殊序集2(special ordered sets 2，SOS2)的方法处理管段压降方程和管段管存方程中的双线性项，得到适用于稳态混氢天然气网络优化调度的混合整数二阶锥规划模型及对应的约束条件。
[0014]所述混氢天然气网络优化调度模型的建模方法的进一步设计在于，所述步骤1)中所述管段压降方程的构建过程包括如下步骤：
[0015]步骤1
‑
1)设定混氢天然气网络为等温稳态的气网模型，则气网模型的表达式为：
[0016][0017]其中，ρ和w分别表示气体密度和流速，p表示气体压强，λ表示气体摩擦因子，D表示管段管径；
[0018]步骤1
‑
2)结合实际气体状态方程(4)和密度方程(5)转化得到气网模型的表达式(6)：
[0019][0020]m＝ρwA＝ρq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0021][0022]其中，M表示气体的摩尔质量，Z表示气体压缩因子，R表示气体常数，A表示管段横截面积，m和q分别表示气体质量流量和体积流量；
[0023]步骤1
‑
3)根据式(7)得到压缩因子与压强等级的真实关系，
[0024](RT)3Z3‑
(RT)3Z2+[apRT
‑
bp(RT)2‑
(bp)2RT]Z
‑
abp2＝0
ꢀꢀ
(7)
[0025]当掺氢比低于50％时，压缩因子和压强的关系根据式(8)进行线性回归，
[0026]Z＝αp+β
ꢀꢀ
(8)
[0027]其中，α＝α(y,T)和β＝β(y,T)是与温度和混合比例相关的参数；
[0028]进一步转化为式(9)，
[0029][0030]再对式(9)在管段ij上积分得到管段压降方程(1)，式(1)中的计算公式如式(10)。
[0031][0032]其中，表示管段入口流量，表示出口流量。
[0033]所述混氢天然气网络优化调度模型的建模方法的进一步设计在于，所述步骤1
‑
2)中对于混合气体，平均摩尔质量根据式(11)的混合规则公式进行计算：
[0034][0035]其中，r
i
表示气体组分i的体积分数，M
i
表示气体组分i的摩尔质量。
[0036]所述混氢天然气网络优化调度模型的建模方法的进一步设计在于，所述步骤1)中管存方程的混氢天然气网络模型的建模过程为：
[0037]根据式(12)设定管段管存与管段设计参数以及平均压强的关系
[0038][0039]其中，表示管段管存，表示管段气体平均压缩因子，为管段平均压强，表示为管段首末端压强的均值，如式(13)所示，A
ij
表示管段ij的横截面积，p
n
和T
n
分别表示标准状况下的压强和温度。
[0040][0041]当考虑管段中气体为混氢天然气时，设定为从而式(12)转化得到式(2)。
[0042]所述混氢天然气网络优化调度模型的建模方法的进一步设计在于，所述步骤2)中混氢天然气网络优化调度的目标函数的建模过程为：
[0043]根据式(14)计算所述混氢天然气网络在t时刻消耗混氢天然气的成本为，
[0044][0045]式(14)中，表示氢气在t时刻的购买价格，表示天然气在t时刻的购买价格，表示气源节点n的购气流量，m3/s，r
HCNG
表示混氢天然气中氢气的体积分数。
[0046]根据式(15)计算混氢天然气网络在t时刻向碳交易市场支付的碳排费用：
[0047][0048]式(15)中，penalCO
2 NG表示混氢天然气中天然气组分需要缴纳的碳排费用，r
HCNG
表示混氢天然气中氢气的体积分数；
[0049]根据式(16)计算混氢天然气网络在t时刻向碳交易市场支付的碳排费用为：
[0050][0051]其中，penalCO
2 NG表示混氢天然气中天然气组分需要缴纳的碳排费用。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混氢天然气网络优化调度模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)根据式(1)构建管段压降方程，并根据式(2)构建管存方程的混氢天然气网络模型；式(1)中，L
ij
表示管段ij的长度，为管段平均流量，表示为管段入口流量和出口流量的均值，M表示气体的摩尔质量，α、β是与温度和掺氢比例的相关参数，R表示气体常数，T
em
表示温度，D表示管段管径，A表示管段横截面积，p
i
和p
j
分别表示节点i和j的压强。步骤2)根据式(3)建立混氢天然气网络优化调度的目标函数，结合约束条件和所述目标函数构建混氢天然气网络优化调度模型；式(3)中，C
HCNG,t
表示混氢天然气网络在t时刻消耗混氢天然气的成本，表示混氢天然气网络在t时刻向碳交易市场支付的碳排费用；步骤3)采用分段线性化的方法处理所述管段压降方程中的对数项，采用名为特殊序集2的方法处理管段压降方程和管段管存方程中的双线性项，得到适用于稳态混氢天然气网络优化调度的混合整数二阶锥规划模型及对应的约束条件。2.根据权利要求1所述的混氢天然气网络优化调度模型的建模方法，其特征在于所述步骤1)中所述管段压降方程的构建过程包括如下步骤：步骤1
‑
1)设定混氢天然气网络为等温稳态的气网模型，则气网模型的表达式为：其中，ρ和w分别表示气体密度和流速，p表示气体压强，λ表示气体摩擦因子，D表示管段管径；步骤1
‑
2)结合实际气体状态方程(4)和密度方程(5)转化得到气网模型的表达式(6)：m＝ρwA＝ρq
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(5)其中，M表示气体的摩尔质量，Z表示气体压缩因子，R表示气体常数，A表示管段横截面积，m和q分别表示气体质量流量和体积流量；步骤1
‑
3)根据式(7)得到压缩因子与压强等级的真实关系，(RT)3Z3‑
(RT)3Z2+[apRT
‑
bp(RT)2‑
(bp)2RT]Z
‑
abp2＝0
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(7)
当掺氢比低于50％时，压缩因子和压强的关系根据式(8)进行线性回归，Z＝αp+β
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(8)其中，α＝α(y,T)和β＝β(y,T)是与温度和混合比例相关的参数；进一步转化为式(9)，再对式(9)在管段ij上积分得到管段压降方程(1)，式(1)中的计算公式如式(10)。其中，表示管段入口流量，表示出口流量。3.根据权利要求2所述的混氢天然气网络优化调度模型的建模方法，其特征在于所述步骤1
‑
2)中对于混合气体，平均摩尔质量根据式(11)的混合规则公式进行计算：其中，r
i
表示气体组分i的体积分数，M
i
表示气体组分i的摩尔质量。4.根据权利要求2所述的混氢天然气网络优化调度模型的建模方法，其特征在于所述步骤1)中管存方程的混氢天然气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李妍，胡亚山，张群，王琼，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，
类型：发明
国别省市：