大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真方法及軟件開發(fā)

　　摘要：天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)仿真技術(shù)是進行管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案論證、管輸計劃制定、運行方案優(yōu)化、應(yīng)急保障決策的核心技術(shù)�；�于質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒原理及非管元件特性方程，建立了適用于任意結(jié)構(gòu)形式的管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型;形成了基于管道數(shù)學(xué)模型泛函分析、大型稀疏矩陣壓縮存儲條件下的快速 LU 分解等方法的管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型求解算法。采用 B/S 軟件架構(gòu)、大數(shù)據(jù)高速緩存技術(shù)、大數(shù)據(jù)抽取實時可視化技術(shù)，開發(fā)了包括數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)庫存儲模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊、在線仿真模塊、結(jié)果推送模塊的大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件。應(yīng)用于總長 100 km、45 座壓縮機站的管網(wǎng)系統(tǒng)和總長 31 000 km、117 座壓縮機站的大型管網(wǎng)系統(tǒng)，軟件適用規(guī)模、計算精度與速度均達到了國際同類商業(yè)軟件水平。研究成果可為國產(chǎn)化仿真軟件的開發(fā)應(yīng)用提供借鑒。

　　關(guān)鍵詞：天然氣管網(wǎng);在線仿真;數(shù)學(xué)模型;軟件開發(fā)

　　天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)是由氣源、管網(wǎng)、用戶及儲氣庫等“源 網(wǎng) 荷 儲”各要素構(gòu)成的規(guī)模龐大、組成復(fù)雜的一體化水動力系統(tǒng)，是重要的能源輸送基礎(chǔ)設(shè)施。截至 020 年，中國天然氣干線管道總里程約 0.2 10km，基本形成了“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、就近供應(yīng)”的供氣格局 2]。

　　隨著中國天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模不斷增大、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、智慧化要求逐步提高，如何實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟高效輸送、安全穩(wěn)定運行、靈活可靠調(diào)配，是管網(wǎng)設(shè)計運行面臨的重要問題，對管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件的適用規(guī)模、計算精度與速度也提出了更高的要求。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的計算機仿真技術(shù)可基于對管網(wǎng)流動過程的數(shù)學(xué)表征，量化管網(wǎng)內(nèi)天然氣的流動及變化過程，從而精確預(yù)測和回溯管網(wǎng)系統(tǒng)各氣源、用戶、管道、設(shè)備的運行狀態(tài)，是實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)安全、高效設(shè)計與運行管理的核心技術(shù)，也是智慧管網(wǎng)背景下支撐智能管輸計劃制定、方案優(yōu)化、應(yīng)急保障的基礎(chǔ)4]。

　　國外目前已經(jīng)基本形成了較為成熟的管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件產(chǎn)品，如美國 Gregg 公司的 NextGen 軟件、德國 DNV GL 的 SPS 軟件、美國 Emerson 公司的 Pipeline Studio 軟件、捷克 SIMONE Research Group 和德國 LIWACOM 公司聯(lián)合開發(fā)的 SIMONE 軟件 ，這些軟件的廣泛應(yīng)用為中國管網(wǎng)系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃、建設(shè)、運行管理做出了重要貢獻。在中國管網(wǎng)規(guī)模逐漸大型化、管網(wǎng)信息安全要求逐步提高、核心自主知識產(chǎn)權(quán)“卡脖子”問題日益凸顯的背景下，國外軟件的采購與維護費用高、深層次功能定制與開發(fā)、信息安全自主可控等方面的局限性也開始顯現(xiàn)出來。特別是國外軟件受其特殊版權(quán)與核心技術(shù)保護機制的影響，難以融入中國自主構(gòu)建的智慧管網(wǎng)體系。

　　因此，掌握天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)仿真的核心理論方法，是中國在天然氣干線管網(wǎng)和城市燃氣管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計、運行、管理等方面面臨的迫切需求。雖然中國相關(guān)科研院所在此方面進行了長期的研究，但相關(guān)軟件產(chǎn)品缺乏良好的應(yīng)用生態(tài)和成熟商業(yè)化發(fā)展模式，在軟件適用的管網(wǎng)規(guī)模、計算速度與精度、穩(wěn)定性方面與國外產(chǎn)品還存在差距。西南石油大學(xué)從 世紀 年代開始在中國較早開展管網(wǎng)系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究，形成了大型管網(wǎng)系統(tǒng)仿真的核心理論方法 。

　　近年來，抓住國家和行業(yè)重視并推動國產(chǎn)仿真軟件發(fā)展的契機，融合大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，實現(xiàn)了管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件架構(gòu)從 C/S 架構(gòu)向 /S 架構(gòu)、仿真模式從離線仿真向在線仿真、適用規(guī)模從小型管網(wǎng)向大型復(fù)雜環(huán)狀管網(wǎng)的快速發(fā)展。詳細論述了管網(wǎng)系統(tǒng)建模及求解算法、大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件開發(fā)及相關(guān)應(yīng)用實例，以期為國產(chǎn)化仿真軟件的開發(fā)應(yīng)用提供借鑒。

　　1大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型

　　對于非管道元件，從組成管網(wǎng)系統(tǒng)的實際元件出發(fā)，可建立通用閥、止回閥、調(diào)節(jié)閥、局部阻力件、換熱器、過濾器、放空火炬、儲罐、緩沖罐、安全閥、泄漏點、儲氣庫、配氣站、集氣站、分輸站、壓縮機站的數(shù)學(xué)模型。考慮壓縮機在實際運行過程中存在的壓比控制、出口壓力控制、轉(zhuǎn)速控制等多種控制模式，調(diào)節(jié)閥的流量控制、壓差控制、出口壓力控制、入口壓力控制等多種控制模式，換熱器的溫差控制、出口溫度控制等多種模式，采用基于 PID 的控制方法，即可實現(xiàn)對各種控制模式的模擬。

　　為了使管網(wǎng)系統(tǒng)模型封閉，還需在管網(wǎng)系統(tǒng)的氣源和用戶處設(shè)置邊界條件。其中，氣源處一般設(shè)置壓力溫度邊界條件、流量溫度邊界條件;用戶處需設(shè)置壓力邊界條件、流量邊界條件中任何一個 21 。如果是隨時間變化的，還應(yīng)給定這些參數(shù)隨時間的變化關(guān)系。

　　2管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型的求解算法

　　天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型是由一系列非線性偏微分方程組和非線性代數(shù)方程組構(gòu)成，傳統(tǒng)的求解方法首先采用隱式差分法、特征線法等方法將非線性偏微分方程展開為線性方程，然后采用 Newton Raphson迭代法、Gauss eidel 迭代法等方法進行求解，并在小型管網(wǎng)模型中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

　　這類方法實際是用線性化方程的解來近似非線性方程的解，所以求解的準確性很大程度上取決于管道網(wǎng)格劃分的長度，網(wǎng)格長度越小，計算結(jié)果越接近實際情況。對于大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)而言，隨著元件、節(jié)點數(shù)量的增加，仿真模型規(guī)模急劇增大，如果管網(wǎng)網(wǎng)格長度劃分過小，會使得數(shù)學(xué)模型規(guī)模激增，導(dǎo)致計算機求解速度緩慢、內(nèi)存消耗急劇增加。

　　針對上述問題，結(jié)合管道流動方程的特點，基于泛函理論，創(chuàng)新性研究了采用大網(wǎng)格描述壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)分布的有效基函數(shù)及其疊加形式，以不同基函數(shù)及其疊加形式來表征管道大網(wǎng)格內(nèi)壓力、流量等參數(shù)的分布，并通過研究這種分布函數(shù)來逼近偏微分方程的解 。

　　通過該方法擴大了管道網(wǎng)格步長，減少了仿真方程的數(shù)量，進而擴大了仿真規(guī)模。同時，針對大型管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型迭代求解過程中，雅克比矩陣為稀疏非對稱矩陣的特點 ，將大型方程組分解成一系列小型方程組，采用稀疏矩陣的壓縮存儲法，利用壓縮存儲條件下的 LU 分解法、自適應(yīng)仿真等多項技術(shù)進行快速求解，從而避免對稀疏矩陣中零元素的訪問和求解。

　　測試表明，采用上述方法后，可節(jié)省計算機內(nèi)存 95%以上，能夠大大提升仿真軟件對于管網(wǎng)規(guī)模的適應(yīng)性。上述數(shù)學(xué)模型與求解方法對于管網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)、方程的分布形式?jīng)]有特別要求，因此，可適用于任意結(jié)構(gòu)形式的管網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)成了大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件的計算核心。 大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件開發(fā)以上述數(shù)學(xué)模型和求解算法為基礎(chǔ)，結(jié)合天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)智能化運行的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計了天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行管控平臺，完成了管網(wǎng)在線仿真軟件的開發(fā)。

　　3大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件開發(fā)

　　基于 B/S架構(gòu)，采用 Java EE 企業(yè)級開發(fā)平臺開發(fā)，由圖形化組態(tài)、實時數(shù)據(jù)通訊、在線數(shù)字濾波、大數(shù)據(jù)存儲、在線仿真、參數(shù)評價與修正、大數(shù)據(jù)可視化模塊構(gòu)成;可實現(xiàn)大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的在線仿真、運行參數(shù)預(yù)測與回溯、運行參數(shù)預(yù)警、系統(tǒng)能耗分析、清管作業(yè)分析、虛擬計量等功能 。

　　( 1)圖形化組態(tài)模塊。廣泛借鑒國外管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件、繪圖辦公軟件的風格，開發(fā)了全中文的圖形化組態(tài)界面，具備與微軟 Visio 軟件類似的繪圖風格，界面友好易用。

　　( 2)實時數(shù)據(jù)通訊模塊�；�于 HTTPS、HTTP 通訊協(xié)議及 RESTful 數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了在線仿真軟件與數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)的集成、數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)向仿真軟件的實時傳輸、仿真結(jié)果向數(shù)字孿生體的實時推送。

　　( 3)在線數(shù)字濾波模塊。數(shù)字孿生體采集的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)異常值或者缺失，如果將這些數(shù)據(jù)作為計算的邊界條件輸入在線仿真模塊，將獲得明顯異常的仿真結(jié)果，甚至導(dǎo)致計算崩潰。為此，采用在線多尺度濾波方法(On line Multiscale Filtering，OLMS)將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理，去除異常信號;采用預(yù)測參數(shù)、移動插值平均等方法進行參數(shù)補齊，保證仿真過程的穩(wěn)健性。

　　(4 )大數(shù)據(jù)存儲模塊。針對數(shù)字孿生體與在線仿真軟件數(shù)據(jù)傳輸量大及時序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計了管道屬性數(shù)據(jù)庫、天然氣物性數(shù)據(jù)庫、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)庫等在內(nèi)的核心數(shù)據(jù)庫。針對海量數(shù)據(jù)的接收與存儲難題，首先采用高速緩存技術(shù)滿足時序數(shù)據(jù)即時讀寫需求，再將數(shù)據(jù)持久化到硬盤。理論上可實現(xiàn) 00× 條 的數(shù)據(jù)讀寫要求，實現(xiàn) 000× 條數(shù)據(jù)分庫存儲，100× 條數(shù)據(jù)分表存儲。

　　(5 )在線仿真模塊�；�于上述理論模型和求解算法，開發(fā)在線仿真軟件內(nèi)核，包括基于 BWRS、PR、SRK、GERG 2008 等狀態(tài)方程的天然氣熱物性參數(shù)計算、管網(wǎng)水力與熱力仿真、組分與熱值跟蹤、前景及條件預(yù)測、清管器跟蹤等核心功能 29 。

　　( 6)參數(shù)評價與修正模塊。為提高仿真軟件的計算精度，根據(jù)仿真結(jié)果與實際運行參數(shù)之間的偏差，采用遺傳算法與深度學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，修正管道的總傳熱系數(shù)、粗糙度、壓縮機特性參數(shù)等可調(diào)參數(shù)，實現(xiàn)模型的自主學(xué)習和修正。( 7)大數(shù)據(jù)可視化模塊�；�于大數(shù)據(jù)可視化框架，實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)、在線仿真數(shù)據(jù)、壓縮機組能耗數(shù)據(jù)、管輸計劃及實際執(zhí)行數(shù)據(jù)等多源大數(shù)據(jù)匯聚展示。

　　4應(yīng)用實例

　　4.1西部管道天然氣管網(wǎng)

　　西部管道天然氣管網(wǎng)包括西氣東輸一線、二線、三線西段以及輪吐線，全長 100 km，包括 個主要氣源， 個沿途分輸點， 06 座閥室， 座壓縮機站，292 條管道。西二線和西三線并行布置，站內(nèi)壓縮機通過管道、閥門連接，形成一個更為復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)。

　　模型中，天然氣物性計算采用 PR 狀態(tài)方程，摩阻系數(shù)采用 Colebrook 公式，管道網(wǎng)格長度 1~10 km。氣源采用流量溫度邊界條件，如西二線霍爾果斯站流量為 413 10 /d，入口溫度為 0℃;分輸用戶采用壓力邊界或者體積流量邊界條件，如西二線西段終點壓力為 MP ;壓縮機站采用壓比或出口壓力控制，如西二線霍爾果斯站壓比為 1.5，站內(nèi)壓縮機的串并聯(lián)配置按照實際壓縮機組配置方式。

　　4.1.1 動態(tài)仿真

　　在穩(wěn)態(tài)仿真基礎(chǔ)上，改變南京分輸站的流量，使其隨時間不斷變化，設(shè)置固定時間步長為 180 ，管道網(wǎng)格步長 0.1 10 km，進行 連續(xù)動態(tài)仿真，動態(tài)仿真完成時間為 05 ;進一步改變最小時間步長為min，最大時間步長 20 min，進行 的連續(xù)動態(tài)仿真，動態(tài)仿真完成時間為 60 。

　　通過與商業(yè)軟件的對比可見，計算速度均優(yōu)于 Pipeline Studio 4.0、SPS 9.7 等國外商業(yè)軟件(如 SPS 軟件 5 動態(tài)仿真用時 2 )，并與 SIMONE 軟件( 5 動態(tài)仿真用時 20 )處于同一數(shù)量級，總體達到了國外商業(yè)軟件的先進水平。采用上述軟件模擬得到南京分輸站及相鄰揚子石化分輸站 內(nèi)壓力、流量隨時間的變化情況�？梢�，南京分輸站壓力、輸量呈相反的變化趨勢，而揚子石化分輸站與南京分輸站連接在一個閥室上，兩者壓力變化趨勢相同，符合實際運行規(guī)律。

　　5 結(jié)論

　　開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件是掌握管網(wǎng)系統(tǒng)仿真核心技術(shù)、確保管網(wǎng)系統(tǒng)運行調(diào)度信息安全、推進天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)智能化運行的迫切需求。介紹了大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建方法、基于泛函分析的管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型高效求解算法，并基于 B/S 架構(gòu)開發(fā)了由 大模塊構(gòu)成的大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件，可實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的在線仿真、運行參數(shù)預(yù)測與回溯、運行參數(shù)預(yù)警、系統(tǒng)能耗分析、清管作業(yè)分析、虛擬計量等功能。

　　通過西部管道天然氣管網(wǎng)及國家干線天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的實例應(yīng)用，證明該軟件的計算精度符合要求，在計算速度及適用的管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模方面也達到了國外同類軟件的先進水平，為中國國產(chǎn)化高水平管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。未來可繼續(xù)開展管道、站場在全生命周期內(nèi)各種運行場景的在線仿真、預(yù)測、優(yōu)化、預(yù)演、預(yù)警與決策，指導(dǎo)天然氣管網(wǎng)的運行業(yè)務(wù)優(yōu)化和應(yīng)急管控。

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　　作者：李長俊 張員瑞 賈文龍 仇柏林 何杰 王碩

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