大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真方法及軟件開(kāi)發(fā)

　　摘要：天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)仿真技術(shù)是進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證、管輸計(jì)劃制定、運(yùn)行方案優(yōu)化、應(yīng)急保障決策的核心技術(shù)。基于質(zhì)量守恒、動(dòng)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(chǔ)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(shí)時(shí)可視化技術(shù)，開(kāi)發(fā)了包括數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)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(zhǎng) 100 km、45 座壓縮機(jī)站的管網(wǎng)系統(tǒng)和總長(zhǎng) 31 000 km、117 座壓縮機(jī)站的大型管網(wǎng)系統(tǒng)，軟件適用規(guī)模、計(jì)算精度與速度均達(dá)到了國(guó)際同類商業(yè)軟件水平。研究成果可為國(guó)產(chǎn)化仿真軟件的開(kāi)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(kāi)發(fā)

　　天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)是由氣源、管網(wǎng)、用戶及儲(chǔ)氣庫(kù)等“源 網(wǎng) 荷 儲(chǔ)”各要素構(gòu)成的規(guī)模龐大、組成復(fù)雜的一體化水動(dòng)力系統(tǒng)，是重要的能源輸送基礎(chǔ)設(shè)施。截至 020 年，中國(guó)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(guó)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(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)高效輸送、安全穩(wěn)定運(yùn)行、靈活可靠調(diào)配，是管網(wǎng)設(shè)計(jì)運(yùn)行面臨的重要問(wèn)題，對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件的適用規(guī)模、計(jì)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可基于對(duì)管網(wǎng)流動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)表征，量化管網(wǎng)內(nèi)天然氣的流動(dòng)及變化過(guò)程，從而精確預(yù)測(cè)和回溯管網(wǎng)系統(tǒng)各氣源、用戶、管道、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)安全、高效設(shè)計(jì)與運(yùn)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(jì)劃制定、方案優(yōu)化、應(yīng)急保障的基礎(chǔ)4]。

　　國(guó)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(guó) Gregg 公司的 NextGen 軟件、德國(guó) DNV GL 的 SPS 軟件、美國(guó) Emerson 公司的 Pipeline Studio 軟件、捷克 SIMONE Research Group 和德國(guó) LIWACOM 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 SIMONE 軟件 ，這些軟件的廣泛應(yīng)用為中國(guó)管網(wǎng)系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理做出了重要貢獻(xiàn)。在中國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)“卡脖子”問(wèn)題日益凸顯的背景下，國(guó)外軟件的采購(gòu)與維護(hù)費(fèi)用高、深層次功能定制與開(kāi)發(fā)、信息安全自主可控等方面的局限性也開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)。特別是國(guó)外軟件受其特殊版權(quán)與核心技術(shù)保護(hù)機(jī)制的影響，難以融入中國(guó)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(guó)在天然氣干線管網(wǎng)和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理等方面面臨的迫切需求。雖然中國(guó)相關(guān)科研院所在此方面進(jìn)行了長(zhǎng)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(jì)算速度與精度、穩(wěn)定性方面與國(guó)外產(chǎn)品還存在差距。西南石油大學(xué)從 世紀(jì) 年代開(kāi)始在中國(guó)較早開(kāi)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(lái)，抓住國(guó)家和行業(yè)重視并推動(dòng)國(guó)產(chǎn)仿真軟件發(fā)展的契機(jī)，融合大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，實(shí)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(xì)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(kāi)發(fā)及相關(guān)應(yīng)用實(shí)例，以期為國(guó)產(chǎn)化仿真軟件的開(kāi)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(duì)于非管道元件，從組成管網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)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(guò)濾器、放空火炬、儲(chǔ)罐、緩沖罐、安全閥、泄漏點(diǎn)、儲(chǔ)氣庫(kù)、配氣站、集氣站、分輸站、壓縮機(jī)站的數(shù)學(xué)模型�？紤]壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè) 21 。如果是隨時(shí)間變化的，還應(yīng)給定這些參數(shù)隨時(shí)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(kāi)為線性方程，然后采用 Newton Raphson迭代法、Gauss eidel 迭代法等方法進(jìn)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(shí)際是用線性化方程的解來(lái)近似非線性方程的解，所以求解的準(zhǔn)確性很大程度上取決于管道網(wǎng)格劃分的長(zhǎng)度，網(wǎng)格長(zhǎng)度越小，計(jì)算結(jié)果越接近實(shí)際情況。對(duì)于大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)而言，隨著元件、節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)度劃分過(guò)小，會(huì)使得數(shù)學(xué)模型規(guī)模激增，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)求解速度緩慢、內(nèi)存消耗急劇增加。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合管道流動(dòng)方程的特點(diǎn)，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(lái)表征管道大網(wǎng)格內(nèi)壓力、流量等參數(shù)的分布，并通過(guò)研究這種分布函數(shù)來(lái)逼近偏微分方程的解 。

　　通過(guò)該方法擴(kuò)大了管道網(wǎng)格步長(zhǎng)，減少了仿真方程的數(shù)量，進(jìn)而擴(kuò)大了仿真規(guī)模。同時(shí)，針對(duì)大型管網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型迭代求解過(guò)程中，雅克比矩陣為稀疏非對(duì)稱矩陣的特點(diǎn) ，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(chǔ)法，利用壓縮存儲(chǔ)條件下的 LU 分解法、自適應(yīng)仿真等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行快速求解，從而避免對(duì)稀疏矩陣中零元素的訪問(wèn)和求解。

　　測(cè)試表明，采用上述方法后，可節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存 95%以上，能夠大大提升仿真軟件對(duì)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(duì)于管網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(jì)算核心。 大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件開(kāi)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(yùn)行的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)了天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行管控平臺(tái)，完成了管網(wǎng)在線仿真軟件的開(kāi)發(fā)。

　　3大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在線仿真軟件開(kāi)發(fā)

　　基于 B/S架構(gòu)，采用 Java EE 企業(yè)級(jí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，由圖形化組態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊、在線數(shù)字濾波、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、在線仿真、參數(shù)評(píng)價(jià)與修正、大數(shù)據(jù)可視化模塊構(gòu)成;可實(shí)現(xiàn)大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的在線仿真、運(yùn)行參數(shù)預(yù)測(cè)與回溯、運(yùn)行參數(shù)預(yù)警、系統(tǒng)能耗分析、清管作業(yè)分析、虛擬計(jì)量等功能 。

　　( 1)圖形化組態(tài)模塊。廣泛借鑒國(guó)外管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件、繪圖辦公軟件的風(fēng)格，開(kāi)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(fēng)格，界面友好易用。

　　( 2)實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)傳輸、仿真結(jié)果向數(shù)字孿生體的實(shí)時(shí)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(jì)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(jì)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(jìn)行數(shù)字濾波處理，去除異常信號(hào);采用預(yù)測(cè)參數(shù)、移動(dòng)插值平均等方法進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)齊，保證仿真過(guò)程的穩(wěn)健性。

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

　　(5 )在線仿真模塊�；�于上述理論模型和求解算法，開(kāi)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(jì)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(cè)、清管器跟蹤等核心功能 29 。

　　( 6)參數(shù)評(píng)價(jià)與修正模塊。為提高仿真軟件的計(jì)算精度，根據(jù)仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)之間的偏差，采用遺傳算法與深度學(xué)習(xí)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(jī)特性參數(shù)等可調(diào)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的自主學(xué)習(xí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、在線仿真數(shù)據(jù)、壓縮機(jī)組能耗數(shù)據(jù)、管輸計(jì)劃及實(shí)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(shí)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(zhǎng) 100 km，包括 個(gè)主要?dú)庠矗?個(gè)沿途分輸點(diǎn)， 06 座閥室， 座壓縮機(jī)站，292 條管道。西二線和西三線并行布置，站內(nèi)壓縮機(jī)通過(guò)管道、閥門連接，形成一個(gè)更為復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)。

　　模型中，天然氣物性計(jì)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(zhǎng)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(diǎn)壓力為 MP ;壓縮機(jī)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(jī)的串并聯(lián)配置按照實(shí)際壓縮機(jī)組配置方式。

　　4.1.1 動(dòng)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(shí)間不斷變化，設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為 180 ，管道網(wǎng)格步長(zhǎng) 0.1 10 km，進(jìn)行 連續(xù)動(dòng)態(tài)仿真，動(dòng)態(tài)仿真完成時(shí)間為 05 ;進(jìn)一步改變最小時(shí)間步長(zhǎng)為min，最大時(shí)間步長(zhǎng) 20 min，進(jìn)行 的連續(xù)動(dòng)態(tài)仿真，動(dòng)態(tài)仿真完成時(shí)間為 60 。

　　通過(guò)與商業(yè)軟件的對(duì)比可見(jiàn)，計(jì)算速度均優(yōu)于 Pipeline Studio 4.0、SPS 9.7 等國(guó)外商業(yè)軟件(如 SPS 軟件 5 動(dòng)態(tài)仿真用時(shí) 2 )，并與 SIMONE 軟件( 5 動(dòng)態(tài)仿真用時(shí) 20 )處于同一數(shù)量級(jí)，總體達(dá)到了國(guó)外商業(yè)軟件的先進(jìn)水平。采用上述軟件模擬得到南京分輸站及相鄰揚(yáng)子石化分輸站 內(nèi)壓力、流量隨時(shí)間的變化情況�？梢�(jiàn)，南京分輸站壓力、輸量呈相反的變化趨勢(shì)，而揚(yáng)子石化分輸站與南京分輸站連接在一個(gè)閥室上，兩者壓力變化趨勢(shì)相同，符合實(shí)際運(yùn)行規(guī)律。

　　5 結(jié)論

　　開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)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(yùn)行調(diào)度信息安全、推進(jìn)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)智能化運(yùn)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(kāi)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(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的在線仿真、運(yùn)行參數(shù)預(yù)測(cè)與回溯、運(yùn)行參數(shù)預(yù)警、系統(tǒng)能耗分析、清管作業(yè)分析、虛擬計(jì)量等功能。

　　通過(guò)西部管道天然氣管網(wǎng)及國(guó)家干線天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)例應(yīng)用，證明該軟件的計(jì)算精度符合要求，在計(jì)算速度及適用的管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模方面也達(dá)到了國(guó)外同類軟件的先進(jìn)水平，為中國(guó)國(guó)產(chǎn)化高水平管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。未來(lái)可繼續(xù)開(kāi)展管道、站場(chǎng)在全生命周期內(nèi)各種運(yùn)行場(chǎng)景的在線仿真、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、預(yù)演、預(yù)警與決策，指導(dǎo)天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行業(yè)務(wù)優(yōu)化和應(yīng)急管控。

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　　作者：李長(zhǎng)俊 張員瑞 賈文龍 仇柏林 何杰 王碩

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