[发明专利]一种基于路径搜索的天然气动态流动温度预测方法

说明书

本发明涉及一种基于路径搜索的天然气管网内天然气动态流动时的温度预测方法，首先将待预测的天然气管网进行网格离散，借助于实际测量等方法，确定天然气管网中各离散节点的水力参数，然后将具有偏微分形式的天然气在管道内部运行的动态能量方程进行数学离散，同时将具有非线性形式的天然气在非管道元件的温度变化方程进行线性处理，得到所需要的线性代数方程组；增加相应的天然气管网温度计算的边界条件后，采用基于路径搜索的方法进行温度预测的求解，一直计算到所需要的时刻。本发明兼具计算速度快和可预测的下一时刻的时间间距较长两个优点，可实现对天然气流动状态波动持续时间较长或波动较大的工况均高效地进行温度预测。

技术领域

本发明涉及一种基于路径搜索的天然气动态流动温度预测方法，适用于天然气管网内天然气温度预测及测量。

背景技术

天然气作为一种优质、清洁、高效的化石能源，在发展低碳经济的时代背景下备受青睐。国际能源署(IEA)明确指出21世纪是“天然气黄金时代”。近年来，我国非常重视天然气的发展，并取得了很大的成就，截止2015年底天然气占我国能源结构的的5.9％，天然气干线管道总长约为6.4万公里。同时，能源发展“十三五”规划指出，我国将继续加大天然气管道建设力度，进一步落实全国主干管网及区域管网的互联互通，“十三五”末期天然气干线管道总里程将达到10.4万公里。天然气管网里程日益增加，各管道相互联通，管网拓扑结构不断趋于复杂化，任何管道或设备运行状态变化均会波及整个管网，这对管网的设计、运行、管理等均提出了新的挑战。若是能提前预算天然气管网内流动参数，则可以根据这些流动参数的变化趋势来制定相应运行方案，有可效应对那些新的挑战。在天然气流动参数中，温度参数是一个重要的参数，主要体现在以下几个方面：(1)温度影响着天然气输送时的计量。天然气是可压缩气体，其某时刻的状态由压力、温度共同决定，尤其是气体密度受温度影响。因此，如果天然气计量时温度确定有误，必然导致所计量的天然气的量有着较大的误差。(2)温度影响着天然气管网关键设备的运行。压缩机是天然气输送的关键动力设备，用于给天然气加压，使之有足够的动力输送到下游。但是压缩机在将天然气增压时，气体温度会升高，过高的温度会严重影响压缩机的运行性能。因此，如果进入压缩机时温度确定有误，必然影响压缩机的运行性能，严重时可损坏压缩机。可见，温度参数的正确预测，可以为合理规划管网、优化调度运营、保障天然气供应等提供重要的参考依据，对天然气管网输送业务有重要的实际意义。

天然气管网中温度预测的方法是在已知天然气在管网中运行的水力参数(如管道的压力和流量等参数)后，通过数值解法求解天然气在管道内部运行的动态能量方程和非管道元件(压缩机或阀门等)的温度变化方程，以得到管道内部的温度参数。其中，确定天然气在管网中运行的水力参数的过程可以采用计算机仿真的方法或实际测量的方法。天然气在管道内部运行的动态能量方程为偏微分方程，天然气在非管道元件(压缩机或阀门等)的温度变化方程为非线性方程，无法直接给出解析解。因此，工程上常采用数值求解法来求解，现有求解方法可以分为显式方法和隐式方法两类。这两类方法的特点说明如下：

显式方法的优缺点如下：优点：求解过程中所采用数学公式的右边仅有一个离散节点或仅有元件出口的待预测的温度的值，在计算机编程求解即为一个数值的赋值过程，无需多次的迭代计算过程，计算过程简单，计算速度快；缺点：显式方法所采用时间步长的取值受限于稳定性条件，可取范围较小，即可预测的下一时刻的时间间距较短。所以，对于天然气管网内天然气流动状态波动持续时间较长的工况，若采用显式方法，则需要预测的时刻的数目巨大，导致预测效率低。因此，显式方法对天然气流动状态波动持续时间较长的工况进行温度预测时，预测效率低。例如，通常天然气管网温度预测时，两个离散节点之间的距离约为1km，而天然气绝热波速约为400m/s，则时间步长取值约为若采用显式方法去预测持续一个月的天然气温度，则至少需计算4万多个时刻。即使计算每个时刻所需的时间较少，计算4万多个时刻所需的总时间也会较长，因此温度预测的效率较低。