耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法及装置

1.本文涉及油气田开发工程领域，尤其涉及一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法及装置。


背景技术：

2.气田集输系统是气田开发的重要设施，其管网结构具有规模大、耗能节点多、系统网络错综复杂等特点，其生产运行参数具有数量多、变化快、规律复杂、可控性差等特点。同时，随着气田生产时间推移，气田开发形势发生变化，多种开发方式并存。多数气田进入开发中后期以后，增压工程不断增多，气田能耗逐年上升，而压缩机是主要的耗能压缩机。因此，为实现气田集输系统能耗的优化和降低，必须联合集输管网和压缩机进行稳态仿真分析。
3.气田增压工程中首选往复式压缩机，因为它有排气压力高、排气稳定、可实现小气量高压力工况等特点，适合气田生产实际，但已有的仿真模型多针对离心式压缩机，缺少适用于气田集输管网增压工程的模型与计算方法。此外，现有的稳态仿真技术在管网水力计算上存在计算稳定性弱、对迭代初值敏感等缺点，在设备控制方程的处理上较为简化，计算时仅限于固定设备进出口压力或压比的情况，不适应压缩机转速、排气量以及其他多种工况的调节，并缺少往复式压缩机与集输管网耦合计算的研究，不能适应气田集输管网多种工况调节优化的需要。
4.现在亟需一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法，从而解决现有技术中缺少往复式压缩机与集输管网耦合计算的研究，不能适应气田集输管网多种工况调节优化的需要的问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的问题，本文实施例提供了一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法及装置，适用于管网与往复式压缩机特性方程耦合求解的节点通用编号方法，大大降低了难度管网模拟前处理的难度，提高了效率，改进了管网模拟的线性逼近法，拓展了往复式压缩机的约束条件，实现了变转速、变排气量等多种方式的工况调节，可为实现气田集输系统能耗优化提供有力的分析手段。
6.为了解决上述技术问题，本文的具体技术方案如下：
7.一方面，本文实施例提供了一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法，包括，
8.根据气田集输管网的结构，在所述气田集输管网中添加辅助节点和辅助管道；
9.根据所述气田集输管网中的所有节点生成管段节点关联矩阵，所述管段节点关联矩阵包括管道和节点之间相互连接的信息；
10.根据包括所述管段节点关联矩阵的管网基础参数以及设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值、天然气物性参数计算管道摩阻和导纳矩阵，并生成系数矩阵；
11.根据所述管道摩阻、导纳矩阵、设定的压缩机转速以及系数矩阵得到节点压力和管道流量；
12.根据所述管道流量对所述气田集输管网进行热力计算，得到节点温度；
13.根据bwrs状态方程以及所述节点压力和节点温度重新计算所述天然气物性参数；
14.判断所述管道流量与所述管道流量初始值的差值是否小于第一阈值和所述节点温度和节点温度初始值的差值是否小于第二阈值；
15.若否，则将所述管道流量作为所述管道流量初始值，将所述节点温度作为所述节点温度初始值，并执行根据所述管网基础参数、所述管道流量初始值、所述节点温度初始值以及重新计算的所述天然气物性参数计算所述管道摩阻和导纳矩阵，并生成所述系数矩阵的步骤；
16.若是，根据预定的管道流量标准值和节点温度标准值，判断所述管道流量和节点温度是否达到要求，若否，则改变所述设定的压缩机转速，重置所述设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值以及天然气物性参数，回到根据所述管网基础参数、所述设定的管道流量初始值、所述设定的节点温度初始值以及所述天然气物性参数计算所述管道摩阻和导纳矩阵，并生成所述系数矩阵的步骤，直至所述管道流量和节点温度达到要求，以根据对应的所述设定的转速对所述气田基础管网工况进行调节。
17.进一步地，在所述气田集输管网中添加辅助节点和辅助管道的步骤包括，
18.在所述气田集输管网的两个设备之间添加所述辅助节点，在所述设备原有的节点和与该设备对应的辅助节点之间添加所述辅助管道。
19.进一步地，所述管网基础参数还包括管径d、管长l、管道摩阻系数λ；所述天然气物性参数包括天然气压缩因子z、天然气相对密度δ、天然气平均温度t，其中，所述天然气平均温度t是根据所述设定的节点温度初始值以及所述管段节点关联矩阵计算得到的；
20.根据包括所述管段节点关联矩阵的管网基础参数以及设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值、天然气物性参数计算管道摩阻和导纳矩阵，并生成系数矩阵的步骤包括，
21.按照公式计算所述管道摩阻，其中，s为所述管道摩阻，c为常数；
22.按照公式计算所述导纳矩阵，其中，g为所述导纳矩阵，q为所述设定的管道流量初始值，α为流动指数；
23.按照公式y＝a
×g×at
计算所述系数矩阵，其中，y为所述系数矩阵，a为所述管段节点关联矩阵，t为矩阵转置。
24.进一步地，所述天然气物性参数还包括压缩机进口天然气的压缩因子、天然气密度、流入节点气体比热容、压缩机出口气体比热容。
25.进一步地，根据所述管道摩阻、导纳矩阵、设定的压缩机转速以及系数矩阵得到节点压力和管道流量的步骤包括，
26.根据所述气田集输管网中的所有节点生成压缩机节点与管道的关联矩阵k；
27.根据公式：
[0028][0029]
计算所述节点压力和管道流量，其中，y
11
、y
12
、y
21
、y
22
表示所述系数矩阵中的元素，c1、c2、c3、d表示压缩机控制方程的系数，k1、k2表示所述压缩机节点与管道的关联矩阵中的元素，p1为未知节点压力，p2为已知节点压力，其中，所述已知节点压力p2是根据所述气田集输管网的结构得到的，将所述未知节点压力p1和已知节点压力p2作为所述节点压力，f为压缩机的流量，q1为每个节点的已知流量输入，q2为每个节点的未知流量输出，将每个节点已知流量输入q1和每个节点的未知流量输出q2作为所述管道流量，其中，作为所述管道流量，其中，其中，t1表示压缩机的进口温度，t0为标况下的压力和温度，p0为标况下的压力，p1为压缩机的进口压力，z1表示所述压缩机进口天然气的压缩因子，λ
p
表示压力系数、λ
t
表示温度系数、λ
l
表示泄漏系数，α为相对余隙容积，p2为压缩机出口压力，m为多变系数，vh为压缩机每转的理论吸气量，n为所述设定的压缩机转速。
[0030]
进一步地，根据所述管道流量对所述气田集输管网进行热力计算，得到节点温度进一步包括，
[0031]
根据所述管段节点关联矩阵和所述管道流量构建管道末端与节点的关联矩阵；
[0032]
根据所述管道末端与节点的关联矩阵以及所述管道流量，利用公式：
[0033][0034]
计算所述节点温度，其中，ti为节点温度，b
in,ij
为所述管道末端与节点的关联矩阵中一个管道末端节点的元素，m
in,j
为管道末端流入节点质量流量，c
in,j
为流入节点气体比热容，t
in,j
为管道末端流入节点温度，m
f,k
为通过管道和第k个压缩机的质量流量，c
f,k
为第k个压缩机出口气体比热容，t
f,k
为第k个压缩机的出口温度，m
out,i
为流出节点流量，其中，管道末端流入节点质量流量m
in,j
是根据所述管道流量以及管道中所述天然气密度计算得到的，流出节点流量m
out,i
是根据所述管道末端流入节点质量流量与管道数量计算得到的，t
in,j
为管道末端流入节点温度中包括设定的已知节点温度和未知节点温度，其中，未知节点温度为所述设定的节点温度初始值。
[0035]
进一步地，根据所述管段节点关联矩阵和所述管道流量构建管道末端与节点的关联矩阵的步骤包括，
[0036]
判断所述气田集输管网的中管道的管道流量小于0；
[0037]
若是，则将该管道在所述管段节点关联矩阵中的元素作为所述管道末端与节点的关联矩阵中该管道的元素；
[0038]
若否，则将该管道在所述管段节点关联矩阵中的元素的互为相反数作为所述管道末端与节点的关联矩阵中该管道的元素；
[0039]
根据所述气田集输管网的结构，将所述管道与节点的关联矩阵中入口管道对应的
元素的值置为1。
[0040]
另一方面，本文实施例还提供了一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节装置，包括，
[0041]
辅助节点添加单元，用于根据气田集输管网的结构，在所述气田集输管网中添加辅助节点和辅助管道；
[0042]
管段节点关联矩阵生成单元，用于根据所述气田集输管网中的所有节点生成管段节点关联矩阵，所述管段节点关联矩阵包括管道和节点之间相互连接的信息；
[0043]
迭代参数计算单元，用于根据包括所述管段节点关联矩阵的管网基础参数以及设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值、天然气物性参数计算管道摩阻和导纳矩阵，并生成系数矩阵；
[0044]
管道流量计算单元，用于根据所述管道摩阻、导纳矩阵、设定的压缩机转速以及系数矩阵得到节点压力和管道流量；
[0045]
节点温度计算单元，用于根据所述管道流量对所述气田集输管网进行热力计算，得到节点温度；
[0046]
天然气物性参数计算单元，用于根据bwrs状态方程以及所述节点压力和节点温度重新计算所述天然气物性参数；
[0047]
结果检验单元，用于判断所述管道流量与所述管道流量初始值的差值是否小于第一阈值和所述节点温度和节点温度初始值的差值是否小于第二阈值；若否，则将所述管道流量作为所述管道流量初始值，将所述节点温度作为所述节点温度初始值，并执行根据所述管网基础参数、所述管道流量初始值、所述节点温度初始值以及重新计算的所述天然气物性参数计算所述管道摩阻和导纳矩阵，并生成所述系数矩阵的步骤；若是，根据预定的管道流量标准值和节点温度标准值，判断所述管道流量和节点温度是否达到要求，若否，则改变所述设定的压缩机转速，重置所述设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值以及天然气物性参数，回到根据所述管网基础参数、所述设定的管道流量初始值、所述设定的节点温度初始值以及所述天然气物性参数计算所述管道摩阻和导纳矩阵，并生成所述系数矩阵的步骤，直至所述管道流量和节点温度达到要求，以根据对应的所述设定的转速对所述气田基础管网工况进行调节。
[0048]
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
[0049]
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。
[0050]
利用本文实施例，首先基于复杂的气田集输管网的网络拓扑结构的特点，在气田集输管网中添加辅助节点和辅助管道，从而解决现有技术中参考节点和非参考节点重合而无求解的缺陷，避免了两个或两个以上的压缩机共用一个节点，然后根据气田集输管网中所有节点生成管段节点关联矩阵，该管段节点关联矩阵中包括管道和节点之间相互连接的信息，以便于根据管段节点关联矩阵对气田集输管网进行水力和热力计算。然后根据包括所述管段节点关联矩阵的管网基础参数以及设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值、天然气物性参数计算管道摩阻和导纳矩阵，并生成系数矩阵，然后在计算节点压力和管
道流量时引入压缩机转速，根据所述管道摩阻、导纳矩阵、设定的压缩机转速以及系数矩阵得到节点压力和管道流量，实现了气田集输管网中包括往复式压缩机与集输管网的耦合计算，相比于现有技术在计算时仅限于固定设备进出口压力或压比的方法，为实现对压缩机转速的工况进行调节奠定计算基础。然后根据所述管道流量对所述气田集输管网进行热力计算，得到节点温度，实现了气田集输管网的水力和热力的耦合计算，并且根据bwrs状态方程以及所述节点压力和节点温度重新计算所述天然气物性参数，从而在所述管道流量与所述管道流量初始值的差值是否小于第一阈值和所述节点温度和节点温度初始值的差值是否小于第二阈值时，按照设定的压缩机转速进行水力和热力的耦合迭代，最终得到在该设定的压缩机转速下的管道流量和节点温度，然后判断计算的管道流量和节点温度是否符合要求，若不符合要求，则说明当前压缩机转速不能达到最优，因此调节设定的压缩机转速并重置所述设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值以及天然气物性参数，从进行气田集输管网的水力和热力的耦合计算，直到计算的管道流量和节点温度能够符合要求，从而根据计算的管道流量和节点温度符合要求时对应的压缩机转速对气田集输管网的工况进行调节，可以满足气田生产工况多变而带来的运行参数快速模拟优化需求，从而指导实际地层的气藏开采。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本文实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0052]
图1为本文实施例中一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法的实施系统示意图；
[0053]
图2所示为本文实施例一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法的流程示意图；
[0054]
图3所示为本文实施例气田集输管网的结构示意图；
[0055]
图4所示为本文实施气田集输管网进行通用节点排序编号后的结构示意图；
[0056]
图5所示为本文实施例一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节装置的结构示意图；
[0057]
图6所示为本文实施例计算机设备的结构示意图。
[0058]
【附图标记说明】：
[0059]
101、终端；
[0060]
102、服务器；
[0061]
501、辅助节点添加单元；
[0062]
502、管段节点关联矩阵生成单元；
[0063]
503、迭代参数计算单元；
[0064]
504、管道流量计算单元；
[0065]
505、节点温度计算单元；
[0066]
506、天然气物性参数计算单元；
[0067]
507、结果检验单元；
[0068]
602、计算机设备；
[0069]
604、处理器；
[0070]
606、存储器；
[0071]
608、驱动机构；
[0072]
610、输入/输出模块；
[0073]
612、输入设备；
[0074]
614、输出设备；
[0075]
616、呈现设备；
[0076]
618、图形用户接口；
[0077]
620、网络接口；
[0078]
622、通信链路；
[0079]
624、通信总线。
具体实施方式
[0080]
下面将结合本文实施例中的附图，对本文实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文保护的范围。
[0081]
需要说明的是，本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0082]
如图1所示为本发明实施例一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法的实施系统示意图，可以包括终端101和服务器102，所述终端101与所述服务器102之间建立通信连接，能够实现数据的交互。所述终端101可以向所述服务器102输入气田集输管网的结构、管网基础参数、设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值以及设定的压缩机转速等参数，还输入判断所需的阈值，所述服务器102根据管网基础参数、设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值以及设定的压缩机转速等对气田集输管网的管道流量和节点温度进行迭代计算，根据相应的阈值判断计算的管道流量和节点温度是否符合要求，从而确定设定的压缩机转速是否符合要求，并且可以在设定的压缩机转速不符合要求时，调整压缩机转速并重新按照管网基础参数、设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值进行迭代计算，直到迭代计算得到的管道流量和节点温度符合相应的阈值时，将对应的压缩机转速作为最优值，从而将最优的压缩机转速提供给终端，以使工作人员根据最优的压缩机转速对该气田集输管网进行工况调节。
[0083]
在本说明书实施例中，所述服务器102可以是独立的物理服务器，也可以是多个物
理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、内容分发网络(cdn,content delivery network)、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。
[0084]
在一个可选的实施例中，终端101可以包括但不限于台式计算机、平板电脑、笔记本电脑等类型的电子设备。可选的，电子设备上运行的操作系统可以包括但不限于安卓系统、ios系统、linux、windows等。
[0085]
此外，需要说明的是，图1所示的仅仅是本公开提供的一种应用环境，在实际应用中，还可以包括其他应用环境，本说明书不做限制。
[0086]
为了解决现有技术中存在的问题，本文实施例提供了一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法，适用于管网与往复式压缩机特性方程耦合求解的节点通用编号方法，大大降低了难度管网模拟前处理的难度，提高了效率，改进了管网模拟的线性逼近法，拓展了往复式压缩机的约束条件，实现了变转速、变排气量等多种方式的工况调节，可为实现气田集输系统能耗优化提供有力的分析手段。图2所示为本文实施例一种耦合往复压缩机特性的气田集输管网工况调节方法的流程示意图。在本图中描述了对气田集输管网进行工况调节的过程，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或装置产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体的如图2所示，可以由服务器上的处理单元执行，所述方法可以包括：
[0087]
步骤201：根据气田集输管网的结构，在所述气田集输管网中添加辅助节点和辅助管道；
[0088]
在本步骤中，气田集输管网的结构中包括多个元件，其中元件可以为压缩机、阀门或管道，现有技术中为了便于对气田集输管网中管道的管道流量进行迭代计算，将元件和元件之间设置一个节点，即每个节点连接两个元件，每个节点可以看做为一个边界条件，即不同元件属于不同的计算单元，两个元件之间存在一个计算边界。
[0089]
示例性地，管道、压缩机、阀门组成的气田集输管网的结构可以如图3所示，气田集输管网中的天然气按照箭头所指的方向进行流动，节点5为压缩机的出口和阀门的进口，属于两个不同边界条件，若将节点5当成一个节点进行计算，可能会影响计算的准确性。因此，本文实施例中在气田集输管网中添加辅助节点和辅助管道，从而让每个节点表示一个边界条件，具体地，在原有的元件的节点之间添加辅助节点和管道。示例性地，继续如图3所示，在压缩机进口处添加辅助节点3，在压缩机出口处添加辅助节点4，在阀门进口处添加辅助节点6，在阀门出口处添加辅助节点7，并在原有的节点2和添加的辅助节点3之间添加辅助管道
②
，在辅助节点4和原有的节点5之间添加辅助管道
③
，在原有的节点5和添加的辅助节点6之间添加辅助管道
④
，在辅助节点7和原有的节点8之间添加辅助管道
⑤
。从而使得每个节点属于一个边界条件，便于计算。
[0090]
为了区分节点所表示的含义，对图3中的节点进行命名作为节点排序的判断依据，具体地，可以根据节点的边界条件的类型给管网所有节点进行命名，比如哪些是非参考节点，哪些是参考节点。示例性地，可以如表1所示：
[0091]
表1节点编号名称
[0092]
节点编号节点名称参考节点非参考节点
1定载荷流量节点否是2压缩机进口节点否是3压缩机输入辅助节点是否4压缩机输出辅助节点否是5压缩机出口、阀门进口节点否是6阀门输入辅助节点是否7阀门输出辅助节点否是8阀门出口节点否是9定压力节点是否
[0093]
然后还可以按照一定的规则对节点进行排序，并进行通用节点编号，便于计算。具体地，可以基于非参考节点排在参考节点之前的原则，对管网所有节点进行排序，其中非参考节点表示流量已知的节点，参考节点表示流量未知的节点。便于系数矩阵的分块求解。示例性地，对图3所示的节点进行通用节点排序编号后，得到的节点图如图4所示，进行通用节点排序编号后的节点名称及编号的对照表可以如表2所示。
[0094]
表2通用节点编号顺序
[0095][0096]
步骤202：根据所述气田集输管网中的所有节点生成管段节点关联矩阵；
[0097]
在本步骤中，所述管段节点关联矩阵包括管道和节点之间相互连接的信息。
[0098]
管网图的计算机表示是管网模拟前自动识别管网拓扑结构的一个重要准备工作，通常用矩阵的形式来表达管网中节点和枝的连接信息，若管网汇中有n条管段，m个节点，那么其对应的有向图有n条枝和m个节点，有向图中枝与节点的连接关系可以用m
×
n阶的节点关联矩阵a＝[a
ij
]n×m表示出来，它是输入管网图形信息简单且通用的方法之一。对管网有向图中的节点和管道逐一编号，编号为i的节点记在矩阵的i行，编号为j的管道其记在矩阵j列，a
ij
定义如下：
[0099][0100]
步骤203：根据包括所述管段节点关联矩阵的管网基础参数以及设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值、天然气物性参数计算管道摩阻和导纳矩阵，并生成系数矩阵；
[0101]
在本步骤中，所述管网基础参数还包括管径d、管长l、管道摩阻系数λ；所述天然气物性参数包括天然气压缩因子z、天然气相对密度δ、天然气平均温度t，其中，所述天然气平均温度t是根据所述设定的节点温度初始值以及所述管段节点关联矩阵计算得到的，设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值可以根据实际经验进行设定；
[0102]
根据包括所述管段节点关联矩阵的管网基础参数以及设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值、天然气物性参数计算管道摩阻和导纳矩阵，并生成系数矩阵的步骤包括，
[0103]
按照公式(1)计算所述管道摩阻：
[0104][0105]
其中，s为所述管道摩阻，c为常数；
[0106]
按照公式(2)计算所述导纳矩阵：
[0107][0108]
其中，g为所述导纳矩阵，q为所述设定的管道流量初始值，α为流动指数；
[0109]
按照公式(3)计算所述系数矩阵：
[0110]
y＝a
×g×at
ꢀꢀ
(3)
[0111]
其中，y为所述系数矩阵，a为所述管段节点关联矩阵，t为矩阵转置。
[0112]
其中，所述天然气物性参数还包括压缩机进口天然气的压缩因子、天然气密度、流入节点气体比热容、压缩机出口气体比热容。
[0113]
步骤204：根据所述管道摩阻、导纳矩阵、设定的压缩机转速以及系数矩阵得到节点压力和管道流量；
[0114]
管网节点压力p、系数矩阵y和节点载荷流量向量q之间存在如公式(4)所示的关系：
[0115]
yp＝-q
ꢀꢀ
(4)
[0116]
若考虑压缩机，就需要对公式(4)的节点方程模型进行改进，将通过压缩机的流量当做节点载荷处理，规定输入节点流量为正，输出节点流量为负，将公式(4)改写为：
[0117]
yp＝-q-kf
ꢀꢀ
(5)
[0118]
其中，f为通过压缩机的流量，k为压缩机节点与管道的关联矩阵。
[0119]
具体地，根据所述气田集输管网中的所有节点生成压缩机节点与管道的关联矩阵k；
[0120]
压缩机节点与管道的关联矩阵k的定义如下：节点i在设备元件进口处定义为正，节点i在设备元件出口定义为负。编号为i的节点，其信息记在矩阵的i行，编号为j的非管道元件信息记在j列，k
ij
定义如下：
[0121][0122]
k矩阵中设备元件的初始流动方向是假定的，若计算的流量值为负，则与假设方向
相反，反之与假设方向相同。k矩阵中也包含大量的零元素，当管网中设备元件越多，零元素也会越多，同样也可以用峰矩阵的方式来表示设备元件和节点编号之间的关系。
[0123]
加入压缩控制方程如公式(6)所示：
[0124]
c1p1+c2p2+c3f＝d
ꢀꢀ
(6)
[0125]
其中，p1为设备元件进口压力，p2为设备元件出口压力，c1、c2、c3为设备元件控制方程的系数，改变系数可以实现设备元件多种约束条件的计算。
[0126]
根据公式(7)：
[0127][0128]
计算所述节点压力和管道流量，其中，y
11
、y
12
、y
21
、y
22
表示所述系数矩阵中的元素，c1、c2、c3、d表示压缩机控制方程的系数，k1、k2表示所述压缩机节点与管道的关联矩阵中的元素，p1为未知节点压力，p2为已知节点压力，其中，所述已知节点压力p2是根据所述气田集输管网的结构得到的，将所述未知节点压力p1和已知节点压力p2作为所述节点压力，f为压缩机的流量，q1为每个节点的已知流量输入，q2为每个节点的未知流量输出，将每个节点已知流量输入q1和每个节点的未知流量输出q2作为所述管道流量，其中，f的定义如公式(8)所示：
[0129][0130]
其中，t1表示压缩机的进口温度，t0为标况下的压力和温度，取t0＝293.15k，p0为标况下的压力，取p0＝1.10325kpa，p1为压缩机的进口压力，z1表示所述压缩机进口天然气的压缩因子，λ
p
表示压力系数、λ
t
表示温度系数、λ
l
表示泄漏系数，α为相对余隙容积，p2为压缩机出口压力，m为多变系数，vh为压缩机每转的理论吸气量，n为所述设定的压缩机转速。
[0131]
在气田集输管网的水力热力计算过程中，水力计算和热力计算是不可分割的。由于管道结构复杂，管道联结点以及管道内部温度和压力变化较大，且相互影响，在一定的温度压力条件下，集输管网内还有可能生成水合物。因此，保证计算的准确性，必须通过水力与热力的耦合迭代求解。
[0132]
步骤205：根据所述管道流量对所述气田集输管网进行热力计算，得到节点温度；
[0133]
节点进口和出口温度不同。进口温度主要取决于管道的末端温度，由苏霍夫温降公式计算求得。出口温度则是几股管道末端温度混合之后的温度，也是节点温度。因此，若想求解某一节点的温度，首先要求出它的所流入节点的温度，即管网节点温度的求解是有顺序的。对于支状管网来说管道的流向是确定的，所以假设的初始流向与实际流向是一致的，可以直接进行温度计算。但对于环状管网，处于环路中的管道实际流向在迭代的过程中是变化的，因此在计算温度前，需要将管道初始假设的流向和迭代计算过程中的管道实际流向保持一致。首先根据所述管段节点关联矩阵和所述管道流量构建管道末端与节点的关联矩阵；
[0134]
具体地，根据所述管段节点关联矩阵和所述管道流量构建管道末端与节点的关联矩阵的步骤包括，
[0135]
判断所述气田集输管网的中管道的管道流量小于0；
[0136]
若是，则将该管道在所述管段节点关联矩阵中的元素作为所述管道末端与节点的关联矩阵中该管道的元素；
[0137]
若否，则将该管道在所述管段节点关联矩阵中的元素的互为相反数作为所述管道末端与节点的关联矩阵中该管道的元素；
[0138]
根据所述气田集输管网的结构，将所述管道与节点的关联矩阵中入口管道对应的元素的值置为1。
[0139]
根据所述管道末端与节点的关联矩阵以及所述管道流量，利用公式(9)：
[0140][0141]
计算所述节点温度，其中，ti为节点温度，b
in,ij
为所述管道末端与节点的关联矩阵中一个管道末端节点的元素，m
in,j
为管道末端流入节点质量流量，c
in,j
为流入节点气体比热容，t
in,j
为管道末端流入节点温度，m
f,k
为通过管道和第k个压缩机的质量流量，c
f,k
为第k个压缩机出口气体比热容，t
f,k
为第k个压缩机的出口温度，m
out,i
为流出节点流量，其中，管道末端流入节点质量流量m
in,j
是根据所述管道流量以及管道中所述天然气密度计算得到的，流出节点流量m
out,i
是根据所述管道末端流入节点质量流量与管道数量计算得到的，t
in,j
为管道末端流入节点温度中包括设定的已知节点温度和未知节点温度，其中，未知节点温度为所述设定的节点温度初始值。
[0142]
步骤206：根据bwrs状态方程以及所述节点压力和节点温度重新计算所述天然气物性参数；
[0143]
需要说明的是，本步骤中所述的bwrs状态方程的计算方法为本领域的公知常识手段，本说明书实施例中不再赘述。
[0144]
步骤207：判断所述管道流量与所述管道流量初始值的差值是否小于第一阈值和所述节点温度和节点温度初始值的差值是否小于第二阈值；
[0145]
在本文实施例中，若管道流量与所述管道流量初始值的差值是否小于第一阈值且节点温度和节点温度初始值的差值是否小于第二阈值，则说明迭代计算已经收敛，即可得到当前设定的压缩机转速下的管道流量和节点温度，否则说明迭代计算尚未收敛。
[0146]
在本步骤中，若否，则执行步骤208，否则执行步骤209。
[0147]
步骤208：将所述管道流量作为所述管道流量初始值，将所述节点温度作为所述节点温度初始值，重新执行步骤203，对管道流量和节点温度进行迭代计算；
[0148]
需要说明的是，本步骤中除了将计算的管道流量作为步骤203中的管道流量初始值、将计算的节点温度作为步骤203中的节点温度初始值之外，还需要将步骤206重新计算的天然气物性参数替换到步骤203中的天然气物性参数，即在迭代过程中，步骤203中只有管网基础参数不变，管道流量初始值、节点温度初始值和天然气物性参数都是随着迭代改变的。然后再根据迭代计算的管道摩阻、导纳矩阵、设定的压缩机转速以及系数矩阵得到节点压力和管道流量，根据所述管道流量对所述气田集输管网进行热力计算，得到节点温度，根据bwrs状态方程以及所述节点压力和节点温度重新计算所述天然气物性参数。再执行步骤207判断所述管道流量与所述管道流量初始值的差值是否小于第一阈值和所述节点温度
和节点温度初始值的差值是否小于第二阈值。
[0149]
步骤209：根据预定的管道流量标准值和节点温度标准值，判断所述管道流量和节点温度是否达到要求；
[0150]
在本步骤中，迭代计算得到的管道流量和节点温度是基于当前设定的压缩机转速的，若管道流量和节点温度达到要求，则说明当前的设定的压缩机转速能够使得管网的管道流量和节点温度达到要求，可以利用当前的设定的压缩机转速指导实际地层气藏开采，否则，说明当前设定的压缩机转速不能使得管网中的管道流量和节点温度达到要求，需要调整压缩机转速重新进行迭代计算。
[0151]
在本步骤中，未达到要求，则执行步骤210，反之则执行步骤211。
[0152]
步骤210：改变所述设定的压缩机转速，重置所述设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值以及天然气物性参数，重新执行步骤203。
[0153]
在本步骤中，当迭代收敛(即迭代得到的管道流量与上一步迭代得到的管道流量的差值是否小于第一阈值并且迭代得到的节点温度和上一步迭代得到的节点温度的差值是否小于第二阈值)时，若管道流量和节点温度不符合要求，则需要改变压缩机转速重新进行迭代计算，当重新迭代计算时，首次迭代参与计算的管道流量初始值和节点温度初始值并非迭代收敛时得到的管道流浪和节点温度，而是上一个设定的压缩机转速进行迭代计算时的设定的管道流量和节点温度。可以理解为，对每个压缩机转速进行模拟时，管网基础参数、设定的管道流量、设定的节点温度以及在该设定的管道流量和节点温度下的天然气物性参数均是相同的，仅有压缩机转速不同，从而实现了对压缩机转速的模拟计算。
[0154]
步骤211：将所述设定的压缩机转速输出，以便于工作人员根据所述设定的转速对所述气田基础管网工况进行调节。
[0155]
通过本文实施例所述的方法，首先基于复杂的气田集输管网的网络拓扑结构的特点，在气田集输管网中添加辅助节点和辅助管道，从而解决现有技术中参考节点和非参考节点重合而无求解的缺陷，避免了两个或两个以上的压缩机共用一个节点，然后根据气田集输管网中所有节点生成管段节点关联矩阵，该管段节点关联矩阵中包括管道和节点之间相互连接的信息，以便于根据管段节点关联矩阵对气田集输管网进行水力和热力计算。然后根据包括所述管段节点关联矩阵的管网基础参数以及设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值、天然气物性参数计算管道摩阻和导纳矩阵，并生成系数矩阵，然后在计算节点压力和管道流量时引入压缩机转速，根据所述管道摩阻、导纳矩阵、设定的压缩机转速以及系数矩阵得到节点压力和管道流量，实现了气田集输管网中包括往复式压缩机与集输管网的耦合计算，相比于现有技术在计算时仅限于固定设备进出口压力或压比的方法，为实现对压缩机转速的工况进行调节奠定计算基础。然后根据所述管道流量对所述气田集输管网进行热力计算，得到节点温度，实现了气田集输管网的水力和热力的耦合计算，并且根据bwrs状态方程以及所述节点压力和节点温度重新计算所述天然气物性参数，从而在所述管道流量与所述管道流量初始值的差值是否小于第一阈值和所述节点温度和节点温度初始值的差值是否小于第二阈值时，按照设定的压缩机转速进行水力和热力的耦合迭代，最终得到在该设定的压缩机转速下的管道流量和节点温度，然后判断计算的管道流量和节点温度是否符合要求，若不符合要求，则说明当前压缩机转速不能达到最优，因此调节设定的压缩机转速并重置所述设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值以及天然气物性参
数，从进行气田集输管网的水力和热力的耦合计算，直到计算的管道流量和节点温度能够符合要求，从而根据计算的管道流量和节点温度符合要求时对应的压缩机转速对气田集输管网的工况进行调节，可以满足气田生产工况多变而带来的运行参数快速模拟优化需求，从而指导实际地层的气藏开采。
[0156]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种复式压缩机特性的气田集输管网工况调节装置，如图5所示，包括，
[0157]
辅助节点添加单元501，用于根据气田集输管网的结构，在所述气田集输管网中添加辅助节点和辅助管道；
[0158]
管段节点关联矩阵生成单元502，用于根据所述气田集输管网中的所有节点生成管段节点关联矩阵，所述管段节点关联矩阵包括管道和节点之间相互连接的信息；
[0159]
迭代参数计算单元503，用于根据包括所述管段节点关联矩阵的管网基础参数以及设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值、天然气物性参数计算管道摩阻和导纳矩阵，并生成系数矩阵；
[0160]
管道流量计算单元504，用于根据所述管道摩阻、导纳矩阵、设定的压缩机转速以及系数矩阵得到节点压力和管道流量；
[0161]
节点温度计算单元505，用于根据所述管道流量对所述气田集输管网进行热力计算，得到节点温度；
[0162]
天然气物性参数计算单元506，用于根据bwrs状态方程以及所述节点压力和节点温度重新计算所述天然气物性参数；
[0163]
结果检验单元507，用于判断所述管道流量与所述管道流量初始值的差值是否小于第一阈值和所述节点温度和节点温度初始值的差值是否小于第二阈值；若否，则将所述管道流量作为所述管道流量初始值，将所述节点温度作为所述节点温度初始值，并执行根据所述管网基础参数、所述管道流量初始值、所述节点温度初始值以及重新计算的所述天然气物性参数计算所述管道摩阻和导纳矩阵，并生成所述系数矩阵的步骤；若是，根据预定的管道流量标准值和节点温度标准值，判断所述管道流量和节点温度是否达到要求，若否，则改变所述设定的压缩机转速，重置所述设定的管道流量初始值、设定的节点温度初始值以及天然气物性参数，回到根据所述管网基础参数、所述设定的管道流量初始值、所述设定的节点温度初始值以及所述天然气物性参数计算所述管道摩阻和导纳矩阵，并生成所述系数矩阵的步骤，直至所述管道流量和节点温度达到要求，以根据对应的所述设定的转速对所述气田基础管网工况进行调节。
[0164]
由于上述装置解决问题的原理与上述方法相似，因此上述装置的实施可以参见上述方法的实施，重复之处不再赘述。
[0165]
如图6所示，为本文实施例提供的一种计算机设备，本文中的装置可以为本实施例中的计算机设备，执行上述本文的方法，所述计算机设备602可以包括一个或多个处理器604，诸如一个或多个中央处理单元(cpu)，每个处理单元可以实现一个或多个硬件线程。计算机设备602还可以包括任何存储器606，其用于存储诸如代码、设置、数据等之类的任何种类的信息。非限制性的，比如，存储器606可以包括以下任一项或多种组合：任何类型的ram，任何类型的rom，闪存设备，硬盘，光盘等。更一般地，任何存储器都可以使用任何技术来存储信息。进一步地，任何存储器可以提供信息的易失性或非易失性保留。进一步地，任何存
储器可以表示计算机设备602的固定或可移除部件。在一种情况下，当处理器604执行被存储在任何存储器或存储器的组合中的相关联的指令时，计算机设备602可以执行相关联指令的任一操作。计算机设备602还包括用于与任何存储器交互的一个或多个驱动机构608，诸如硬盘驱动机构、光盘驱动机构等。
[0166]
计算机设备602还可以包括输入/输出模块610(i/o)，其用于接收各种输入(经由输入设备612)和用于提供各种输出(经由输出设备614)。一个具体输出机构可以包括呈现设备616和相关联的图形用户接口(gui)618。在其他实施例中，还可以不包括输入/输出模块610(i/o)、输入设备612以及输出设备614，仅作为网络中的一台计算机设备。计算机设备602还可以包括一个或多个网络接口620，其用于经由一个或多个通信链路622与其他设备交换数据。一个或多个通信总线624将上文所描述的部件耦合在一起。
[0167]
通信链路622可以以任何方式实现，例如，通过局域网、广域网(例如，因特网)、点对点连接等、或其任何组合。通信链路622可以包括由任何协议或协议组合支配的硬连线链路、无线链路、路由器、网关功能、名称服务器等的任何组合。
[0168]
对应于图2的方法，本文实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述步骤。
[0169]
本文实施例还提供一种计算机可读指令，其中当处理器执行所述指令时，其中的程序使得处理器执行如图2所示的方法。
[0170]
应理解，在本文的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本文实施例的实施过程构成任何限定。
[0171]
还应理解，在本文实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0172]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本文的范围。
[0173]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0174]
在本文所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
[0175]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本文实施例方案的目的。
[0176]
另外，在本文各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0177]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本文的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本文各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0178]
本文中应用了具体实施例对本文的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本文的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本文的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本文的限制。