一种天然气管网动态组分跟踪方法

本发明属于天然气管网的瞬态仿真领域，是一种天然气管网动态运行工况下的组分跟踪方法。

背景技术：

1、天然气管网的动态组分跟踪，即实时跟踪天然气管网内任意组分从进入管网开始到用户节点处流出之间的运移过程，以及管网内任意时刻、任意位置处任意组分的摩尔分数。天然气管网的动态组分跟踪技术对于管网调控来说具有重要意义。首先，组分的变化会导致气体热值的变化，因此组分跟踪对保证下游用户的用气质量稳定来说具有重要意义；另外，在管道输送过程中，某些组分具有较高的监测需求。比如h2与h2s，前者具有较大的爆炸极限并可能导致管道发生氢脆，后者具有较腐蚀性可能导致管道泄漏失效，因此天然气管网组分跟踪技术对于保障管道安全运行来说也具有较大的实际意义。

2、天然气管网动态组分跟踪技术的技术难点在于，天然气管网结构复杂，节点繁多，一个实际管网中通常包含上百个节点，对于大型管网来说甚至包含数千个节点与上百个气源点、用户节点，以及上万公里的管网里程，结构上是涵盖枝状、环状与放射状结构的多种组合，因此确定管网中气体的流向非常困难。并且，在一张管网的数千个节点中都会发生组分的掺混，而掺混后的流体在下一个节点内又会发生新的掺混，使得管网中某一组分从气源点开始运移到用户节点的过程追踪变得愈发困难。最后，天然气中某些组分间可能存在较大的物性差异，比如天然气掺氢输送中h2组分与ch4组分，这会导致h2组分与其他组分流动过程中的扩散规律不同，而目前国内外大多数管网组分跟踪技术都采用不考虑扩散项的简化组分运移方程，这可能会导致对于h2组分的跟踪出现较大误差。

3、国家管网集团公司公开的一种cn115712973a《稳态天然气管网的组分分布确定方法、系统和电子设备》发明专利，该方法可以在稳态工况下计算任意结构管网的组分分布，但是不能实时跟踪某一组分在管网中的运移过程。中石油公司公开的一种cn113192570a《天然气气体组分确定及气源构成确定方法及装置》发明专利，也是在稳态工况下通过计算管网内各节点与管道中的组分占比，从而获取任意位置处的组分分布，同样无法实时进行组分运移过程的跟踪。中海油公开的一种cn113239645a《天然气管网中天然气组分动态跟踪和实时计算系统及方法》，其主要发明点在于scada系统数据采集端、中间生产数据库端与在线仿真软件服务器端的统合，以及对组分分布的预测，但是没有提到对于复杂管网的组分跟踪方法，同时也无法描述组分运移过程中的扩散。西南石油大学公开过一项cn116151019a《一种适用于掺氢天然气管网的组分及气源分布计算方法》发明专利，该专利可以实现对任意结构管网稳态工况下的组分分布计算，但是也不能实时跟踪管网内某一组分在管网中的运移过程。王佳豪等人在《天然气组分跟踪技术研究及应用》文章中综述了组分跟踪的技术难点、研究意义和基础的数学物理模型，但是没有提到组分跟踪的实现方法。亓佳宁等人在《气液混输管道组分跟踪及相变量预测》一文中提出了一种气液混输管道的组分跟踪模型，并采用leda flow软件进行了验证。这种模型可以在一条管道中实现对存在相变的两种流体混输时进行组分跟踪，但是不能适用于大规模复杂管网。李国豪等人在《基于组分追踪的水合物抑制剂注入量计算》一文中提出的方法同样是针对一根管道的两相流组分跟踪方法，但是同样不适用于大规模管网。童睿康在《多气源混输条件下复杂天然气管网稳态仿真研究》一文中提到的组分跟踪方法只适用于稳态工况，且没考虑到掺氢后组分扩散不一样的问题。

技术实现思路

1、本发明提出了一种天然气管网动态组分跟踪方法，基于节点处组分完全掺混假设，并在流动过程中将组分间的扩散简化为各组分对于ch4的二元扩散，采用考虑扩散项的组分运移方程求解管道内的组分运移，并提出了瞬态天然气管网的组分跟踪方法与模型，具有模型简单、思路清晰、计算量小、计算速度快的特点，克服了大型瞬态天然气管网组分难以追踪的问题，并使得该方法在应用于组分间物性参数较大的场合时具有更高的可解释性。

2、上述的一种天然气管网动态气源占比跟踪方法，包括以下步骤：

3、步骤一，求解条件设置。首先需要设置求解的时间步长(每两次计算的间隔时间)、距离步长(每两段管道划分之间的距离)、管道划分段数；

4、步骤二，管网拓扑结构获取。管网拓扑结构表示为nrup[i]与nrdown[i]数组中；

5、步骤三，边界条件获取。每个气源处各时刻下每个组分摩尔分数、每条管道的管径与壁厚均作为已知量获取；

6、步骤四，水力参数获取。在每个时刻下，获取管网中每根管道内的体积流量与流向，并计算流速。流速通过下式计算：

7、

8、式中：——t时刻下，i截面处气体流速，m/s；

9、——t时刻下，i截面处气体体积流量，m3/s；

10、d——管道内径，m；

11、步骤五，该时刻下，针对管网中所有内部节点，基于各气源完全混合原则，建立组分掺混方程，计算节点处某一组分的摩尔分数xi,n,t。节点组分掺混方程如下所示：

12、

13、式中：——t时刻下，节点i中计算组分的摩尔分数，无量纲；

14、——t时刻下，与节点i相连的管道j中计算组分的摩尔分数，无量纲；

15、——t时刻下，与节点i相连的管道j中流体的体积流量，m3/s；

16、n——管网中节点个数，个；

17、p——管网中管道个数，个。

18、步骤六，该时刻下，针对管网中所有管道的初始截面，建立组分约束方程，计算截面“0”处组分摩尔分数xi,p,0,t。初始截面组分约束方程如下所示：

19、

20、式中：——t时刻下，管道e中截面“0”处气源占比，无量纲；

21、——t时刻下，管道e的上游节点n中气源占比，无量纲；

22、步骤七，该时刻下，将管内流体简化为各组分相对于ch4的二元扩散物系，采用fsg方程计算各组分相对于ch4的二元扩散系数。fsg方程如下所示：

23、

24、式中：dij——i、j两种气体之间的二元扩散系数，m2/s；

25、pij——二元气体的总压，pa；

26、t——二元气体的温度，k；

27、mi——组分i的摩尔质量，g/mol

28、mj——组分j的摩尔质量，g/mol；

29、vi——组分i的摩尔体积，cm3/mol；

30、vj——组分j的摩尔体积，cm3/mol。

31、对于掺氢管网内的流体扩散系数计算，这里的i与j两种气体分别为氢气与天然气(或简化为h2组分与ch4组分)。vi与vj采用下式计算：

32、

33、即：

34、

35、其中，v——实际状态下某组分的摩尔体积，cm3/mol；

36、v0——标准状态下的摩尔体积，cm3/mol；

37、p0——标准状态下的压力，取101.325kpa；

38、t0——标准状态下的温度，取273.15k；

39、p——实际压力，kpa；

40、t——实际温度，k；

41、z——压缩因子，可由水力仿真得到，为无量纲数。

42、步骤八，该时刻下，针对管网中所有管道的除初始截面以外的截面，基于步骤六求得的二元扩散系数，建立简化的组分运移方程，并进行一阶迎风差分，计算截面“1”处组分i摩尔分数xi,p,1,t。若计算值小于0，则该截面处气源占比为0。简化组分运移方程的一阶差分格式如下式所示：

43、

44、式中：——t+△t时刻下，i+1截面处气体流速，m/s；

45、——t+△t时刻下，i+1截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

46、——t+△t时刻下，i截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

47、——t时刻下，i截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

48、——t时刻下，i+1截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

49、△t——时间步长，s；

50、△x——距离步长，m；

51、步骤九，该时刻下，针对管网中其它截面，建立考虑气体扩散的组分运移方程差分格式，计算截面“2”～“k”处组分i摩尔分数xi,p,2,t～xi,p,k,t。若计算值小于0，则该截面处气源占比为0。考虑扩散项的组分运移方程的一阶差分格式如下式所示：

52、

53、式中：——t+△t时刻下，i+1截面处气体流速，m/s；

54、——t+△t时刻下，i+1截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

55、——t+△t时刻下，i截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

56、——t+△t时刻下，i-1截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

57、dij——二元组分扩散系数；

58、——t时刻下，i截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

59、——t时刻下，i+1截面处计算组分的摩尔分数，无量纲；

60、△t——时间步长，s；

61、△x——距离步长，m；

62、步骤十，更新结果。重复步骤五至步骤九，重复次数为管网节点数。

63、步骤十一，该时刻下，输出节点处组分i摩尔分数xi,n,t、管道各截面中组分i摩尔分数xi,p,0,t～xi,p,k,t。

64、步骤十二，下一时间步长下，重复步骤三至十二。