本文摘要：摘要：天然氣管網系統仿真技術是進行管網系統設計方案論證、管輸計劃制定、運行方案優化、應急保障決策的核心技術。基于質量守恒、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構形式的管網系統仿真模型;形成了基于管道數學模型泛函分析、大型稀疏矩
摘要：天然氣管網系統仿真技術是進行管網系統設計方案論證、管輸計劃制定、運行方案優化、應急保障決策的核心技術。基于質量守恒、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構形式的管網系統仿真模型;形成了基于管道數學模型泛函分析、大型稀疏矩陣壓縮存儲條件下的快速 LU 分解等方法的管網系統仿真模型求解算法。采用 B/S 軟件架構、大數據高速緩存技術、大數據抽取實時可視化技術，開發了包括數據通訊模塊、數據庫存儲模塊、數據濾波模塊、在線仿真模塊、結果推送模塊的大型天然氣管網系統在線仿真軟件。應用于總長 100 km、45 座壓縮機站的管網系統和總長 31 000 km、117 座壓縮機站的大型管網系統，軟件適用規模、計算精度與速度均達到了國際同類商業軟件水平。研究成果可為國產化仿真軟件的開發應用提供借鑒。
關鍵詞：天然氣管網;在線仿真;數學模型;軟件開發
天然氣管網系統是由氣源、管網、用戶及儲氣庫等“源 網 荷 儲”各要素構成的規模龐大、組成復雜的一體化水動力系統，是重要的能源輸送基礎設施。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”的供氣格局 2]。
隨著中國天然氣管網系統規模不斷增大、結構日趨復雜、智慧化要求逐步提高，如何實現管網系統的經濟高效輸送、安全穩定運行、靈活可靠調配，是管網設計運行面臨的重要問題，對管網系統仿真軟件的適用規模、計算精度與速度也提出了更高的要求。天然氣管網系統的計算機仿真技術可基于對管網流動過程的數學表征，量化管網內天然氣的流動及變化過程，從而精確預測和回溯管網系統各氣源、用戶、管道、設備的運行狀態，是實現管網系統安全、高效設計與運行管理的核心技術，也是智慧管網背景下支撐智能管輸計劃制定、方案優化、應急保障的基礎4]。
國外目前已經基本形成了較為成熟的管網系統仿真軟件產品，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 公司聯合開發的 SIMONE 軟件 ，這些軟件的廣泛應用為中國管網系統的科學規劃、建設、運行管理做出了重要貢獻。在中國管網規模逐漸大型化、管網信息安全要求逐步提高、核心自主知識產權“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、信息安全自主可控等方面的局限性也開始顯現出來。特別是國外軟件受其特殊版權與核心技術保護機制的影響，難以融入中國自主構建的智慧管網體系。
因此，掌握天然氣管網系統仿真的核心理論方法，是中國在天然氣干線管網和城市燃氣管網規劃、設計、運行、管理等方面面臨的迫切需求。雖然中國相關科研院所在此方面進行了長期的研究，但相關軟件產品缺乏良好的應用生態和成熟商業化發展模式，在軟件適用的管網規模、計算速度與精度、穩定性方面與國外產品還存在差距。西南石油大學從 世紀 年代開始在中國較早開展管網系統仿真技術的研究，形成了大型管網系統仿真的核心理論方法 。
近年來，抓住國家和行業重視并推動國產仿真軟件發展的契機，融合大數據、人工智能等新興技術，實現了管網系統仿真軟件架構從 C/S 架構向 /S 架構、仿真模式從離線仿真向在線仿真、適用規模從小型管網向大型復雜環狀管網的快速發展。詳細論述了管網系統建模及求解算法、大型天然氣管網系統在線仿真軟件開發及相關應用實例，以期為國產化仿真軟件的開發應用提供借鑒。
1大型天然氣管網系統仿真模型
對于非管道元件，從組成管網系統的實際元件出發，可建立通用閥、止回閥、調節閥、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、壓縮機站的數學模型。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、轉速控制等多種控制模式，調節閥的流量控制、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，即可實現對各種控制模式的模擬。
為了使管網系統模型封閉，還需在管網系統的氣源和用戶處設置邊界條件。其中，氣源處一般設置壓力溫度邊界條件、流量溫度邊界條件;用戶處需設置壓力邊界條件、流量邊界條件中任何一個 21 。如果是隨時間變化的，還應給定這些參數隨時間的變化關系。
2管網系統仿真模型的求解算法
天然氣管網系統仿真模型是由一系列非線性偏微分方程組和非線性代數方程組構成，傳統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，并在小型管網模型中得到了較為廣泛的應用。
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格劃分的長度，網格長度越小，計算結果越接近實際情況。對于大型天然氣管網系統而言，隨著元件、節點數量的增加，仿真模型規模急劇增大，如果管網網格長度劃分過小，會使得數學模型規模激增，導致計算機求解速度緩慢、內存消耗急劇增加。
針對上述問題，結合管道流動方程的特點，基于泛函理論，創新性研究了采用大網格描述壓力、溫度、流量等工藝參數分布的有效基函數及其疊加形式，以不同基函數及其疊加形式來表征管道大網格內壓力、流量等參數的分布，并通過研究這種分布函數來逼近偏微分方程的解 。
通過該方法擴大了管道網格步長，減少了仿真方程的數量，進而擴大了仿真規模。同時，針對大型管網系統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、自適應仿真等多項技術進行快速求解，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，可節省計算機內存 95%以上，能夠大大提升仿真軟件對于管網規模的適應性。上述數學模型與求解方法對于管網系統拓撲結構、方程的分布形式沒有特別要求，因此，可適用于任意結構形式的管網系統，構成了大型天然氣管網系統在線仿真軟件的計算核心。 大型天然氣管網系統在線仿真軟件開發以上述數學模型和求解算法為基礎，結合天然氣管網系統智能化運行的業務需求，設計了天然氣管網系統運行管控平臺，完成了管網在線仿真軟件的開發。
3大型天然氣管網系統在線仿真軟件開發
基于 B/S架構，采用 Java EE 企業級開發平臺開發，由圖形化組態、實時數據通訊、在線數字濾波、大數據存儲、在線仿真、參數評價與修正、大數據可視化模塊構成;可實現大型天然氣管網系統的在線仿真、運行參數預測與回溯、運行參數預警、系統能耗分析、清管作業分析、虛擬計量等功能 。
( 1)圖形化組態模塊。廣泛借鑒國外管網系統仿真軟件、繪圖辦公軟件的風格，開發了全中文的圖形化組態界面，具備與微軟 Visio 軟件類似的繪圖風格，界面友好易用。
( 2)實時數據通訊模塊。基于 HTTPS、HTTP 通訊協議及 RESTful 數據接口，實現了在線仿真軟件與數字孿生體數據的集成、數字孿生體數據向仿真軟件的實時傳輸、仿真結果向數字孿生體的實時推送。
( 3)在線數字濾波模塊。數字孿生體采集的數據可能出現異常值或者缺失，如果將這些數據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果，甚至導致計算崩潰。為此，采用在線多尺度濾波方法(On line Multiscale Filtering，OLMS)將采集到的數據進行數字濾波處理，去除異常信號;采用預測參數、移動插值平均等方法進行參數補齊，保證仿真過程的穩健性。
(4 )大數據存儲模塊。針對數字孿生體與在線仿真軟件數據傳輸量大及時序數據結構的特點，設計了管道屬性數據庫、天然氣物性數據庫、環境參數數據庫、仿真結果數據庫等在內的核心數據庫。針對海量數據的接收與存儲難題，首先采用高速緩存技術滿足時序數據即時讀寫需求，再將數據持久化到硬盤。理論上可實現 00× 條 的數據讀寫要求，實現 000× 條數據分庫存儲，100× 條數據分表存儲。
(5 )在線仿真模塊。基于上述理論模型和求解算法，開發在線仿真軟件內核，包括基于 BWRS、PR、SRK、GERG 2008 等狀態方程的天然氣熱物性參數計算、管網水力與熱力仿真、組分與熱值跟蹤、前景及條件預測、清管器跟蹤等核心功能 29 。
( 6)參數評價與修正模塊。為提高仿真軟件的計算精度，根據仿真結果與實際運行參數之間的偏差，采用遺傳算法與深度學習神經網絡算法，修正管道的總傳熱系數、粗糙度、壓縮機特性參數等可調參數，實現模型的自主學習和修正。( 7)大數據可視化模塊。基于大數據可視化框架，實現實時采集數據、在線仿真數據、壓縮機組能耗數據、管輸計劃及實際執行數據等多源大數據匯聚展示。
4應用實例
4.1西部管道天然氣管網
西部管道天然氣管網包括西氣東輸一線、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，站內壓縮機通過管道、閥門連接，形成一個更為復雜的管網系統。
模型中，天然氣物性計算采用 PR 狀態方程，摩阻系數采用 Colebrook 公式，管道網格長度 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，站內壓縮機的串并聯配置按照實際壓縮機組配置方式。
4.1.1 動態仿真
在穩態仿真基礎上，改變南京分輸站的流量，使其隨時間不斷變化，設置固定時間步長為 180 ，管道網格步長 0.1 10 km，進行 連續動態仿真，動態仿真完成時間為 05 ;進一步改變最小時間步長為min，最大時間步長 20 min，進行 的連續動態仿真，動態仿真完成時間為 60 。
通過與商業軟件的對比可見，計算速度均優于 Pipeline Studio 4.0、SPS 9.7 等國外商業軟件(如 SPS 軟件 5 動態仿真用時 2 )，并與 SIMONE 軟件( 5 動態仿真用時 20 )處于同一數量級，總體達到了國外商業軟件的先進水平。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 內壓力、流量隨時間的變化情況。可見，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，符合實際運行規律。
5 結論
開發具有自主知識產權的大型天然氣管網系統在線仿真軟件是掌握管網系統仿真核心技術、確保管網系統運行調度信息安全、推進天然氣管網系統智能化運行的迫切需求。介紹了大型天然氣管網系統仿真模型的構建方法、基于泛函分析的管網系統仿真模型高效求解算法，并基于 B/S 架構開發了由 大模塊構成的大型天然氣管網系統在線仿真軟件，可實現管網系統的在線仿真、運行參數預測與回溯、運行參數預警、系統能耗分析、清管作業分析、虛擬計量等功能。
通過西部管道天然氣管網及國家干線天然氣管網系統的實例應用，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系統規模方面也達到了國外同類軟件的先進水平，為中國國產化高水平管網系統仿真軟件的開發奠定了基礎。未來可繼續開展管道、站場在全生命周期內各種運行場景的在線仿真、預測、優化、預演、預警與決策，指導天然氣管網的運行業務優化和應急管控。
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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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