基于天然气的传输安全约束研究

唐渤

（中石化川气东送天然气管道有限公司湖北武汉430070）

摘要：本文的系统主要集中在考虑天然气传输系统的影响时，开发基于安全性的短期SCUC解决方案方法。所提出的方法研究了电力和天然气在高度复杂的传输系统中的相互依赖性。天然气输送系统被建模为一组非线性方程组。该方案采用分解方法将天然气输配可行性校核子问题和输配可行性校核子问题从主问题中的小时机组组合（UC）中分离出来。气体合同的建模和参与在主UC问题。天然气传输子问题检查天然气传输的可行性以及天然气传输安全约束对燃气发电机组的承诺和调度。如果出现任何天然气传输违规，将形成相应的能量约束，并添加到主问题中，用于解决UC的下一次迭代。迭代过程将继续，直到找到收敛的可行的气体传输解决方案。分析了一个具有七节点输气系统的六节点电力系统和具有14节点输气系统的IEEE118-总线电力系统，验证了所提出方案的有效性。该模型可用于具有天然气传输约束的发电机组的短期组合和调度。

关键词：BeDES分解，混合整数规划，天然气输送，安全约束机制。

1.天然气传输安全约束

根据能源信息公布的数据2005年度美国电力总管理天然气管理单元（EIA）。与常规燃煤电厂相比，天然气应用于电力部门的主要优点是效率高、投资成本低、见效快、运行灵活。燃气发电厂提供天然气传输和电力传输系统之间的联系。天然气输送会影响电力传输的安全性和经济性。从经济学的角度来看，天然气合同会影响电力系统的承诺、调度和运行。从安全角度来看，压力损失、管道意外事故、储气不足或天然气供应中断可能导致多台燃气机组被迫停运或发电能力下降，从而可能显著增加运行成本和阻塞，并危及t电力系统安全。这些条件要求在综合输电、天然气合同以及本文所讨论的天然气输电系统时，必须解决短期机组组合问题。提出了一种两相非线性优化模型。

2.管道传输建模

全隐式方法具有对大时间步长的稳定性保证等优点，对于天然气管道的长期瞬态过程模拟非常有用。惯性项在气体流动分析中占有重要地位，在计算中不可忽视。采用非等温方式处理气体对管道流量计算精度是必需的，对快速瞬态过程也是极其必要的。通过计算机模拟，可以通过改变边界条件来确定压缩机的动态响应。目前的仿真为建立一个更详细的压缩机站模型奠定了基础，设备如洗涤器、冷却器等。沿长管道的突然性质变化的穿透是非常小的。通过模拟结果与其他模型的比较，验证了模型的有效性。采用该求解方法求解了包含10个压缩机站的大型问题，每个压缩机站具有5个压缩单元。

仿真方法的实现包括开发一个称为流水线编辑器的图形用户界面。该编辑器是一个功能丰富的图形用户界面，旨在为管道设计人员提供管道系统的图形视图和仿真数据。流水线编辑器可以用来图形化地构建流水线系统，操纵已经构建的图表，使用并行或顺序模拟器来模拟模型，并且图形化地显示这种模拟的结果。编辑器是一个易于使用的应用程序，可以从任何计算机使用Internet浏览器启动。一旦启动，管道编辑器连接到优化器和顺序和并行模拟器。在检查管道状况时，利用各种无损检测（NDT）方法的在线检测（ILI）是建立确保管道安全、经济运行的质量管理程序的必要工具和重要因素。无损检测技术或技术是普遍适用的。因此，管道操作员和检验服务公司联合选择合适的技术用于每个特定的情况。所需的缺陷规范的级别与工具的性能相匹配。漏磁（MFL）是最常用的ILI技术。一些适用的文献是可用的，从信息量非常丰富的Battelle网站到网上的一些供应商网站，在此列出以供感兴趣的读者阅读：这份名单肯定不是详尽无遗的，并没有反映桑迪亚国家实验室的偏见纳入或遗漏MFL检查工具通过在管道材料中施加由巨磁铁提供的饱和磁场，然后检测该施加磁场中的局部变化，从而定位管道缺陷。MFL的一些优势最常用的测试方法是对获得的数据进行真实的比较。可以根据测试需要选择不同程度的灵敏度。o标准或低分辨率工具o高分辨率（高分辨率）工具o超高分辨率（XHR）工具。oXHR“最新一代”系统具有非常高的传感器数量。

MFL对管道异常的响应主要取决于：

•管线钢的磁性能漏掉的材料，无论是已经实际去除的铁还是将钢变成非铁磁氧化铁的腐蚀，都会被检测，因为它降低了管道承载磁通量的本地能力。

•异常几何学钢的磁性能由于塑性变形而发生局部变化，因此可以检测到机械损伤。传感器和数据记录器比较在标准和高分辨率组内有不同的技术水平。最新的高分辨率工具利用“霍尔效应”传感器。霍尔传感器直接测量漏磁。早期版本使用感应线圈传感器。线圈传感器提供通量泄漏的间接或间接测量。高Res和XHR工具以数字、固态格式记录，而标准或低Res工具可以以模拟、磁带格式记录。固态记录具有易于存储产生的大数据量的优点。与磁带记录相比，固态对在内部管道环境中运行时遇到的冲击和振动影响也更为宽容。低和高分辨率工具之间的主要区别是所记录的数据的分辨率和精度。标准工具具有更大和更少的传感器垫，这减少了异常定义，特别是当在近距离存在许多小异常时。高RE工具利用了更小数量的传感器，并提供更好的异常大小。然而，仍然只有XHR工具可以定义精细的特征。期望的异常精度会影响工具选择。EMAS在伊犁地区的应用仍处于发展阶段。EMAT由在管壁的内表面上的磁场中的线圈组成。通过线圈放置的交变电流在管壁中引起电流，引起洛伦兹力（作用在磁场中移动电荷上的力），进而产生超声波。所使用的换能器的类型和结构定义了产生的超声波的类型和模式以及它在管壁中的传播特性。

3.传输过程中的能量损耗

天然气在管道系统中通过压力输送。这种传输产生能量损失，这是由于气体与管道内壁之间存在的摩擦以及气体与环境之间的传热造成的。安装在网络中的压缩机站通过增加压力来保持气体的移动来补偿这种能量损失。通常情况下，压缩机站消耗的燃料约占整个网络飞行气体总量的3～5～3~（吴，1998）。这一点就变得非常重要，因为每天大约有成千上万的立方英尺的气体被运输。因此，寻找一种通过管道系统操作这些压缩机站的更好方法的重要性。根据建模假设和要做出的决定，存在几个问题。在以往的大多数工作中，建模假设之一是，在每个压缩机站内工作的压缩机单元的数量是固定的。在我们的工作中，我们认为这是一个决策变量，因此该模型成为一个混合整数非线性问题（MINLP）。该问题通常被建模为非线性网络流问题，其中决策变量是每个电弧的质量流量和每个节点的压降。这种表示的示例如图3、4和5所示，其中圆弧表示压缩机站或管道，节点表示供应、转运或需求点。在这项工作中，我们提出了一个MINLP模型的问题，在管道网络中的燃料消耗最小化。我们的决策变量是网络中每个节点的压力、管道中的质量流量、以及每个站内必须运行的压缩机单元的数量。增广罚函数法解决了两类问题：一类是求解非线性约束的主问题，另一类是考虑混合整数部分的子问题。该方法可以处理目标函数或可行域可以是非凸的事实。参见Fuldas（1995）。

4.总结

天然气传输系统是世界上最大、最复杂的非线性系统之一，其稳态和动态特性重新反映了这一问题[13]、[14]。针对SCUC应用，提出了一组非线性代数方程组成的天然气传输系统的稳态数学模型。从生产者到最终用户的天然气传输系统，该系统由天然气井、传输和分配管道、储存设施和压缩机组成。从数学建模的角度来看，这些组件被分类为节点和分支。作为状态变量，气体压力与每个节点相关联，而天然气流量与每个分支相关联。气体输送系统中的供应商和负载：天然气只能通过表示输送和接收点的节点离开或进入气体传输系统。大部分气体来自天然气威尔斯，通常位于遥远的地点。供应被建模为在相关节点的喷射中的正气体。在本文中，每个时期的气体供应的下限和上限被建模为：天然气负荷可以是住宅、商业或工业。燃气发电厂是连接电力和天然气输送系统的最重要的工业气体负荷。

参考文献：

[1]刘军.一种长距离的原水与天然气的复合输送通道:,CN203604991U[P].2014.

[2]何海龙.天然气长距离管道输送过程中的降本增效措施[J].化工管理,2018(14).

[3]刘亚龙,殷若鹏,尤冬石.管线长距离输送天然气的闭环控制模型研究[J].智能计算机与应用,2016,6(3):25-28.