宋晨輝, 肖 峻, 陳 潛, 屈玉清, 秋澤楷, 李 航
(1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,北京 102249; 3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司蘇州運(yùn)維站, 江蘇蘇州 215000)
天然氣在保障能源安全方面具有戰(zhàn)略意義[1]。中國(guó)已建成天然氣管線(xiàn)10萬(wàn)公里,其一次能源消費(fèi)占比已超8%[2]。用氣增長(zhǎng)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行安全提出了挑戰(zhàn),準(zhǔn)確分析管網(wǎng)輸送能力是保障安全的前提[3]。提出了輸氣能力(gas transmission capability, GTC)[4-5]描述管網(wǎng)輸送能力。GTC是系統(tǒng)運(yùn)行極限,是保障輸氣安全的關(guān)鍵狀態(tài)。相關(guān)研究主要針對(duì)正常工況[4-10],包括模型概念[4-8,10]、優(yōu)化方法[5-9]以及工程應(yīng)用[4,8,10]等。Thorsten等[7]總結(jié)了GTC模型和求解方法。黃燕菲等[9]對(duì)用氣量不確定時(shí)的GTC進(jìn)行了研究。Benjamin等[10]指出了GTC的商業(yè)價(jià)值。除正常工況外,部分研究還考慮了故障工況[11-12]。Pavel等[11]基于圖論方法提出了元件故障時(shí)的GTC模型。Trung等[12]提出了元件失效情況下的GTC計(jì)算方法。對(duì)于單元件構(gòu)成的簡(jiǎn)單系統(tǒng),可通過(guò)單一指標(biāo)描述其能力,如管道通過(guò)最大允許流量描述輸送能力。但對(duì)于更復(fù)雜系統(tǒng),往往需多個(gè)指標(biāo)描述其能力特性,如壓縮機(jī)不僅通過(guò)最大壓力增量描述最優(yōu)工況下的增壓能力,還會(huì)采用絕熱壓頭-轉(zhuǎn)速、流量特性曲線(xiàn)[13]完整描述其在不同工況下的工作特性。天然氣管網(wǎng)是多元件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)[3],GTC僅在特定狀態(tài)下可以達(dá)到。實(shí)際運(yùn)行中,用戶(hù)需求存在不確定性,在許多負(fù)荷分布下,系統(tǒng)極限狀態(tài)并不是GTC,而是其他未知極限狀態(tài),因此有必要找到管網(wǎng)系統(tǒng)完整的輸氣能力極限。筆者研究發(fā)現(xiàn)天然氣管網(wǎng)存在輸氣能力曲線(xiàn),能完整刻畫(huà)輸氣能力極限,對(duì)評(píng)估輸送能力與管網(wǎng)規(guī)劃具有應(yīng)用價(jià)值。
為簡(jiǎn)化天然氣管網(wǎng)安全分析,定義工作點(diǎn):工作點(diǎn)為可獨(dú)立描述系統(tǒng)輸氣安全性的狀態(tài)變量集合。工作點(diǎn)概念源于電力系統(tǒng)[14],是簡(jiǎn)化安全分析的有效手段,同樣適用于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。
在管網(wǎng)分析時(shí),狀態(tài)變量可分為水力變量和可控變量。選取節(jié)點(diǎn)流量fi作為工作點(diǎn),且只選取負(fù)荷和氣源節(jié)點(diǎn)流量,其模型可表示為
W=(fl,1,…,fl,i,…,fl,n,fs,1,…,fs,j,…,fs,m).
(1)
式中,fl,i為第i個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的流量;fs,j為第j個(gè)氣源節(jié)點(diǎn)的流量,規(guī)定天然氣流出節(jié)點(diǎn)的方向?yàn)檎?n和m分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和氣源節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
僅選取負(fù)荷和氣源節(jié)點(diǎn)流量的原因如下:①非負(fù)荷、非氣源外的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的流量恒為0,因此未選取聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量;②在安全分析時(shí),為滿(mǎn)足負(fù)荷需求,氣源節(jié)點(diǎn)的壓力應(yīng)在安全范圍內(nèi)可調(diào),因此未選取氣源壓力;③通過(guò)水力計(jì)算,全部水力變量可由負(fù)荷節(jié)點(diǎn)流量和氣源節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算得到,需判斷這些計(jì)算到的狀態(tài)量是否滿(mǎn)足自身約束,但不需將其計(jì)入工作點(diǎn);④在安全分析時(shí),系統(tǒng)會(huì)對(duì)可控變量進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié),以滿(mǎn)足管網(wǎng)運(yùn)行安全,可控變量只需滿(mǎn)足自身的上下限約束即可,因此未選取可控變量。
1.2.1 安全性與安全工作點(diǎn)
天然氣管網(wǎng)的安全性指對(duì)于一個(gè)工作點(diǎn),其所有狀態(tài)量是否滿(mǎn)足運(yùn)行約束,若滿(mǎn)足,則管網(wǎng)安全,該工作點(diǎn)是安全工作點(diǎn),記為Ws;若不滿(mǎn)足,則輸氣時(shí)存在安全隱患,該工作點(diǎn)不安全。全部的安全工作點(diǎn)構(gòu)成了安全工作點(diǎn)集合,記為Ωs。
上述定義借鑒了電力系統(tǒng)的安全性[14]?!安话踩钡暮x是該工作點(diǎn)不是“安全”的,會(huì)產(chǎn)生安全隱患[15-16],若存在隱患繼續(xù)運(yùn)行,將可能引發(fā)安全故障。
1.2.2 運(yùn)行約束
運(yùn)行約束包括管道壓降方程、節(jié)點(diǎn)流量平衡、回路壓降平衡、節(jié)點(diǎn)流量與壓力上下限等,具體如下:
(2)
C1為管道壓降方程約束[17]。
式中,kij為管道ij的壓降方程系數(shù);sij為天然氣流動(dòng)方向的狀態(tài)系數(shù),當(dāng)pi≥pj時(shí)取1,否則取-1;T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的零攝氏度;ρ、T和Z分別為天然氣密度、輸送溫度和壓縮因子;dij、lij和λij分別為管道ij內(nèi)徑、長(zhǎng)度和摩阻系數(shù)。
C2為節(jié)點(diǎn)流量平衡約束。
式中,I為與節(jié)點(diǎn)i通過(guò)管道相連的節(jié)點(diǎn)集合。
C3為回路壓降平衡約束。
式中,j∈loopn表示管道ij屬于回路n;Δpij為管道ij壓降。
C4為節(jié)點(diǎn)流量上下限約束。
式中,fimax和fimin分別為節(jié)點(diǎn)i流量上、下限值。
C5為節(jié)點(diǎn)壓力上下限約束。
式中,pimax和pimin分別為節(jié)點(diǎn)i壓力上、下限值。
C6為管道容積約束。
式中,Cij為管道ij容積。
C7為壓縮機(jī)壓比約束。
式中,εimax和εimin分別為壓縮機(jī)i壓比上、下限值。
輸氣能力(GTC)為天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在滿(mǎn)足運(yùn)行約束時(shí)最大的天然氣輸送量[5,7]?;诎踩ぷ鼽c(diǎn),GTC的數(shù)學(xué)模型為
s.t.{fl,1,…,fl,i,…,fl,n}=Wl?W∈Ωs.
(3)
式中,QGTC為管網(wǎng)的最大流量;Wl為由工作點(diǎn)集合W中全部負(fù)荷節(jié)點(diǎn)流量構(gòu)成的向量。W∈Ωs表示W(wǎng)屬于安全工作點(diǎn)集合,需為安全工作點(diǎn)。
2.1.1 臨界工作點(diǎn)
為描述系統(tǒng)極限狀態(tài),定義臨界工作點(diǎn):對(duì)于某安全工作點(diǎn),若任意負(fù)荷流量增加,且其他負(fù)荷流量不減少,都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)存在安全隱患,則稱(chēng)該安全工作點(diǎn)為臨界工作點(diǎn),簡(jiǎn)稱(chēng)臨界點(diǎn),記為Wb。全部臨界點(diǎn)構(gòu)成臨界點(diǎn)集合,記為Ωb,模型為
(4)
式(4)含義如下:工作點(diǎn)Wb需為安全工作點(diǎn),因此屬于Ωs,即Wb∈Ωs;(fl,1,…,fl,i,…,fl,j, …,fl,m)是Wb中由負(fù)荷節(jié)點(diǎn)流量構(gòu)成的向量;第i個(gè)負(fù)荷增加后形成新工作點(diǎn)W*;如果對(duì)于?ε>0,?i=1,2,…,m,使得W*?Ωs,則Wb具有臨界安全性,是一個(gè)臨界點(diǎn)。全部的Wb構(gòu)成了臨界工作點(diǎn)集合Ωb。
2.1.2 輸氣能力曲線(xiàn)
基于臨界工作點(diǎn),定義輸氣能力曲線(xiàn):輸氣能力曲線(xiàn)是將所有臨界工作點(diǎn)的輸氣量按大小升序排列形成的曲線(xiàn),簡(jiǎn)稱(chēng)GTC曲線(xiàn)。模型為
(5)
GTC曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)取排序后的臨界工作點(diǎn)序號(hào),這是因?yàn)樵摲绞较虑€(xiàn)將具備排序特征,能更好地反映管網(wǎng)輸氣能力從小到大的范圍和變化幅度。
由于臨界工作點(diǎn)的個(gè)數(shù)具有無(wú)窮性,可通過(guò)采樣法繪制GTC曲線(xiàn),包括5步。
(1)按照節(jié)點(diǎn)流量約束確定狀態(tài)空間。
(2)以β為采樣步長(zhǎng),在狀態(tài)空間中生成X個(gè)工作點(diǎn)。β是影響GTC曲線(xiàn)求解精度與時(shí)間的關(guān)鍵,其選取依據(jù)為該β值下可求解到超過(guò)100個(gè)的臨界點(diǎn),該數(shù)量級(jí)足以保證繪制精度,且時(shí)間可控。
(3)安全工作點(diǎn)求解。依次對(duì)生成的工作點(diǎn)進(jìn)行水力計(jì)算,篩選出滿(mǎn)足運(yùn)行約束的安全工作點(diǎn)集Ωs={W1,…,Wx},x表示Ωs中的安全工作點(diǎn)個(gè)數(shù)。工作點(diǎn)Wk(k=1,2,…,x)的安全校驗(yàn)過(guò)程為:在允許范圍內(nèi),對(duì)氣源壓力與壓縮機(jī)壓比進(jìn)行遍歷,每次遍歷時(shí)都對(duì)Wk對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行水力計(jì)算,并校驗(yàn)是否存在全部狀態(tài)量的結(jié)果均安全的運(yùn)行狀態(tài),若存在,則記錄Wk是一個(gè)安全工作點(diǎn);若遍歷后找不到Wk對(duì)應(yīng)的安全運(yùn)行狀態(tài),則Wk不安全。
(4)臨界工作點(diǎn)求解。在Ωs中取一個(gè)工作點(diǎn)Wj,取Wj中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)流量組成向量Wl,j,將Wl,j的任一元素增加β,可得n個(gè)新向量(n為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)),若Ωs中存在包含任一新向量的工作點(diǎn),則原工作點(diǎn)Wj不臨界;否則,記錄Wj為一個(gè)臨界工作點(diǎn)。同理,校驗(yàn)Ωs中所有工作點(diǎn)的臨界性。
(5)逐個(gè)計(jì)算臨界工作點(diǎn)輸氣量,將臨界點(diǎn)按輸氣量由小到大排序,得到采樣點(diǎn)。以采樣點(diǎn)序號(hào)為橫坐標(biāo)、采樣點(diǎn)輸氣量為縱坐標(biāo)繪制GTC曲線(xiàn)。
GTC曲線(xiàn)包括以下指標(biāo)。
(6)
(7)
采用5節(jié)點(diǎn)天然氣管網(wǎng)[18]作為小型測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,包含5個(gè)節(jié)點(diǎn)、3條管道以及1臺(tái)壓縮機(jī)。
圖1 5節(jié)點(diǎn)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 5-node natural gas pipeline system
表1和2給出了系統(tǒng)的管道與節(jié)點(diǎn)參數(shù),壓縮機(jī)的壓比為1~1.5。
表1 管網(wǎng)系統(tǒng)管道參數(shù)
表2 管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)
圖2 5節(jié)點(diǎn)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的GTC曲線(xiàn)Fig.2 GTC curve of 5-node natural gas pipeline system
驗(yàn)證GTC曲線(xiàn)結(jié)果的正確性,即曲線(xiàn)上的采樣點(diǎn)是臨界安全的。以采樣點(diǎn)1,即(275,81,-356)為例進(jìn)行說(shuō)明。表3給出了氣源節(jié)點(diǎn)的壓力為6 MPa、壓縮機(jī)的壓比為1.5時(shí)采樣點(diǎn)1的校驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出,采樣點(diǎn)1是安全的,因?yàn)榇藭r(shí)的狀態(tài)變量均滿(mǎn)足安全約束。驗(yàn)證采樣點(diǎn)1的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)流量增加后,新工作點(diǎn)將不安全。
(1)當(dāng)節(jié)點(diǎn)N1的流量增加1 m3/s后,工作點(diǎn)流量變?yōu)?276, 81,-357)。由水力計(jì)算可知,此時(shí)N1壓力為2.95 MPa,小于下限(3 MPa);管道1和管道2的天然氣流量為276 m3/s,超出上限(275 m3/s),這些情況均會(huì)引發(fā)安全隱患。
需說(shuō)明,流量增加后,無(wú)論在允許范圍內(nèi)如何調(diào)整氣源壓力和壓縮機(jī)壓比,均不能消除安全隱患。
(2)同理可驗(yàn)證當(dāng)節(jié)點(diǎn)N4的流量增加后,N1的壓力變?yōu)?.97 MPa,將小于節(jié)點(diǎn)壓力下限(3 MPa),同樣會(huì)引發(fā)安全隱患。因此,采樣點(diǎn)1(275, 81,-356)是臨界安全的。
表3 采樣點(diǎn)1的臨界性校驗(yàn)結(jié)果
采用文獻(xiàn)[5]中的傳統(tǒng)優(yōu)化方法和本文中方法計(jì)算GTC,對(duì)比兩種方法的計(jì)算結(jié)果。
對(duì)比兩方法計(jì)算結(jié)果的相同部分,均能得到GTC,如表4所示??煽闯龆哂?jì)算結(jié)果一致,說(shuō)明通過(guò)本文方法可正確求解系統(tǒng)的GTC。
表4 計(jì)算結(jié)果的相同部分(GTC)對(duì)比
但本文中方法所得結(jié)果比傳統(tǒng)方法更加豐富,GTC曲線(xiàn)包括全部的GTC點(diǎn)與輸氣量非GTC的臨界工作點(diǎn),見(jiàn)表5。由表5和圖2可看出:①本文中方法可求得更完整的GTC點(diǎn),共140個(gè)(采樣點(diǎn)57~196),在GTC曲線(xiàn)中占比71%,傳統(tǒng)優(yōu)化方法僅可求得其中之一(與優(yōu)化初值相關(guān)); ②本文中方法還得到大量非GTC的臨界工作點(diǎn),共56個(gè)(采樣點(diǎn)1~56),在GTC曲線(xiàn)中占比29%,這些工作點(diǎn)的輸氣量較GTC有不同程度下降。
本文中方法優(yōu)勢(shì)如下:可描述系統(tǒng)完整的輸氣極限狀態(tài),即GTC曲線(xiàn)包含全部GTC點(diǎn)、輸氣量非GTC的臨界工作點(diǎn)信息,這些工作點(diǎn)均具有臨界安全性,代表系統(tǒng)在不同負(fù)荷分布下的輸氣極限;而傳統(tǒng)方法只能描述其中的一個(gè)極限狀態(tài)。
表5 GTC曲線(xiàn)中的GTC點(diǎn)、輸氣量非GTC的臨界工作點(diǎn)舉例
基于5節(jié)點(diǎn)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng),對(duì)GTC曲線(xiàn)的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明,通過(guò)計(jì)算不同管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的GTC曲線(xiàn),可以評(píng)價(jià)其輸氣性能的優(yōu)劣。
設(shè)計(jì)改進(jìn)5節(jié)點(diǎn)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)(改進(jìn)系統(tǒng))作為對(duì)照,較圖1所示的原始5節(jié)點(diǎn)天然氣管網(wǎng)(原始系統(tǒng)),改進(jìn)系統(tǒng)的壓縮機(jī)向N4方向移動(dòng)了2.5 km,但管道總長(zhǎng)度未變。
利用傳統(tǒng)GTC指標(biāo)與本文方法評(píng)價(jià)原始系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)的輸氣性能。表6為評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比,圖3對(duì)比了兩系統(tǒng)的GTC曲線(xiàn)。
由表6和圖3可看出:
(1)利用傳統(tǒng)方法對(duì)兩系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)二者的GTC均為377 m3/s,評(píng)價(jià)結(jié)果為二者輸氣性能相同。
表6 原始系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比
圖3 原始系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)的GTC曲線(xiàn)Fig.3 GTC curves of modified and original systems
綜上,傳統(tǒng)GTC指標(biāo)無(wú)法區(qū)分兩個(gè)方案,本文方法能有效區(qū)分這兩方案的優(yōu)劣,顯示了本文方法對(duì)天然氣管網(wǎng)評(píng)價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的良好應(yīng)用潛力。
通過(guò)比利時(shí)天然氣管網(wǎng)[19]進(jìn)一步驗(yàn)證GTC曲線(xiàn)的存在性,并說(shuō)明其在發(fā)現(xiàn)輸氣瓶頸與利用管網(wǎng)資源方面的優(yōu)勢(shì)。圖4為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意,以東南地區(qū)管網(wǎng)(圖中紅框內(nèi)范圍)為例驗(yàn)證。具體參數(shù)見(jiàn)表7~9。
圖4 比利時(shí)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of Belgium natural gas pipeline system
表7 管網(wǎng)系統(tǒng)管道參數(shù)
表8 管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)
表9 壓縮機(jī)壓比范圍
圖5 比利時(shí)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)GTC曲線(xiàn)Fig.5 GTC curve of Belgium natural gas pipeline system
GTC曲線(xiàn)有助于充分利用管網(wǎng)資源,提升輸氣效率。以采樣點(diǎn)1(83.38、 231.6、 0、 23.16和-338.14)和采樣點(diǎn)136(138.96、 231.6、 0、 18.53和-389.09)為例進(jìn)行說(shuō)明。可以看出,二者負(fù)荷分布的區(qū)別不大,節(jié)點(diǎn)N11和N19的負(fù)荷相同,僅節(jié)點(diǎn)N10和N20的負(fù)荷存在區(qū)別;但二者總輸氣量卻存在明顯區(qū)別,采樣點(diǎn)1的輸氣量為338.14 m3/s,遠(yuǎn)小于采樣點(diǎn)136的389.09 m3/s。這是由于二者輸氣瓶頸不同,在采樣點(diǎn)1的負(fù)荷分布下,管網(wǎng)輸氣資源未得到充分利用。表10通過(guò)分析各狀態(tài)量的安全裕度[20]對(duì)其進(jìn)行解釋。
表10 采樣點(diǎn)1和136的各狀態(tài)變量安全裕度對(duì)比
表10展示了氣源節(jié)點(diǎn)壓力為6.1 MPa,壓縮機(jī)壓比分別為1、1、1.1的情況,同理易驗(yàn)證其他情況。由表10可看出,采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)136的輸氣瓶頸不同,采樣點(diǎn)1的輸氣瓶頸為節(jié)點(diǎn)N20的壓力,任意負(fù)荷輸氣量增加,將導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)壓力低于下限;采樣點(diǎn)136的輸氣瓶頸為管道1和3的流量,任意負(fù)荷輸氣量增加,將導(dǎo)致兩管道的流量超出上限。顯然,采樣點(diǎn)136的運(yùn)行狀態(tài)下,管網(wǎng)輸氣資源得到了較充分利用;而采樣點(diǎn)1的運(yùn)行狀態(tài)下管道容量存在較大裕量,輸氣資源沒(méi)有得到充分利用。
上述現(xiàn)象反映了管網(wǎng)輸氣時(shí)的“有氣無(wú)力”[21]問(wèn)題,對(duì)于管網(wǎng)末端負(fù)荷,雖然管道仍有輸氣資源可用,但由于輸氣過(guò)程壓降較大,易導(dǎo)致末端壓力不足。該問(wèn)題常發(fā)生在縱深較長(zhǎng)管線(xiàn)的用氣高峰期,單純通過(guò)管道輸氣來(lái)保障末端用戶(hù)需求,往往會(huì)造成輸氣資源浪費(fèi)。天然氣公司通常會(huì)采用儲(chǔ)氣調(diào)峰與訂立供用氣合同的方式來(lái)兼顧用戶(hù)需求與管網(wǎng)資源利用效率。
傳統(tǒng)GTC指標(biāo)只能描述系統(tǒng)在理想狀態(tài)下的輸氣極限,無(wú)法發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的輸氣瓶頸,難以為管網(wǎng)公司運(yùn)行方式調(diào)整提供有效依據(jù),易造成輸氣資源浪費(fèi)。
(1)GTC的局限性為GTC僅能描述輸氣量為GTC的一個(gè)極限狀態(tài),但系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),不僅存在多個(gè)輸氣量為GTC的極限狀態(tài),還存在輸氣量小于GTC的極限狀態(tài),這些狀態(tài)都是臨界安全的。
(2)GTC曲線(xiàn)可完整描述系統(tǒng)的輸氣極限,傳統(tǒng)GTC是曲線(xiàn)的一個(gè)指標(biāo),即曲線(xiàn)的最大值點(diǎn)。
(3)GTC曲線(xiàn)擴(kuò)展了GTC指標(biāo),可明確系統(tǒng)完整的能力極限,有助于全面評(píng)價(jià)管網(wǎng)輸氣性能、發(fā)現(xiàn)輸氣瓶頸并提升管網(wǎng)的資源利用效率。