王文想

(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司， 廣東 深圳 518000)

1 概述

2021年全國天然氣表觀消費量3 730×108m3，用氣人口已經(jīng)超過6.67×108人，全國城鎮(zhèn)燃?xì)馐褂闷占奥室呀?jīng)達(dá)到97.87%。與此同時,全國燃?xì)馐鹿识嗟仡l發(fā)，造成重大人員傷亡，燃?xì)獍踩蝿輫?yán)峻。2021年國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會印發(fā)《全國城鎮(zhèn)燃?xì)獍踩珜ｍ椪喂ぷ鞣桨浮罚瑥娬{(diào)燃?xì)夤芫W(wǎng)及附屬設(shè)施安全運營的重要性，也進(jìn)一步反映燃?xì)馄髽I(yè)提高運營管理水平的迫切性。

當(dāng)前城市燃?xì)膺\營企業(yè)大多已建立完善的GIS、SCADA系統(tǒng)、氣量管理系統(tǒng)、巡查巡檢管理系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了燃?xì)夤芫W(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)及運營數(shù)據(jù)的采集。在當(dāng)前管網(wǎng)運營智慧化發(fā)展進(jìn)程中，管網(wǎng)仿真技術(shù)作為支持運營管理決策的核心技術(shù)，通過利用有限的監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬管網(wǎng)的運行狀況，實現(xiàn)對現(xiàn)有管網(wǎng)輸配能力的評估及運行狀況預(yù)測、新管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計等[1]，受到普遍關(guān)注。

2 燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

① 理論技術(shù)基礎(chǔ)

管網(wǎng)仿真技術(shù)的實現(xiàn)離不開3個要素和過程：根據(jù)物理原理，建立管網(wǎng)系統(tǒng)流動水力熱力關(guān)系式；通過數(shù)學(xué)方法，建立管網(wǎng)流動仿真模型；利用計算機技術(shù)，開發(fā)計算機軟件，形成管網(wǎng)仿真核心技術(shù)[2-3]。燃?xì)夤芫W(wǎng)仿真研究始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已具備成熟的理論和軟件應(yīng)用經(jīng)驗[4-7]。

② 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2009年，北京燃?xì)馄髽I(yè)首次實現(xiàn)了管網(wǎng)仿真系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的鏈接[8]，將其應(yīng)用在分區(qū)管理風(fēng)險分析上，預(yù)估管網(wǎng)分區(qū)管理后子網(wǎng)可能存在的工況安全隱患，及時做好工況調(diào)整方案或者整改措施[9]。2018年無錫華潤燃?xì)庥邢薰净赟ynergi Gas管網(wǎng)仿真系統(tǒng)對高壓燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行動態(tài)分析，應(yīng)用在管網(wǎng)規(guī)劃、改造、增量需求分析中[7]。

管網(wǎng)仿真技術(shù)主要分為離線管網(wǎng)仿真和在線管網(wǎng)仿真。離線管網(wǎng)仿真技術(shù)應(yīng)用較為成熟，應(yīng)用場景較廣，可以適用于任何給定場景中。在線管網(wǎng)仿真技術(shù)的應(yīng)用需要調(diào)用實時運行數(shù)據(jù)，需要運行良好的業(yè)務(wù)平臺作為數(shù)據(jù)源，是管網(wǎng)仿真技術(shù)未來的發(fā)展方向。

3 離線管網(wǎng)仿真技術(shù)的應(yīng)用

某燃?xì)馄髽I(yè)2017年建設(shè)離線管網(wǎng)仿真系統(tǒng)，建立了全市高壓-次高壓-中壓-低壓的全管網(wǎng)仿真模型。經(jīng)過多年的應(yīng)用實踐，離線管網(wǎng)仿真在管網(wǎng)功能優(yōu)化、運營管理監(jiān)管、應(yīng)急管理調(diào)度方面發(fā)揮了巨大作用。

3.1 管網(wǎng)功能優(yōu)化

① 數(shù)據(jù)梳理校核

管網(wǎng)仿真計算的基礎(chǔ)是根據(jù)真實系統(tǒng)搭建的仿真模型，在搭建模型和計算分析的同時也可以對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，及時發(fā)現(xiàn)GIS和SCADA系統(tǒng)中不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[10]。

a.對GIS數(shù)據(jù)梳理與校核

某燃?xì)馄髽I(yè)于2000年投入使用GIS，由于現(xiàn)有管道設(shè)施竣工日期最早可追溯至20世紀(jì)80年代，管網(wǎng)日常數(shù)據(jù)錄入過程中難免存在竣工資料與實際有偏差、人工錄入錯誤等問題。在對約8 000 km的管網(wǎng)建模過程中，共發(fā)現(xiàn)管徑錄入錯誤163處、孤立設(shè)備122處、斷點991處、重復(fù)管道743處。經(jīng)現(xiàn)場核實后，統(tǒng)一進(jìn)行連接、廢除、刪除等處理，進(jìn)一步提升了GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

b.對SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)梳理與校核

某市在天然氣高壓、次高壓管網(wǎng)上每5 km設(shè)置1個線路截斷閥，閥室前后均裝有壓力監(jiān)測設(shè)備，24 h采集壓力數(shù)據(jù)，并比較管網(wǎng)壓力仿真值與實測值。南環(huán)路閥室與其他閥室管網(wǎng)壓力仿真值與實測值偏差對比見圖1，其他閥室取偏差均值。可以看出，南環(huán)路閥室偏差較大，遠(yuǎn)大于其他閥室偏差均值。經(jīng)核查后及時進(jìn)行校驗和調(diào)整，確保了壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 南環(huán)路閥室與其他閥室管網(wǎng)壓力仿真值與實測值偏差對比

② 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)完善

采用管網(wǎng)仿真技術(shù)對管網(wǎng)輸配能力進(jìn)行評估，以及在保障用戶供氣壓力的前提下對系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性和供氣安全可靠性進(jìn)行分析對比，可以為優(yōu)化方案提供支撐。燃?xì)夤芫W(wǎng)完善通常有兩個途徑，一是對供氣設(shè)施的完善，主要措施有增加供氣站點或擴(kuò)大現(xiàn)有供氣站點的規(guī)模；二是對管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的完善，主要通過連通斷點或消除瓶頸來實現(xiàn)。

a.供氣設(shè)施完善

以某市中壓管網(wǎng)為例，片區(qū)1的中壓管網(wǎng)冬季高峰時段壓力渲染圖見圖2。圖2a所示片區(qū)1僅有A、B兩座調(diào)壓站，因供氣站點少且管網(wǎng)連通性差，導(dǎo)致冬季高峰時段管網(wǎng)供氣壓力低，圖中紫色節(jié)點表示該位置壓力低于0.1 MPa，接近中壓管網(wǎng)最低壓力限值0.08 MPa。圖2b為增設(shè)調(diào)壓站C后該片區(qū)節(jié)點壓力渲染圖，該區(qū)域壓力均高于0.14 MPa。經(jīng)對比可知，增設(shè)調(diào)壓站C可以明顯提高該片區(qū)的管網(wǎng)供氣壓力，節(jié)點壓力平均提高約20 kPa，可有效緩解冬季供氣壓力低的問題。

圖2 某市片區(qū)1的中壓管網(wǎng)冬季高峰時段壓力渲染圖(軟件截圖)

b.管網(wǎng)結(jié)構(gòu)完善

某市燃?xì)馄髽I(yè)為提高中壓管網(wǎng)對儲備庫華安BOG消納能力，仿真分析BOG的供應(yīng)范圍。輸配瓶頸消除前后BOG的供應(yīng)范圍見圖3。由圖3a可以看出輸配瓶頸為圖示圈選位置2 km的單管，在該位置增設(shè)DN 315 mm平行管道，提高管網(wǎng)輸配能力。由圖3b可以看出，消除輸配瓶頸后，BOG供應(yīng)范圍明顯擴(kuò)大。

圖3 輸配瓶頸消除前后BOG的供應(yīng)范圍(軟件截圖)

3.2 運營管理監(jiān)管

① 作業(yè)模擬評估

以調(diào)峰氣源供氣作業(yè)為例。調(diào)峰氣源供氣前后羅芳調(diào)壓站進(jìn)站壓力見圖4。為保障次高壓管網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，次高壓管網(wǎng)壓力應(yīng)不低于1.1 MPa。根據(jù)模擬計算，在10:00—15:00及17:45—23:40兩個高峰時段羅芳調(diào)壓站進(jìn)站壓力低于1.1 MPa，不滿足輸配要求，見圖4a。調(diào)峰氣源供氣后，在9:20—13:00、17:50—21:00、22:00—23:10時段，利用調(diào)峰氣源供應(yīng)氣量25.5×104m3，可保障羅芳調(diào)壓站進(jìn)站壓力始終高于1.1 MPa。作業(yè)當(dāng)日，羅芳調(diào)壓站進(jìn)站壓力實測值與仿真值吻合，見圖4b。

圖4 調(diào)峰氣源供氣前后羅芳調(diào)壓站進(jìn)站壓力

② 電廠氣質(zhì)管控

燃?xì)怆姀S機組要求天然氣華白數(shù)和高熱值相對于基準(zhǔn)值偏差均不能超過±5%。利用色譜儀采集氣源組成，通過仿真計算燃?xì)怆姀S天然氣的高熱值波動情況，優(yōu)化供氣模式。某日華電電廠天然氣高熱值隨時間變化見圖5。開始時天然氣高熱值與基準(zhǔn)值相等?？梢钥闯?，在多氣源混合供應(yīng)下，華電電廠機組天然氣高熱值相對于基準(zhǔn)值偏差達(dá)7.15%，需采取措施進(jìn)行調(diào)整，如通過閥門隔離氣源、調(diào)整混氣比例等。

圖5 華電電廠天然氣高熱值隨時間變化

3.3 應(yīng)急管理調(diào)度

① 氣源保供模擬

某市燃?xì)馄髽I(yè)有天然氣氣源2個、應(yīng)急氣源1個，其中天然氣氣源A年供氣量占比約70%；天然氣氣源B受門站工藝影響，最大小時供氣量為10×104m3/h；應(yīng)急氣源C可供應(yīng)氣量約650×104m3；該城市燃?xì)庥脩舳救招枨罅繛?40×104m3/d。經(jīng)分析，如果天然氣氣源A停供，在天然氣氣源B最大流量供應(yīng)、應(yīng)急氣源C保供的情況下，最多只能維持約211 h正常供氣。進(jìn)行天然氣氣源A停供后高壓、次高壓管網(wǎng)平均壓力仿真分析，見圖6?？梢钥闯?，211 h后，次高壓管網(wǎng)平均壓力降至0.3 MPa以下。利用仿真系統(tǒng)可模擬氣源、管道、調(diào)壓站等事故工況，為失效模式下供氣保障方案提供決策支持。

圖6 天然氣氣源A停供后高壓、次高壓管網(wǎng)平均壓力仿真分析

② 燃?xì)庑孤╊A(yù)警

管網(wǎng)仿真分析結(jié)合機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)可以實現(xiàn)中壓管網(wǎng)的泄漏監(jiān)測。利用管網(wǎng)仿真模擬泄漏發(fā)生時周邊管網(wǎng)節(jié)點壓力的變化，以獲取大量的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，同時考慮管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對燃?xì)夤芫W(wǎng)的空間特征及壓力數(shù)據(jù)的時序特征進(jìn)行建模分析和模型訓(xùn)練，研發(fā)泄漏監(jiān)測預(yù)警模型，可用于中壓管網(wǎng)泄漏監(jiān)測預(yù)警。

4 在線管網(wǎng)仿真技術(shù)的應(yīng)用

在線管網(wǎng)仿真可以對管道SCADA系統(tǒng)采集的大量實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過科學(xué)分析、處理、診斷、決策，模擬管網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)，預(yù)測可能出現(xiàn)的運行和操作風(fēng)險，對比分析和診斷異常工況及事故，從而促進(jìn)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行管理的智能化。

4.1 基礎(chǔ)平臺建設(shè)

在線管網(wǎng)仿真平臺的建設(shè)主要應(yīng)解決在線模型庫的建立、實時數(shù)據(jù)對接與調(diào)用、平臺功能拓展等。建立在線管網(wǎng)仿真模型需要的物理數(shù)據(jù)主要包括管網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、管道及設(shè)施設(shè)備參數(shù)，如管道管徑、長度及調(diào)壓器參數(shù)等，應(yīng)開發(fā)在線模型數(shù)據(jù)庫以滿足模型實時調(diào)用的需求。模型的邊界條件主要來源于氣源流量、壓力、組成、用戶用氣需求等，應(yīng)考慮開發(fā)實時數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)實時讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能。仿真計算核心軟件的選擇、系統(tǒng)平臺的集成以及平臺功能模塊的開發(fā)也是關(guān)鍵。在線管網(wǎng)仿真系統(tǒng)除具備離線管網(wǎng)仿真系統(tǒng)功能外，還可以基于運營管理、氣量調(diào)度等業(yè)務(wù)需要拓展平臺功能，比如調(diào)度監(jiān)測預(yù)警和氣源優(yōu)化分配等。

4.2 基本功能拓展

① 調(diào)度監(jiān)測預(yù)警

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)運營調(diào)度需重點關(guān)注特征節(jié)點的實時運行情況及對未來不利工況的預(yù)測預(yù)警。在線管網(wǎng)仿真系統(tǒng)通過實時動態(tài)地模擬計算管網(wǎng)運行工況，與SCADA系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果比對，校正提高計算精度。需要預(yù)測時，在線管網(wǎng)仿真模型可以快速讀取已批復(fù)的上、下游日指定計劃數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶歷史用氣曲線，對未來12 h、24 h的管網(wǎng)運行情況進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)達(dá)到特征節(jié)點的報警值時給出警告，提醒調(diào)度人員優(yōu)化調(diào)度方案。

② 氣源優(yōu)化分配

因氣源產(chǎn)地不同造成天然氣組成及采購成本差異，加上門站工藝、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)等造成輸配能力受限，下游用戶用氣需求不均勻性也同樣帶來調(diào)配難度，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣分配難度日益加劇。運營調(diào)度人員在滿足管網(wǎng)輸氣能力的要求下，通過在線管網(wǎng)仿真系統(tǒng)對多種運行方案進(jìn)行模擬、分析、評估，以優(yōu)化調(diào)整供氣方式和氣源分配，降低購氣成本，充分發(fā)揮管網(wǎng)輸配能力，實現(xiàn)氣量管理的科學(xué)化、經(jīng)濟(jì)化。

5 結(jié)語

建議行業(yè)內(nèi)進(jìn)一步加強對在線仿真技術(shù)的研究及對中低壓管網(wǎng)在線仿真的探索，加快智能化系統(tǒng)建設(shè)，進(jìn)一步提升城市燃?xì)膺\營管理水平。