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天然气工业 2025年第1期45卷 175-186页

作者：左丽丽王珑云佳雷宏峰孙恒潘彪田望郭宇飞孙晓阳吴晓飞郝千千中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程研究中心国家石油天然气管网集团北京管道有限公司国家石油天然气管网集团科学技术研究总院

天然气中甲烷的温室效应强度远高于二氧化碳,消除或减少输气管线放空作业中的天然气排放对实现双碳目标具有重要意义。为此,针对需计划性放空的输气管线,分别对采用下游压气站离心压缩机和移动式往复压缩机的2种天然气回收过程以及传统... 详细信息

天然气中甲烷的温室效应强度远高于二氧化碳,消除或减少输气管线放空作业中的天然气排放对实现双碳目标具有重要意义。为此,针对需计划性放空的输气管线,分别对采用下游压气站离心压缩机和移动式往复压缩机的2种天然气回收过程以及传统冷放空过程建立了瞬态仿真模型,并对放空回收所需总时间、放空气量、回收气量等参数进行了对比分析。研究结果表明:(1)采用隐式中心差分法求解这些模型,获得的回收时长、排放时长、回收气量、排放气量等参数与相应的TGNET软件仿真结果及放空过程实际数据的偏差均在±8%以内;(2)针对放空气回收过程的仿真模型,离心压缩机和往复压缩机需要考虑进行边界条件的转换;在放空过程的模拟中,需要考虑立管出口处压力和流速边界条件的转换;(3)针对输气管线计划性放空提出了3种天然气回收方案,其中方案1利用下游压气站的离心压缩机,方案2利用移动式往复压缩机,方案3为方案1和方案2的组合,即先用下游压气站的离心压缩机进行回收,当其进口压力降至允许最低值时,再切换至移动式往复式压缩机继续回收过程。结论认为:(1)方案1的回收时长最短但回收率最低,方案2的情况刚好相反,而方案3的回收率与方案2相近但回收时长介于方案1和方案2之间;(2)针对阀室间管线放空气回收方案的选择,离心压缩机与往复式压缩机结合进行回收的方案,可同时兼顾回收时长和回收效率,具有较好的经济性和可行性,因而具有较好的综合效果。

关键词：输气管线放空天然气回收瞬态仿真压缩机方案优化

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基于硬约束和物理信息神经网络结合的天然气管网仿真新方法

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天然气工业 2025年第1期45卷 164-174页

作者：金凤郭祎张岩马秀云刘斌焦健丰殷雄徐海龙宫敬温凯中国石油大学(北京)机械与储运工程学院国家石油天然气管网集团有限公司油气调控中心国家管网集团北京管道有限公司中国石油华北油田公司油气工艺研究院曼彻斯特大学化学工程与分析科学系

随着天然气管网互联互通成环成网,需要利用仿真技术模拟各种工况下的管网运行状态,以提升管网的供气能力,进而降低管网运行成本。现有的智能化仿真方法过于依赖数据驱动,忽略了天然气流动机理,导致精度与稳定性较差且结果不可解释。为此... 详细信息

随着天然气管网互联互通成环成网,需要利用仿真技术模拟各种工况下的管网运行状态,以提升管网的供气能力,进而降低管网运行成本。现有的智能化仿真方法过于依赖数据驱动,忽略了天然气流动机理,导致精度与稳定性较差且结果不可解释。为此,从机理角度分析了天然气流动基本控制方程与管网拓扑结构,将机理信息耦合至深度学习的损失函数指导结构设计与训练,形成了天然气管网物理信息神经网络PINN(Physics-Informed Neural Network)仿真模型;然后描述了输入输出变量之间的耦合关系,设计边界条件嵌入训练硬约束模式,建立了硬约束和物理信息神经网络结合BHC-PINN(Boundary Hard-Constraint Physics-Informed NeuralNetwork)的模型,实现了天然气管网全时空状态的仿真监测。研究结果表明:(1) PINN模型将管道与拓扑结构的机理信息耦合进损失函数以提高模型的可解释性,并借助管网进出口冗余数据提高了准确性,实现了对管网压力流量的准确监测;(2)建立的边界硬约束模式,使神经网络的输出强制满足边界条件,得到的流量和压力仿真误差分别从2.1%和0.32%下降低至1.5%和0.082%,训练的效率和速度分别提高了48.5%和55.9%;(3) BHC-PINN能实现管网任意位置气体流动状态的观测,对于中间阀室压力的仿真最大误差为0.2%。结论认为,该新方法能准确仿真天然气管网内流动状态,增强了数据驱动模型的可解释性,并为天然气管网瞬态仿真提供了数据加机理混合驱动的新思路。

关键词：天然气管道水力瞬态仿真物理信息神经网络硬约束模式

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LNG接收站与天然气管网协同运行优化策略

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石油机械 2025年第1期53卷 135-142页

作者：卓海森赵思睿孙博侯浩远董龙伟崔婧左丽丽国家管网集团液化天然气接收站管理公司中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程研究中心国家石油天然气管网集团有限公司

随着天然气管网互联互通一体化格局的形成,各资源和市场纳入管网系统统一调度运营。基于LNG资源入网后存在站场和已有管道间压力匹配以及多资源间的气量协调问题,针对冬季保供期某LNG资源聚集区域,借助TGNET软件建立LNG接收站与天然气... 详细信息

随着天然气管网互联互通一体化格局的形成,各资源和市场纳入管网系统统一调度运营。基于LNG资源入网后存在站场和已有管道间压力匹配以及多资源间的气量协调问题,针对冬季保供期某LNG资源聚集区域,借助TGNET软件建立LNG接收站与天然气管网协同运行仿真模型,研究不同边界条件下管网系统多资源调度供气方案,并重点针对可控的LNG资源,从管输费、能耗费以及总利润等角度开展了不同接收站间气量匹配方案的经济性比选。结合经济比选及方案模拟结果,提出了LNG资源入网供气能力提升的优化手段。研究结果表明:外输管道较长、管径小、沿线分输量小是制约LNG接收站气化能力释放的关键因素,通过增设压气站和增设复线2个优化手段可充分释放接收站气化能力,以此提升管网整体运行压力和输送能力。研究成果对冬供期天然气管网多资源以及各接收站间的调度管理具有一定的指导意义,所形成的LNG接收站与天然气管网的协同运行优化机制可为下游用户提供充足的供气保障,实现LNG接收站与天然气管网一体化高效运行。

关键词： LNG接收站互联互通天然气管网协同运行优化压气站阶梯气量冬季保供

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天然气管网瞬态运行水力热力解耦仿真模型

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油气储运 2025年第05期 560-571页

作者：余春雨余春浩刘刚刘锐杨放秦阳左丽丽陈潜中油国际管道公司中国石油大学(北京)机械与储运工程学院长江大学石油工程学院

【目的】天然气管网瞬态运行仿真技术对管道供气调峰、经济安全运行及异常工况诊断至关重要。目前制约天然气管网瞬态运行仿真技术的难点在于时空变量非线性耦合规律复杂，亟需提高仿真过程计算效率。【方法】建立天然气管网水力热力解... 详细信息

【目的】天然气管网瞬态运行仿真技术对管道供气调峰、经济安全运行及异常工况诊断至关重要。目前制约天然气管网瞬态运行仿真技术的难点在于时空变量非线性耦合规律复杂，亟需提高仿真过程计算效率。【方法】建立天然气管网水力热力解耦瞬态运行仿真模型：首先依据管流控制方程中水力、热力变量之间的耦合关系，分别构建水力仿真子模型与热力仿真子模型；采用时间递推法对整个瞬态时间域仿真，针对任意时步，将该时步初始时刻管网温度分布作为待求解时刻温度仿真计算的迭代初值，通过求解水力子模型得到管网压力、密度及质量流量分布，然后将其作为热力子模型的已知条件，通过热力子模型计算管网的温度与焓分布；以迭代前后的温度分布偏差是否满足精度要求作为是否跳出当前时步求解的判据，若满足要求，则当前时步仿真完成，否则以热力子模型计算出的温度分布作为水力子模型的已知条件，重复以上过程；最后通过时间递推，逐步完成后续所有时步的求解，得到整个时空域的水力热力运行参数演变规律。【结果】结合算例，综合分析时空网格步长划分对计算速度与精度的影响，针对2.5 km、5.0 km及10.0 km这3种空间步长，分别选取30 s与60 s作为时间步长，结果表明5.0 km-30 s的组合可兼顾解耦模型的计算精度与效率；时空步长一定时，以耦合模型仿真结果为基准，解耦模型求解出压力与温度的最大绝对偏差为0.003 MPa与0.1 K，计算时间缩短42%，表明该水力热力解耦模型具有高效性；该解耦模型在多组边界条件下均表现出较好的适应性。【结论】天然气管网瞬态运行水力热力解耦仿真模型可以大幅度提高天然气管网动态仿真的计算效率，对于天然气管网瞬态运行仿真技术与智能管网调控机制探索具有重要的理论借鉴与技术支撑。（图11，表1，参24）

关键词：水力仿真子模型热力仿真子模型水力热力解耦模型时间递推法瞬态运行仿真

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基于实时组分追踪的多气源非等温管网仿真方法

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天然气工业 2024年第8期44卷 133-144页

作者：陈潜管奥成雷鹏正苗超黄伟程遹滔左丽丽长江大学石油工程学院西南石油大学石油与天然气工程学院中国石油西南油气田公司天然气研究院国家管网集团西南管道公司昆明输油气分公司中国石油大学(北京)机械与储运工程学院

在管网公平开放的运行模式下,以天然气气质为基础的能量计量将逐渐成为天然气贸易的主流方式。为实现虚拟预测多气源管网关键节点天然气的实时组分,在结合非等温管流瞬态仿真模型和气体组分运移模型的基础上,建立了多气源天然气管网动... 详细信息

在管网公平开放的运行模式下,以天然气气质为基础的能量计量将逐渐成为天然气贸易的主流方式。为实现虚拟预测多气源管网关键节点天然气的实时组分,在结合非等温管流瞬态仿真模型和气体组分运移模型的基础上,建立了多气源天然气管网动态组分追踪模型。首先基于高精度的BWRS方程、稳态流动方程、焓方程、气体混合参数方程和边界条件得到管网运行初始条件,其次采用隐式中心差分法对管流控制方程和对流扩散方程进行离散,最后结合不同时空条件下的物性方程、混合参数关系式及边界条件,通过时间递推法和Newton—Rapshan算法求解得到天然气管网各节点的压力、流量、温度、组分等参数在整个瞬态时间域上的演化规律。研究结果表明:①建立的稳态模型仿真结果与TGNET模拟结果相比,系统压力和温度的最大绝对偏差分别为0.069 MPa和2.81 K,两者的甲烷和氢气摩尔分数结果基本一致;②建立的动态模型仿真结果与TGNET模拟结果相比,关键节点处压力、温度、甲烷和氢气摩尔分数的最大绝对偏差分别为0.078 MPa,2.22 K,1.54%和0.55%,模型预测的准确性高;③提出的多气源混合模型具有较强的通用性,可以适用于复杂拓扑结构的天然气管道系统的运行参数动态仿真和气体组分动态追踪。结论认为,提出的实时组分追踪方法可以为多气源非等温管网气体组分实时预测提供依据,进而为天然气管网能量计量以及管道仿真软件的国产化开发奠定理论基础。

关键词：天然气管网能量计量组分追踪组分运移模型中心差分法瞬态仿真时空演化规律水力热力过程

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基于流动参数与组分解耦的掺氢天然气管网动态仿真方法

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工程科学与技术 2024年

作者：管奥成黄海陈潜黄伟盛绪飞虞维超左丽丽长江大学石油工程学院国家管网集团浙江省天然气管网有限公司国家管网集团油气调控中心中国石油大学(北京)机械与储运工程学院

由于氢能的清洁、高效、零碳特点，导致氢能对推动能源转型具有重要意义。目前利用现有的长输天然气管道进行掺氢输送整合氢能大规模、长距离、高经济性输送的有效方式。在天然气管网公平开放运行模式下，天然气计量模式逐渐从体积计量... 详细信息

由于氢能的清洁、高效、零碳特点，导致氢能对推动能源转型具有重要意义。目前利用现有的长输天然气管道进行掺氢输送整合氢能大规模、长距离、高经济性输送的有效方式。在天然气管网公平开放运行模式下，天然气计量模式逐渐从体积计量转变为能量计量，而通过运行仿真进行气体组分追踪是实现天然气管网能量计量的一种有效的方法。本文分别提出了流动参数与气体组分耦合和解耦的瞬态仿真模型，在所提出的模型中考虑了管流控制方程、对流扩散方程和节点关系方程，采用隐式中心差分法和阻尼牛顿法对模型进行求解。耦合模型将组分追踪部分和流动参数计算部分作为一个整体考虑，而解耦模型则将整个过程分为气体状态方程参数计算部分、流动参数计算部分和气体组分追踪部分。根据当前时步初始条件给定的不同节点气体组分来计算气体状态方程参数，并通过其计算管道流动参数，再把流动参数代入组分追踪部分来计算组分，如果迭代前后各节点组分偏差均满足设定精度要求，则当前时步的仿真迭代结束。基于案例分析，耦合模型与TGNET的模拟结果中压力、温度、甲烷和氢气的摩尔分数的最大平均绝对偏差分别为0.086 MPa、0.44 K、0.10%和0.10%；在所选定的时空步长下，解耦模型计算时间比耦合模型计算时间缩短了76.04%；对于不同边界条件组合，解耦模型与TGNET的模拟结果中压力、温度、甲烷和氢气的摩尔分数的最大平均绝对偏差分别为0.078 MPa、0.44 K、0.21%和0.21%。所建立的两个模型可以达到商业软件的精度要求，能够有效的模拟水力热力参数和气体组分的时空变化，为天然气管网实际运行提供参考；相比于耦合模型，解耦模型可以有效的提高仿真效率且具有较好的边界条件适应性，能应用于实际的天然气管网运行。

关键词：掺氢天然气管网瞬态模拟组分追踪解耦模型耦合模型

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天然气管网瞬态运行水力热力解耦仿真模型

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油气储运 2024年

作者：余春雨余春浩刘刚刘锐杨放秦阳左丽丽陈潜中油国际管道公司中国石油大学(北京)机械与储运工程学院长江大学石油工程学院

【目的】天然气管网瞬态运行仿真技术对管道供气调峰、经济安全运行及异常工况诊断至关重要。目前制约天然气管网瞬态运行仿真技术的难点在于时空变量非线性耦合规律复杂，亟需提高仿真过程计算效率。【方法】建立天然气管网水力热力解耦瞬态运行仿真模型：首先依据管流控制方程中水力、热力变量之间的耦合关系，分别构建水力仿真子模型与热力仿真子模型；采用时间递推法对整个瞬态时间域仿真，针对任意时步，将该时步初始时刻管网温度分布作为待求解时刻温度仿真计算的迭代初值，通过求解水力子模型得到管网压力、密度及质量流量分布，然后将其作为热力子模型的已知条件，通过热力子模型计算管网的温度与焓分布；以迭代前后的温度分布偏差是否满足精度要求作为是否跳出当前时步求解的判据，若满足要求，则当前时步仿真完成，否则以热力子模型计算出的温度分布作为水力子模型的已知条件，重复以上过程；最后通过时间递推，逐步完成后续所有时步的求解，得到整个时空域的水力热力运行参数演变规律。【结果】①结合算例，综合分析时空网格步长划分对计算速度与精度的影响，针对2.5 km、5 km及10 km这3种空间步长，分别选取30 s与60 s作为时间步长，结果表明5 km-30 s的组合可兼顾解耦模型的计算精度与效率；②时空步长一定时，以耦合模型仿真结果为基准，解耦模型求解出压力与温度的最大绝对偏差为0.003 MPa与0.1 K，计算时间缩短42%，表明该水力热力解耦模型具有高效性；③该解耦模型在多组边界条件下均表现出较好的适应性。【结论】天然气管网瞬态运行水力热力解耦仿真模型可以大幅度提高天然气管网动态仿真的计算效率，对于天然气管网瞬态运行仿真技术与智能管网调控机制探索具有重要的理论借鉴与技术支撑。

关键词：水力仿真子模型热力仿真子模型水力热力解耦模型时间递推法瞬态运行仿真

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基于复杂网络理论的天然气管网气源追踪方法

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世界石油工业 2024年第4期31卷 94-102页

作者：叶恒李光越刘家乐梁悦童岳远志国家石油天然气管网集团有限公司油气调控中心北京100013 国家石油天然气管网集团有限公司北京100013

随着中国天然气管网规模不断攀升、管网脱离于上下游独立运行,传统的仿真计算方法供气计算慢或不收敛、管网能耗最优的目标函数不符合托运商和用户核心利益等局限性逐步凸显,导致当前天然气管网各用户的气源结构解析结果存在争议。为解... 详细信息

随着中国天然气管网规模不断攀升、管网脱离于上下游独立运行,传统的仿真计算方法供气计算慢或不收敛、管网能耗最优的目标函数不符合托运商和用户核心利益等局限性逐步凸显,导致当前天然气管网各用户的气源结构解析结果存在争议。为解决上述问题,将天然气管网视为一个复杂网络,应用复杂网络理论,以托运商和用户提出的“供气方案需优先满足用气需求,其次寻求管输费最低”核心诉求作为供气计算目标函数,将供气计算问题分解为最大流、最小费用2个线性规划过程。基于供气计算结果,提出总体管输费最低、天然气经过站场充分混合、公平分配原则3大核心原则,通过公式推导,建立一套气源追踪算法。案例试算结果表明,该算法可快速得到给定日指定条件下对应的最低管输费及各管段的输量配置、各个气源向各用户的供气情况;该算法逻辑清晰直观,为超大型复杂天然气管网气源追踪提供解决方案,为科学的天然气定价机制提供理论支撑,可有效避免天然气气价“一刀切”和供需双方的相互猜疑,有利于进一步推进中国天然气行业向市场主体公平开放。

关键词：天然气管网复杂网络理论供气计算气源追踪

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分枝定界法与内点法耦合的含环路输气管网运行优化

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油气储运 2023年第3期42卷 343-351页

作者：左丽丽戴材炜赵思睿张福坤周美领王武昌中国石油大学(北京)机械与储运工程学院·油气管道输送安全国家工程实验室·石油工程教育部重点实验室·城市油气输配技术北京市重点实验室国家管网集团西气东输分公司中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院·山东省油气储运安全重点实验室

含环路输气管网的运行方案优化问题的求解难度远大于枝状管网。在已知含环路输气管网拓扑结构、基础参数、天然气输入点和输出点的流量、压缩机组的配置及特性曲线等参数的前提下,以环路上的管段流量、压气站开机台数、压气站出站压力... 详细信息

含环路输气管网的运行方案优化问题的求解难度远大于枝状管网。在已知含环路输气管网拓扑结构、基础参数、天然气输入点和输出点的流量、压缩机组的配置及特性曲线等参数的前提下,以环路上的管段流量、压气站开机台数、压气站出站压力等参数为决策变量,以单位时间内管网运行能耗最低为目标函数,综合考虑管段水力热力特性、管网节点流量平衡及节点压力允许变化范围、压缩机运行特性及允许运行范围等约束条件,建立含环路输气管网稳态运行方案优化的非线性混合整数规划模型,采用分枝定界法与原始对偶内点法耦合的算法求解该模型。以XQDS管网为例应用TGNET软件对管网优化运行方案进行了稳态仿真,验证该模型与算法的有效性。该优化模型与算法适用于任意拓扑结构的输气管网,可为大型复杂输气管网的集中调度提供新的思路。

关键词：输气管网运行方案最优化非线性混合整数规划

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基于运行仿真的多气源环状管网能量计量方法研究

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石油与天然气化工 2022年第5期51卷 117-123页

作者：黄维和常宏岗李姗姗陈荟宇席蔺璇齐达左丽丽中国石油天然气股份有限公司中国石油西南油气田公司天然气研究院中国石油天然气集团公司天然气质量控制和能量计量重点实验室中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室·石油工程教育部重点实验室·城市油气输配技术北京市重点实验室

目的天然气能量计量的对象是其完全燃烧后产生的总热量,通常采用体积计量值与体积发热量相乘的方法确定天然气的能量值,而体积发热量取决于天然气的组成,即天然气中各组分的摩尔分数。多气源管网中天然气的组成通常随空间位置和时间变化... 详细信息

目的天然气能量计量的对象是其完全燃烧后产生的总热量,通常采用体积计量值与体积发热量相乘的方法确定天然气的能量值,而体积发热量取决于天然气的组成,即天然气中各组分的摩尔分数。多气源管网中天然气的组成通常随空间位置和时间变化,故管网的每个计量站都需要确定不同时刻输入或输出本站的天然气的体积发热量。国内长输管道的A级计量站均配置了在线气相色谱仪,可以分析天然气发热量,B级和C级计量站可使用仿真方法为天然气发热量赋值,从而降低配置气相色谱仪的投资与运行维护费用。方法依据面向能量计量的管网仿真理论基础,针对某多气源环状管网,分别使用TGNET和SPS仿真软件建立了具有天然气组分跟踪与发热量计算功能的运行仿真模型。为提高仿真结果准确性,基于历史运行数据校准了仿真模型的管段输气效率这一关键参数。结果分别应用TGNET和SPS模型对该管网持续48 h的历史运行过程进行了动态仿真,TGNET模型的发热量仿真结果与历史记录值的偏差在0.3%以内。结论基于运行仿真的多气源环状管网能量计量是一种可行的方法,研究成果为国内天然气能量计量的实施和推广提供了一种可操作的方法。

关键词：天然气管网运行仿真能量计量发热量赋值

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