天然气网络潮流计算模型研究（Matlab代码实现）

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💥1 概述

对于天然气网络，假设在一个水平管道里是稳定的等温气流，动能的变化忽略不计，在管道的整个

长度内，摩擦系数和气体压缩因子都是恒定不变的。对于一个在高压网络的完全湍流，类比电力网

络的支路功率方程，根据能量守恒，管道mn(m、n为天然气节点)稳态条件下的流量 fmn 可近似表示为：

由于天然气管道存在摩擦阻力，传输过程中会造成一定的压力损失，为补偿天然气输送的压力损

失，天然气系统中通常会配置一定数量的压缩机来提升该管道的压力。采用压缩机升高压力时，需要消耗额外的能量，采用燃气轮机驱动的压缩机是最经济的方式，燃气轮机消耗的流量可等效为加压站的气负荷，且主要由升压比以及流过加压站的流量决定：T0 = 288 K 、π0 = 101.03 kPa ，Hk 为压缩机消耗的等效电能

 

（1）由用户负荷求得微型燃气轮机的功率𝑃g，求出其消耗的天然气流量； 

（2）根据天然气节点压力与节点间流量的关系式求出前一个节点的节点压力； 

（3）如果节点中存在压缩机，则可以求得压缩机消耗的等效天然气流量，将其作为一个负荷加入到潮流计算中； 

（4）求出节点的节点流量方程； 

（5）重复步骤（2）-（4），直至求解出整个天然气网络潮流。 

天然气网络潮流计算模型研究

一、研究背景与意义

天然气作为一种清洁、高效的能源，在全球能源消费结构中的占比逐年上升。天然气网络潮流计算旨在分析天然气在管道网络中的流动情况，包括各节点的气压、流量等参数，以模拟和预测管网在不同工况下的运行状态。这对于确保天然气供应的安全、高效，以及优化管网调度和管理具有重要意义。

二、天然气网络潮流计算基本假设

由于天然气流动涉及复杂的流体动力学方程，直接计算难度较大。因此，通常需要做出一些假设来简化计算：

1. 等温流动假设：假设管道内的天然气为等温气体，气体温度不会随着传输距离发生改变。
2. 恒定参数假设：假设各个管道对天然气的摩擦系数和气体压缩因子相同。
3. 动能忽略假设：假设在一个水平管道里是稳定的等温气流，动能的变化忽略不计。

三、天然气网络潮流计算模型构建

1. 节点与管道模型

天然气网络可简化为由节点和管道连接而成的网络。节点代表管道的连接点、气源或负荷点，管道则代表天然气传输的通道。

• 节点信息：包括节点编号、坐标、负荷（气源或气负荷）等。
• 管道信息：包括管道编号、连接节点、长度、直径、粗糙度等。

2. 流量与压力关系

天然气在管道中的流动遵循能量守恒定律。对于高压网络的完全湍流，可类比电力网络的支路功率方程，得到管道稳态条件下的流量方程。常用的管道压力损失方程包括Weymouth方程、Panhandle方程等。

3. 压缩机模型

由于天然气管道存在摩擦阻力，传输过程中会造成一定的压力损失。为补偿压力损失，天然气系统中通常会配置一定数量的压缩机来提升管道压力。压缩机在升高压力时需要消耗额外的能量，通常采用燃气轮机驱动。

压缩机消耗的等效天然气流量可等效为加压站的气负荷，且主要由升压比以及流过加压站的流量决定。压缩机的工作模式多样，包括定压缩比、定压差、定管道流量等。

四、天然气网络潮流计算方法

1. 节点天然气潮流计算方法

节点天然气潮流计算方法是目前应用最广泛的天然气潮流计算方法之一。该方法利用节点间的流量平衡方程和管道压力损失方程来进行计算。主要步骤如下：

1. 初始化节点压力和流量：为所有节点设定初始压力值，并假设初始流量分布。
2. 计算管道压力损失：根据管道参数和流量方程，计算每条管道的压力损失，并更新节点压力。
3. 检查节点流量平衡方程：确保每个节点的注入流量与流出流量相等（考虑负荷和气源）。
4. 调整与迭代：如果不满足流量平衡方程，则根据误差调整节点流量，并重复步骤2和3，直到达到收敛条件。

2. 分布式计算方法

对于包含多台不同工作模式、不同驱动方式压缩机的复杂天然气网络，统一计算方法难以快速收敛。因此，可采用分布式计算方法，将天然气网络划分为多个子网络，分别进行潮流计算，并通过协调机制实现整体求解。

分布式计算方法基于牛顿-拉夫逊法求解各子网络的潮流，其迭代形式如下：

五、模型验证与结果分析

1. 算例设计

设计包含多个节点和管道的天然气网络算例，包括气源节点、负荷节点和压缩机节点。给定气源流量、负荷需求以及管道参数，使用Matlab等数学计算软件编写潮流计算程序。

2. 结果分析

潮流计算完成后，可以得到各个节点的压力、流量等参数。通过分析这些结果，可以：

• 绘制管网压力分布图：判断是否存在气压不足的节点。
• 计算管道流量：判断是否存在管道过载的现象。
• 分析不同工况下的管网运行状态：为管网调度和优化提供依据。

六、应用前景与挑战

1. 应用前景

天然气网络潮流计算模型在天然气行业具有广泛的应用前景，包括：

• 管网规划与设计：通过潮流计算，可以优化管网布局和管道参数选择，降低建设成本。
• 运行调度与管理：实时模拟管网运行状态，预测可能出现的各种问题，如气压不足、管道过载等，为调度和管理提供依据。
• 综合能源系统分析：在电-气-热综合能源系统中，天然气网络潮流计算是稳态分析的核心部分，有助于实现能源的高效利用和优化调度。

2. 面临的挑战

尽管天然气网络潮流计算模型具有广泛的应用前景，但仍面临一些挑战：

• 模型精度与复杂度平衡：在简化计算模型以提高计算效率的同时，需要确保模型的精度满足实际应用需求。
• 多能流耦合分析：在综合能源系统中，天然气网络与电力网络、热力网络之间存在复杂的耦合关系，需要建立统一的能流潮流计算模型。
• 不确定性分析：天然气负荷和气源供应存在不确定性，需要在潮流计算中考虑这些不确定性因素对管网运行状态的影响。

📚2 运行结果

2.1 算例：

天然气潮流计算算例结构

2.2 运行结果 

🎉3 参考文献

部分理论来源于网络，如有侵权请联系删除。

[1]徐宪东,贾宏杰,靳小龙,余晓丹,穆云飞.区域综合能源系统电/气/热混合潮流算法研究[J].中国电机工程学报,2015,35(14):3634-3642.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.018.

[2]刘冲. 区域综合能源系统的建模仿真与潮流分析[D].西安理工大学,2017.

[3]董彦君,张惠智,马富齐等.区域综合能源系统潮流计算[J].高压电器,2018,54(06):197-204+211.DOI:10.13296/j.1001-1609.hva.2018.06.030.

🌈4 Matlab代码实现