论文《模拟仿真引领城市燃气智能网再造》在第三届中国智慧燃气发展论坛发布

2017年5月26日,由中国城市燃气协会智能气网专委会主办,上海燃气(集团)有限公司承办的第三届中国智慧燃气发展论坛在上海光大会展中心隆重召开!

会上发布了由北京燃气、深圳燃气以及深圳市爱路恩济能源技术有限公司输配运营技术团队共同撰写的论文《模拟仿真引领城市燃气智能网再造》,以下是论文的全部:


论文

论文主要介绍了城市燃气智能网的特点、模拟仿真系统的必要性,并以管网模拟仿真系统在北京燃气和深圳燃气的实际应用为例,展示模拟仿真技术对管网智能化再造的意义。


模拟仿真引领城市燃气智能网再造


关鸿鹏1,包筱炜2,张林2,曹北3,聂方明3,仇晶1  

(1.  北京燃气集团有限责任公司,北京,100000

2. 深圳燃气集团股份有限公司,广东深圳,518049

3. 深圳市爱路恩济能源技术有限公司,广东深圳,518054

 

摘要: 介绍城市燃气智能网的特点、模拟仿真系统的必要性,并以管网模拟仿真系统在北京燃气和深圳燃气的实际应用为例,展示模拟仿真技术对管网智能化再造的意义。

关键词: 燃气智能网 模拟仿真 平台化系统 生产调度 集成和优化

1.概述

我国的城市燃气经过几十年的快速发展,燃气企业正面临着从投资管理向精细化运营的变革期。同时,随着过去十余年用户数量的持续增长、管网规模不断附加扩张,以及政府和社会对公共系统能力和安全更高的要求,复杂的管网使城市燃气企业的生产运营工作也面临着越来越严峻的挑战。主要表现为:(1)燃气输配能力已达或已超过管网设计的能力;(2)现有的生产调度体系难以满足交付能力的需求;(3)气源多样性需要进一步提升气源应用管理能力;(4)工程收入的大幅减少促使企业更迫切需要合理地投资和降低运营成本;(5)随着行业技术规范《城镇燃气工程智能化技术规范》的发布,城市燃气智能网的建设需要更科学有序地进行。

为了提高企业的运营管理水平,各个燃气企业特别是大中型燃气公司都在向智能管网方向建设,过去十年已经逐步建立了地理信息系统(GIS)、数据采集与监视控制系统(SCADA)、客户信息系统(CIS)等各类信息化系统,并取得了一定的应用成果,相对于作业管理形成了完整的数据采集层。随着企业规模的扩大和对业务过程控制要求的提高,燃气企业的信息化建设系统和管理面临着一些新的问题,如:各个业务子系统相互独立,缺乏数据共享,流程彼此分割,不利于对异常、事故、作业等管理过程进行闭环跟踪和管理;企业与用户之间联系单一,缺乏互动;缺乏智能决策支持,不能有效利用积累的业务数据和知识,挖掘其中蕴含的规律和优化能力,为领导层提供决策辅助(1)。因此,为了进一步提升综合运营水平、提高客户满意度、增加经济效益、为下一步信息化建设提供前瞻性建议,对新一代智能管网建设技术的探讨显得尤为重要。

2. 城市燃气智能管网的概念和特点

智能燃气管网建设是燃气企业信息化发展的新阶段,它不是一个从头建设的新体系,而是在原有燃气管网和信息化系统基础上的提升,以数字化管道为基础,利用大数据、物联网、移动应用、智能控制等技术,监测整个燃气输配系统的综合状况,实现自我诊断,预测未来趋势,并针对自我诊断的结果,及时调整和修复输配管网。从感知、通讯、数据、调控、运营、决策层面,提升物理管网的运营管理水平,最终形成以数字管道为基础的规划建设、以风险预评价体系为基础的运行维护、以需求侧管理和工况调整为基础的智能化生产供应体系。在原有燃气企业的信息化基础上进行纵向应用深化以及横向业务关联,打破数据的孤立和流程的隔离。“可靠”和“智能”是城市智能燃气管网发展的基本要求。

智能管网的特征包括:更透彻的感知,更互联的通讯,更集成的数据,更精准的调控,更科学的运营,更智慧的决策(2)

1 城镇燃气工程智能化技术架构(3)

在技术上,它需要集成先进的硬件控制技术和IT软件技术,底层基于物联网架构,上层提供大数据计算和访问终端多样化,通过数据挖掘分析实现高级智能商业运作。如图1

在数据上,它需要全面集成管网设备的基础图档信息、地理位置信息、管网设备物理信息、实时工况运行信息等。

在业务范畴上,智能燃气管网涵盖燃气企业运营管理的方方面面:从上游气源到下游用户,从智能供气到智能调峰,从智能监控到智能巡检,从智能调度到智能决策,从用户发展到客户服务等。

3. 管网模拟仿真的重要性

管网模拟仿真,是通过真实系统(Real System)的模型进行实际系统(Actual System)的分析和处理,其目的在于了解真实系统在不同条件下的运行情况以及增加或删去一些条件后系统可能发生的变化。压力-流量模型是应用一个真实管道系统的复制系统来反映不同压力、负荷和不同布置方法之间的关系。压力-流量模型可用于评价实际系统中可能产生的不同运行条件,提供工况变化的诸多有价值的信息,为运行决策提供可靠依据,是管网设计、调度运行和管理工程师最重要的决策工具之一,是提高燃气管网系统的设计能力、日常调度操作效率及运行安全的科学辅助手段(4)。仿真模型所提供的信息不可能从其他途径获得,是智能燃气管网中的大脑计算核心部分,其独特的数据集成数学模型和智能水力运算分析功能,是实现城市智能燃气管网“可靠”和“智能”要求的技术保障,将引领燃气管网智能化的进一步建设。

4. 模拟仿真的智能化应用实例

4.1 集成平台化智慧信息系统

利用模拟仿真软件与GISSCADACIS等信息系统交互数据,将燃气管网数据(地理数据、档案数据、实时数据)统一集成在管网模拟仿真技术平台,建设方便数据存储和访问的共享数据中心,实现各信息系统的互通互联,为企业运营管理提供强大的数据支撑;搭建能够反映真实管网工况的数学模型,运行全管网的整体水力计算,通过稳态模拟和瞬态模拟仿真结果,优化管网运行和生产调度流程,提高企业应急处理能力,提升客户满意度。

同时,利用搭建的管网仿真模型对GISSCADACIS的数据进行校验,修正错误和缺失的数据,返回原来的IT信息系统,完善提升原系统数据的完整性、准确性,形成各系统之间数据的良性互动。

利用模拟仿真系统,将引领燃气IT系统从技术档案信息化、关键节点即时认知化向全管网资源整合的智能化提升转变;管网物理运行与商业运作两个环境整合连接,从而实现运营优化,从数据采集系统提升至智慧指令决策平台。如图2


2 平台化智慧信息系统

4.2 智能管网——优化水力平衡

中国城市燃气管网大部分运行已逾20年,设施老化,安全与质量难以保证。改造老旧管网及设施、改善泄漏输差、保障供气安全是重点问题,也期望进一步加强成本控制、提高输配效率。通过模拟仿真系统,对管网模型运行稳态分析,直观显示全管网的压力分布情况,迅速发现不足,找出输配瓶颈,模拟优化方案,平衡管网压力。

3 深圳燃气中压稳态模型低压片区改善方案

例如深圳市燃气管网盐田区存在小片低压区,用仿真软件找出了造成低压的关键输配瓶颈,并模拟了“改善瓶颈管道”或“新建连通管”两种优化方案,改善了低压区。如图3

4.3 智能应急——异常工况管理

安全和生产,是燃气行业最重要的两个话题,应急抢险作为燃气管网公司最为关注的一项业务,其水平的高低最能准确的反映燃气管网公司对这两项工作的重视程度。对于集团安全管理而言,是否能够快速高效地对应急抢险业务进行处置,体现着集团安全管理和调度运营水平。

仿真系统可以快速模拟各种事故工况和极端工况,分析事故工况的后果、明确事故影响的范围和程度、找出关键原因、模拟事故解决方案、评估管网的输配能力极限,为事故工况下的调配提供数据支持和解决思路。

以深圳燃气中压仿真模型为例,模拟东部盐田区唯一的中压气源罗芳调压站断供,结果整个盐田区压力普遍偏低,部分区域完全停供。模拟调整罗芳站附近的高中压调压站出口压力或开启应急气化站两种应急方案,都能应对断供影响,其中开启应急气化站方案效果更好,操作更可行,被择优选取。如图4


4 深圳燃气中压稳态模型罗芳调压站断供

4.4 智能调度——输配方案

城市燃气管网是一个密闭的动力系统,各节点的压力、流量及温度的变化直接影响整个输配系统的运行,由于供气量、用气量随时间的变化而变化,压缩机的启停,阀门的开关等因素,管网的运行过程实际处于不稳定状态,加上管网规模的扩大、构成的繁复,对输配系统的规律越来越难掌握,管网动态模拟数学模型的边界条件越来越复杂,仅凭经验和人工验算已不能满足复杂的运营要求。

对管道系统进行瞬态模拟仿真,对于天然气管网的优化设计、合理调度、可靠运行至关重要。同时,管道系统的运行状况又直接影响到天然气的产、供、销,因此,迫切需要找出管网参数之间的影响关系,结合燃气管网的边界条件对动态数学模型进行求解,模拟各种不同的运行工况,有利于掌握城市燃气输配系统的运行规律,指导输配系统的合理调度和优化运行。

以深圳燃气压仿真模型为例,模拟高压管线上的板澜阀室关闭工况,发现如果不对管网做调整,在现有条件下不能维持正常的运行。通过仿真系统的瞬态模拟,若想-次高关闭板澜阀室后维持电厂正常运行和城市用气,需要对三个气源进行统筹调度,各调压器的开闭、出口压力和流量亦需相应调整。如图5

5 深圳燃气高压瞬态模型板澜阀室关闭预案

由于要保证宝昌电厂7.4sm3/h的用气量,我们希望提气速率为8.6sm3/h的大鹏气全部反供高压管网,因此坪山和安托山的高压-次高压调压器必须关闭,且位于安托山门站至宝昌电厂管线上的留仙洞高-次高压调压站必须进行流量控制。如此一来,次高压的绝大部分流量将来自于求雨岭门站,次高压管网末端(罗芳)压力会明显降低,因此,求雨岭高-次高压调压站出口压力须提高,保障管网末端最低压力需求。其中,留仙洞限定的流量和求雨岭调压站的出口压力的合理数值通过设定边界条件的瞬态仿真模型求解得出。

此类涉及多气源多级压力管网、限定运行压力、流量要求的复杂调度方案,如若没有模拟仿真技术的智能协助,仅凭人力几乎不可能为之。

4.5 智能多气源管理

城市燃气往往是多气源供气,不同气源的燃气组分不同、价格不同。在实际操作过程中,城市燃气公司在销售价格统一的情况下更希望销售低价格的气源。应用模拟仿真系统,可模拟计算各气源最大化需求和释放能力,实现利润管理。

4.5.1交付压力保障方案

以深圳燃气高-次高压仿真模型为例,深圳燃气目前是双气源供气,一个气源接自西气东输二线,另一个气源接自大鹏的海气接受站。若高压管网上的电厂需要改制升级,用气量大幅上升,在现有条件下,即便求雨岭提气量达到最大限定值,电厂的压力值也达不到交付要求。模拟投产迭福门站,在保证尽可能少用较贵的求雨岭西二线气、多用较便宜的迭福大鹏气的前提下,依然可以轻松满足交付压力要求。如图6

6 深圳燃气高压瞬态模型远期规划交付压力保障方案

4.5.2 气质保障方案

近年来,城市燃气积极引进进口LNG、适度发展煤制天然气,作为天然气资源的补充,缓解国内天然气供求矛盾。多气源供应所导致的气体组分不规律波动,直接影响下游用户尤其是燃气电厂燃机运行的稳定性、燃烧效率、排放指标及运营经济性。如何合理地引进新气源,因地制宜地适应多气源,确保管网安全运行和广大用户的利益,成近期乃至“十三五”期间各大城市燃气企业兼顾的现实问题,同时也是调度人员需要实时跟踪、动态调整的调度难点。

以北京燃气大唐煤制气进京情况模拟结果为例,若所有电厂都启运,则太阳宫电厂和未来城电厂耗气量中大唐煤制气占64%,正东电子中占10%;若太阳宫电厂停运,其它电厂都启运,则未来城电厂耗气量中大唐煤制气占100%,正东电子中占51%。为了保障电厂气质,通过关断次渠高压B11号、六环路支线京承高速高压A1,开启太阳宫高压B2T(南湖渠与太阳宫电厂专线联通阀门)等措施使太阳宫和未来城从五环取气,结果所有电厂的进气都为陕京气源,不存在混气风险。如图7

7 北京燃气气质保障方案

4.6构建以仿真技术为核心的智能燃气网供应体系

调度控制环节是城市燃气智能网建设的关键一环,“十三五”期间,日趋复杂的供应格局对调度控制提出新的挑战,如何运用现有的调控业务软硬件资源保障体系,持续推进科技创新,打造先进调度控制技术体系,实现有效的调度指挥和统筹协调,是智能管网调度控制的发展目标,也是提升城市燃气调度领域核心竞争力的重要途径。

北京燃气为更好地掌握多气源、复杂工况的天然气管网调控技术,在继续发挥管网调度控制技术优势的同时,坚持全面、客观分析调度发展瓶颈。自2013年起开始逐步开展调压站远程调控系统的研究、功能开发和建设工作,截至2016年底,已完成5座高A站、6座高B站、1座次高压A站远程调控系统的安装调试和运行工作,明确远程调压站SCADA监控系统的上位建站原则,探索出相关参数调节方法。“十三五”期间,计划在六环高A站(箱)、五环高B站(箱)全部安装远程调压装置;同时,为确保远程调压装置投产后的调度管理,已启动研究调度与操作决策优化、管道运行操作控制逻辑标准系列化等几个方面的创新研究,依托模拟仿真技术,未来可自动生成各级调压站流量/压力运行曲线,合理调配管网负荷和压力;还能够针对燃气管网的紧急事故状况,生成合理的应急方案供调度人员参考决策等,努力实现次高以上全面远控、智能调控。如图8

8 智能调控系统控制逻辑

5. 结语

经过多年的积累,城市燃气管网输配运营模式及信息应用程序已有一定基础条件,以智能燃气网为目标的系统提升,关键在于捋顺信息流程,明确如何利用先进的应用程序来支持燃气产业链中各环节运营商的决策。当所研究的管网系统造价昂贵、实验的危险性较大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时,管网模拟仿真是一种特别有效的技术手段。

从模拟仿真系统的应用实例可以看出:燃气管网模拟仿真是利用软件对管道系统的特性进行描述的一种手段,可与现有各种IT信息系统无缝对接,交互数据,自动地将系统的压力、流量、管存与管线的流动特性、压气站特性、城市配气特性以及气体的市场供应情况联系起来。在设计阶段可以用做方案比较和优化设计;在生产过程可以在不影响实际生产的条件下分析系统的工作状况,用来制定优化运行方案,预测事故,以提供调度在线运行决策。

城市智能管网建设是一个先进的理念,国外大部分燃气公司也在朝这个方向努力。目前,管网模拟仿真系统已成为一种必需品,仿真模型越精确,运营计划就越准确、越具有前瞻性,越能帮助燃气公司在行业竞争中抢占先机。在模拟仿真系统的帮助下,目前的数据采集感知层建设将变得更有意义,管网智能化建设将进一步深化:集成管网信息和运营服务等信息孤岛,建立能够反映实际工况的数学模型,运行稳态、瞬态等水力计算引擎,对整个管网进行大数据分析,以实时快速的方式,更加精细、动态的模式对整个燃气系统的管理、运营和服务流程进行数字化管理和优化。智能管网建设工作必能迈上一个新台阶,以更加科学先进的模式继续为客户提供更安全、更可靠、更经济的天然气。

 

参考文献

[1] 支晓晔,高顺利,杜学平,刘蓉,罗青云. 智能管网技术改造方案研究. 城市燃气, 2013, 94-9.

[2] 高顺利,刘蓉,刘燕,杜学平,刘靖. 基于云计算的城市智能燃气网架构. 煤气与热力, 2012, 3211.

[3] CJJ/T268《城镇燃气工程智能化技术规范》.

[4] 李猷嘉. 燃气输配系统的设计与实践. 中国建筑工业出版社, 2007.

作者简介:曹北斗(1969- ),男,硕士,深圳市爱路恩济能源技术有限公司董事总经理,主要从事城市燃气运营管理工作。

工作单位:深圳市爱路恩济能源技术有限公司

单位地址:广东省深圳市南山区科技园南区滨海大道软件产业基地4栋裙楼404

邮编:518000

邮箱:cbd@ilng.cc



复制以下链接,在公司网站上查看论文全部

http://www.ilng.cc/content.php?id=203

 

公司名称:深圳市爱路恩济能源技术有限公司

公司地址:广东省深圳市南山区科技园南区滨海大道软件产业基地4栋裙楼404

邮编:518000

咨询邮箱:synergi@ilng.cc

公司网址:www.ilng.cc