一种考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化方法

本发明涉及天然气管网掺氢策略优化领域，具体涉及一种考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化方法。

背景技术：

1、随着全球能源结构的转型，氢能作为一种清洁能源日益受到重视。天然气管网因其广泛的覆盖和成熟的技术，成为了实现氢能输送的重要途径。在天然气管网中掺入氢气，既能利用现有能源基础设施，又促进了氢能的应用与发展。然而，氢气与天然气的物理特性差异，尤其是在密度和燃烧特性上的不同，给天然气管网的运营管理带来了新的挑战。

2、掺氢操作不仅影响管网内的流体动力学特性，还会对管网的压力分布产生显著影响。尤其是当管网覆盖范围广泛、输送距离长、涉及多种压力和流量需求时，如何优化掺氢策略以实现气体的高效、安全输送成为一个复杂且关键的问题。此外，随着氢能市场的发展，对于掺氢比例以及管网运行策略的要求也越来越高，这进一步增加了系统的操作复杂性。

3、在天然气和氢气的混输过程中，管网的压降现象尤为关键，它直接影响到输气的效率和成本。考虑到氢气的高扩散性和低密度特性，掺氢对于管网内流态和压力分布的影响不可忽视。因此，开发一种考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化方法，不仅对于提升管网的输送效率和经济性具有重要意义，也是实现氢能和天然气协同发展的关键技术路径。

4、从现有的研究和应用实践来看，如何综合考虑管网的物理特性、气体的流动特性以及掺氢对管网稳定性的影响，进而优化掺氢策略和比例，是目前面临的主要技术挑战之一。此外，随着天然气管网运营环境的不断变化，如何灵活调整掺氢策略以适应这些变化，也是实现高效掺氢的关键。

5、因此，开展考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化研究，对于促进氢能与天然气的融合利用，实现能源系统的低碳转型具有重要的实践意义和长远的发展前景。该方法通过综合考虑管网稳定性和气体输送的动态性，为掺氢策略的优化提供了一种新的技术路径，有助于提升天然气管网的输送效率，降低运营成本，同时为氢能的安全、高效输送提供技术支撑，为国家的能源安全和环境保护做出贡献。

技术实现思路

1、针对天然气管网不同位置进行掺氢操作时，管网节点热值与压降变化难以确定的问题，本发明提供的方法基于管网稳定性角度，提出一种考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化方法，本方法能够从管网安全与经济性的角度优化管网掺氢策略，帮助天然气管网系统实现安全、稳定、高效运行。

2、本发明提供了一种考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化方法，所述方法包括：

3、s1：获取目标天然气管网基础数据；

4、s2：构建考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化模型目标函数；

5、s3：生成考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化模型约束条件并建立优化模型；

6、s4：采用改进哈里斯鹰算法求解考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化模型，得到天然气管网最优掺氢策略。

7、进一步的，步骤s1所述的基础数据包括节点需求数据、气源基础数据、储气库参数、管网拓扑结构参数；

8、所述的节点需求数据包括节点流量需求与节点热值需求，气源基础数据包括气源供气价格，气源供气压力，气源供气流量上限与下限，储气库参数包括储气库最大注采气速率，注气与采气流量上限，管网拓扑结构参数包括管道管长与管道内径。

9、进一步的，步骤s2中所述的目标函数为管网各节点相对压力变化的总和，约束关系式为：

10、

11、式中，f为管网各节点相对压力变化的总和；pi,t,m为t时刻m掺氢策略下节点i的压力；p0为不掺氢情况下节点i的压力；

12、进一步的，步骤s3中所述的约束条件包括：运行成本约束、组分跟踪模型约束、气体状态方程约束、需求节点热值约束、需求节点组分约束、节点流量平衡约束、管道流量约束、节点压力约束、气源流量约束、储气库注采约束、压缩机运行约束；

13、所述的运行成本约束规定掺氢后天然气管网的运行成本应保持不变，由气源购气成本和储气库注采成本组成，约束关系式为：

14、cm-c0＝0

15、

16、所述的组分跟踪模型约束规定上游管道天然气中某一组分的质量与下游管道相等，约束关系式为：

17、

18、bwrs方程包含了计算轻烃组分的系数，可用于热力学性质计算和气液平衡计算，具有较高的准确度，选用该状态方程计算天然气的压缩因，所述的气体状态方程约束关系式为

19、

20、不同用户对天然气的热值要求不同，掺氢前后的天然气应满足用户的最低热值约束，所述的需求节点热值约束关系式为

21、hi,m-hi,0≥0

22、天然气掺氢后下游用户将接收到一定体积分数的氢气，以天然气为生产原料的用户对气体组分有一定的限制，这里主要以氢气组分为例，所述的需求节点组分约束关系式为

23、φi,m(h2)-φi,0(h2)≥0

24、所述的节点流量平衡约束规定流入节点i的体积流量与流出节点i的体积流量相等，约束关系式为：

25、

26、

27、气体管道流量取决于管道两端的节点气压和管道因素，这些影响因素由管道常数表示。管道流量约束可以用来描述管道中气体的稳态流动，压力和气体流量之间的关系，所述的管道流量约束关系式为

28、

29、天然气管网节点的压力应满足压力限制，所述的节点压力约束关系式为

30、

31、气源的供气流量必须在一个安全范围内，所述的气源流量约束关系式为

32、

33、储气库的工艺流程包括注气工艺和采气工艺，在同一时间，二者只能选择其一，此外，储气库库容不能超过储气库容量限制，储气库注采气速率应处于安全范围内，所述的储气库注采约束关系式为

34、

35、at·bt＝0

36、

37、

38、所述的压缩机运行约束关系式为

39、

40、

41、进一步的，步骤s4中所述的改进哈里斯鹰算法求解步骤包括：

42、s401：引入tent混沌映射策略对目标天然气管网的运行成本、气源供气量、管网节点压力、管网节点氢气体积分数、管网节点热值、储气库注采流量以及掺氢点掺氢比例进行初始化，形成哈里斯鹰种群n，设定最大迭代次数imax；

43、s402：根据模型目标函数计算每个个体的适应度值，选择最优个体，确定猎物位置和对应的适应度函数值；

44、s403：引入随机收指数函数对猎物逃逸能量e进行随机调整，逃逸能量e计算公式为：

45、

46、s404：若|e|≥1，算法进入搜索阶段进行位置更新，对搜索产生的最优解xbest进行柯西变异更新；

47、搜索策略：

48、柯西变异更新：x′best＝xbest+xbest×cauchy(0,1)

49、s405：若|e|＜1，算法进入开发阶段，若r≥0.5且|e|≥0.5时，采用软围攻策略进行位置更新；若r≥0.5且|e|＜0.5时，采用硬围攻策略进行位置更新；若r＜0.5且|e|≥0.5时，采用俯冲式软围攻策略进行位置更新；若r＜0.5且|e|＜0.5时，采用俯冲式软围攻策略进行位置更新；

50、软围攻：

51、硬围攻：x(t+1)＝xrabbit(t)-e|δx(t)

52、俯冲式软围攻：

53、俯冲式硬围攻：

54、s406：位置更新完成后，计算个体适应度值，得到猎物位置；若得到的猎物适应度值更好，则更新猎物位置和适应度值；

55、s407：判断算法迭代次数i是否大于最大迭代次数imax，若是，则终止算法，输出最优解；若否，则跳转至s402。

56、进一步的，步骤s4中所述的天然气管网掺氢策略方案包括系统运行成本、气源供气量、管网节点压力、管网节点氢气体积分数、管网节点热值、储气库注采流量。

57、本说明书提供的一种考虑管网稳定性的天然气管网掺氢策略优化方法，基于管网稳定性的角度，综合考虑管网掺氢后节点组分与热值变化等实际工程因素，通过建立并求解天然气管网掺氢策略优化模型得到兼顾安全性和经济性的掺氢策略方案，为天然气管网掺氢策略选择工作提供指导意义；同时，该模型可求解得到氢供应波动与气源衰减场景下的管网掺氢策略方案。