CN111428320B - 一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法，对管网***中的站场、站外连接点以及管道，分别建立仿真模型，以连接点连接站场和管道以及管道和管道；具体为：首先建立连接点动态仿真模型和站场动态仿真模型；其次将所有管道进行空间离散，得到均匀分布的管道内部节点；再次对每一个节点建立左行线、右行线以及热力线，得到管道动态仿真模型；最后以连接点连接各仿真模型；各仿真模型并行计算站场、连接点和管道，直至仿真结束；本发明方法同时并行分析站场和连接点，然后并行分析管道，不仅可以用于多线程，也可以用于多进程以及GPU技术，甚至是计算机集群实现并行计算，充分利用计算及硬件资源，提高仿真模拟计算速度。
Description
技术领域
本发明涉及管网***动态和在线仿真技术领域，具体涉及一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法。
背景技术
动态和在线仿真是管网***规划设计、经济评价、运营管理的有效手段。目前，管网***的迅猛发展，***规模日益大型化和复杂化，管网仿真模型拓扑也日趋庞大、复杂，仿真计算耗时也日益增加，人们日益迫切的需要快速的计算方法。因此，采用精确的理论模型，最大程度的还原实际管网***实际流动过程，达到精确仿真的计算效果，并实现快速精确的动态和在线仿真模拟具有重要的工程意义。
管网动态仿真可采用的数值算法众多，通常采用显示、隐式、特征线、伽辽金及积分变换等方法来分析，特征线法与隐式法相比，具有物理概念明确、数学分析严谨、稳定性好、计算速度快、计算精度高等优点，且当管网规模越大时，该方法计算速度上的优越性也就越明显。
对于管网仿真并行计算技术最近几年才有所发展，拆分式节点压力法和“分而治之”思想的高效求解方法，并未研究如何充分利用计算机资源，实现多线程并行计算。通过改进连接点管道的流量分配方式以及管道动态仿真模型实现并行计算的方法修改了流量的分配方式，并且不能处理不同管径的管网***。因此，目前对于管网***动态和在线仿真的并行计算技术研究并不充分。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法，在管网仿真技术的基础上，提出了基于特征线法的管网***动态和在线仿真并行计算方法，首先同时分析计算站场和连接点的流动参数，再分析计算管道的流动参数的并行计算方案，从充分利用计算机硬件资源角度提高管网***动态仿真计算速度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法，对管网***中的站场、站外连接点以及管道，分别建立仿真模型，以连接点连接站场和管道以及管道和管道；具体为：首先建立连接点动态仿真模型和站场动态仿真模型；其次将所有管道进行空间离散，得到均匀分布的管道内部节点；再次对每一个节点建立左行线、右行线以及热力线，得到管道动态仿真模型；最后以连接点连接各仿真模型；
所述的站场动态仿真模型、连接点动态仿真模型、管道动态仿真模型三种模型，每个模型都能够进行并行计算；无需等待和通信，直接领取新的任务，直到站场和连接点计算完成；在所有的连接点和站场的核心计算完成后，进行管道核心计算；所述的管道动态仿真模型中内部节点的核心计算也相互独立，在计算管道时，并行计算管道内部节点。
所述的连接点动态仿真模型用于连接两个设备，连接点的状态空间为{P,T,mi,mj}，有i+j+2个元素，连接点动态仿真模型包括有节点质量守恒方程和节点与管道相连的特征线方程，组成节点模型的方程有i+2个，若该节点连接的设备均为管道，则该节点的方程组封闭，故可以独立求解，不受其他节点的影响；否则需要与其他设备方程进一步联立求解；
式中：
mi为与该节点相连管道的流量；
mj为与该节点相连的设备的流量；
P为该连接点的压力；
T为该连接点的温度；
j为第j个设备；
i为第i个管道。
所述的站场动态仿真模型用于描述真实管道站场，站场内包含气源、用户、阀门、压缩机等设备以及站内连接点，站场的特征空间为{x1,x2,…,xi,y1,y2,…,yj}，站场模型中包含了连接点模型和设备模型，结合站内设备的控制方程，方程组封闭，即站场模型可以独立求解：
式中：
Xi为第i个连接点的状态空间；
Yj为第j个设备的状态空间；
Fi为第i个连接点的仿真模型；
Gj为第j个设备的仿真模型；
站场内的设备仿真模型有用户、气源仿真模型，压缩仿真模型、泵仿真模型以及阀门仿真模型，设备统一仿真模型如下式所示：
G(y)＝0
式中：
y为设备的特征空间；
G为设备的仿真模型；
结合设备统一仿真模型公式，以及与该设备相连接的连接点动态仿真模型方程，方程组封闭，可独立求解：
Q-C＝0
式中：
Q为控制参数；
C为常数。
所述的管道动态仿真模型，根据特征线算法，如下式所示，有3个方程组成，而每一个内部节点的状态空间为{P,T,m}，也有3个元素，故管道内部节点的方程组封闭，也可以独立求解：
fi(P,T,m)＝0
式中：
P为节点的压力；
T为节点的压力；
m为节点的质量流量；
fi为节点处的左行线、右行线以及热力线，i取1，2，3。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
对于管网***中的站场、连接点、管道以及设备模型，没有出流动上的限制，最大程度上的保证的仿真模型与实际元件的接近程度；
对于管网***结构没有限制，该方法适用于单根管道、支装管网、环状管网以及复杂管网***；
对于管网***没有流体的限制，该方法适用于气体管网***和液体管网***；
对于站内流程也没有限制，该方法适用于简单的站内流程，也适用于复杂站内流程；
对于管网***中的站场、连接点以及管道模型，不仅可以用多线程实现并行计算，也可以应用于多进程，以及GPU技术，甚至是计算机集群实现并行计算，充分利用计算及硬件资源，提高仿真模拟计算速度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明连接点连接各仿真模型的管网示意图。
图3为本发明管道动态仿真模型内部节点动态和在线仿真并行计算方案图。
图4为本发明站场动态仿真模型在线仿真并行计算方法站内流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法，对管网***中的站场、站外连接点以及管道，分别建立模型，以连接点连接站场和管道以及管道和管道；具体为：首先建立连接点动态仿真模型和站场动态仿真模型；其次将所有管道进行空间离散，得到均匀分布的管道内部节点，对管网***元件赋初始值，该初始值可以由静态仿真得到或者在线仿真得到；再次并行计算管网***中的站场以及站外连接点，然后并行计算管道，直至运行结束。
所述的站场动态仿真模型、连接点动态仿真模型、管道动态仿真模型三种模型，每个模型都能够进行并行计算；无需等待和通信，直接领取新的任务，直到站场和连接点计算完成；在所有的连接点和站场的核心计算完成后，进行管道核心计算；所述的管道动态仿真模型中内部节点的核心计算也相互独立，在计算管道时，并行计算管道内部连接点。
所述的连接点动态仿真模型用于连接两个设备，如图2所示，节点的状态空间为{P,T,mi,mj}，有i+j+2个元素，连接点动态仿真模型包括有节点质量守恒方程和节点与管道相连的特征线方程，组成节点模型的方程有i+2个，若该节点连接的设备均为管道，则该节点的方程组封闭，故可以独立求解，不受其他节点的影响；否则需要与其他设备方程进一步联立求解；
式中：
mi为与该节点相连管道端的流量；
mj为与该节点相连的设备的流量；
P为该连接点的压力；
T为该连接点的温度；
j为第j个设备；
i为第i个管道。
所述的站场动态仿真模型用于描述真实管道站场，站场内包含气源、用户、阀门、压缩机等设备以及站内连接点，如图4所示。站场的特征空间为{x1,x2,…,xi,y1,y2,…,yj}，站场模型中包含了连接点模型和设备模型，结合站内设备的控制方程，方程组封闭，即站场模型可以独立求解：
式中：
Xi为第i个连接点的状态空间；
Yj为第j个设备的状态空间；
Fi为第i个连接点的仿真模型；
Gj为第j个设备的仿真模型；
站场内常用的设备仿真模型有用户、气源仿真模型，压缩仿真模型、泵仿真模型以及阀门仿真模型，设备统一仿真模型如下式所示：
G(y)＝0
式中：
y为设备的特征空间；
G为设备的仿真模型。
结合设备统一仿真模型公式，以及与该设备相连的连接点动态仿真模型方程，方程组封闭，可独立求解：
Q-C＝0
式中：
Q为控制参数；
C为常数。
如图3所示，所述的管道动态仿真模型，根据特征线算法，如下式所示，有3个方程组成，而每一个内部节点的状态空间为{P,T,m}，也有3个元素，故管道内部节点的方程组封闭，也可以独立求解：
fi(P,T,m)＝0
式中：
P为节点的压力；
T为节点的压力；
m为节点的质量流量；
fi为节点处的左行线、右行线以及热力线，i取1，2，3。
由上式可知：
站外连接点仿真模型，与其他连接点方程无关，方程组独立；
管道内部节点仿真模型，与其他设备元件方程无关，方程组独立；
站场仿真模型，与站外设备元件无关，方程组独立。
Claims (4)
1.一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法，其特征在于，对管网***中的站场、站外连接点以及管道，分别建立仿真模型，以连接点连接站场和管道以及管道和管道；具体为：首先建立连接点动态仿真模型和站场动态仿真模型；其次将所有管道进行空间离散，得到均匀分布的管道内部节点；再次对每一个节点建立左行线、右行线以及热力线，得到管道动态仿真模型；最后以连接点连接各仿真模型；
所述的站场动态仿真模型、连接点动态仿真模型、管道动态仿真模型三种模型，每个模型都能够进行并行计算；无需等待和通信，直接领取新的任务，直到站场和连接点计算完成；在所有的连接点和站场的核心计算完成后，进行管道核心计算；所述的管道动态仿真模型中内部节点的核心计算也相互独立，在计算管道时，并行计算管道内部节点。
2.根据权利要求1所述的一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法，其特征在于，所述的连接点动态仿真模型用于连接两个设备，连接点的状态空间为{P,T,mi,mj}，有i+j+2个元素，连接点动态仿真模型包括有节点质量守恒方程和节点与管道相连的特征线方程，组成节点模型的方程有i+2个，若该节点连接的设备均为管道，则该节点的方程组封闭，故可以独立求解，不受其他节点的影响；否则需要与其他设备方程进一步联立求解；
式中：
mi为与该节点相连管道的流量；
mj为与该节点相连的设备的流量；
P为该连接点的压力；
T为该连接点的温度；
j为第j个设备；
i为第i个管道。
3.根据权利要求1所述的一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法，其特征在于，所述的站场动态仿真模型用于描述真实管道站场，站场内包含气源、用户、阀门、压缩机等设备以及站内连接点，站场的特征空间为{x1,x2,…,xi,y1,y2,…,yj}，站场模型中包含了连接点模型和设备模型，结合站内设备的控制方程，方程组封闭，即站场模型可以独立求解：
式中：
Xi为第i个连接点的状态空间；
Yj为第j个设备的状态空间；
Fi为第i个连接点的仿真模型；
Gj为第j个设备的仿真模型；
站场内的设备仿真模型有用户、气源仿真模型，压缩仿真模型、泵仿真模型以及阀门仿真模型，设备统一仿真模型如下式所示；
G(y)＝0
式中：
y为设备的特征空间；
G为设备的仿真模型；
结合设备统一仿真模型公式，以及与该设备相连接的连接点动态仿真模型方程，方程组封闭，可独立求解：
Q-C＝0
式中：
Q为控制参数；
C为常数。
4.根据权利要求1所述的一种用于并行计算的管网***动态和在线仿真建模方法，其特征在于，所述的管道动态仿真模型，根据特征线算法，如下式所示，有3个方程组成，而每一个内部节点的状态空间为{P,T,m}，也有3个元素，故管道内部节点的方程组封闭，也可以独立求解：
fi(P,T,m)＝0
式中：
P为节点的压力；
T为节点的压力；
m为节点的质量流量；
fi为节点处的左行线、右行线以及热力线，i取1，2，3。
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| CN106844814A (zh) * | 2016-09-30 | 2017-06-13 | 西安石油大学 | 一种大型复杂天然气管网***泄漏检测方法 |
| CN109344436A (zh) * | 2018-08-28 | 2019-02-15 | 中国石油化工股份有限公司天然气分公司 | 一种大型复杂天然气管网***在线仿真方法 |
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