燃气管网供气平衡及智能调度系统的应用

上海市北燃气销售有限公司 方淑芬

围绕着服务于燃气输配管理的主旨，诞生了很多应用于燃气输配管网安全运行管理的系统，如燃气预警系统、SCADA、GIS(地理信息系统)及燃气管网巡检等系统，包括输配系统压力监测管理、日常巡检监管、应急抢修管理等方面。这些系统的应用显著提升了管网实际运营管理水平，燃气公司输配管理逐步摆脱了经验管理和事后管理的模式，转化成事前主动预防管控。近年来伴随着人工智能理念的逐步渗透，“智能管网” “智能调度”顺势而生，相应地对燃气管网的规划、运行和管理又提出了更高的要求。

市北燃气公司辖区现有的高中低压燃气管道已超过8 700 km，各压力级制调压器3 500余座。管网正常运行是保障燃气供应的关键，而压力和流量数据则是燃气管网正常运行的直观体现。目前公司系统数据显示暂时主要是单个压力级制调压器处燃气的压力和部分流量，数据分析基本也只是简单的统计和计算，从燃气管理者的角度较难对整个或局部区域燃气管网的运行状况有一个整体、直观的把控。因此，立足于目前燃气管网现状，结合管网运行的需求，采用互联网与大数据分析技术，进一步挖掘系统采集到的大量数据的价值，探索制作一套城市燃气管网供气平衡及智能调度系统，辅助燃气规划和输配运行，协调管网运行、压力动态平衡和优化管网运行状态是十分必要的。

1 系统功能基本要求

燃气管网供气平衡及智能调度系统需具备以下功能：

(1)基本设备查询和浏览功能。

(2)根据管网流量变化分析预测管网的压力变化，指导管网规划布局。

(3)实时显示流量的分布以及燃气的流向，分析管网的供气平衡状态。

(4)实时显示压力，并具有预测未来一周压力值的功能，用以指导管网运行。

2 系统模型构建

市北燃气公司宝钱路调压站和永盛路调压站管网相对比较独立，且压力和流量数据相对完整，因此选取这2个调压站供气源的周边高中压供气管道作为研究对象。燃气管网供气平衡及智能调度系统主要建立在压力-流量模型和压力预测模型的基础上，通过对历史大数据的梳理和分析，结合输配运行实际情况，再直观展现管网运行状态，并根据运行需要自主设定以了不同颜色区分的管网运行压力范围和压降区间。

2.1 压力-流量模型

压力-流量模型根据调压站处的压力和流量结合遗传算法计算出每根管道各节点处的压力和流量情况，前提是假设管道内气体满足稳态工况基本流量公式，整个管网满足流量守恒定律：调压站输出流量等于各用户使用流量的总和；各节点输入流量等于该节点输出的流量总和。

通过遗传算法，根据基本流量公式，运用评价函数f(x)等于各使用流量的总和减去输出流量，将管道各个节点的压力p和各分用户的使用流量F使用关联起来。

f(x)评价函数=∑F使用-F输出

由于研究对象是高中压管网，因此p的随机范围选取p调压站为240 kPa。使用评价函数评估每代种群的适应度，选择适应度高的个体，即将评价函数f(x)接近 0的个体进行保留，对其中部分增大评价函数的节点p重新取值。通过比较总流量误差最小的节点压力分布情况，找出压力误差较大的个别节点，修改压力或直接替换为其他情况下该节点流量误差较小时的压力(即遗传算法中的交叉变异)，从而进化出新的压力分布情况作为种群，在满足评价函数的基础上，进行选择、进化、不断迭代，最终寻找到满足实际情况的最优解，完成搭建。

导入宝钱和永盛区域的管道信息到遗传算法系统，包含管道材质、管道直径、管道长度、管道坐标(连接情况)等进行迭代训练。系统训练效果如图1所示。可以得出，随着系统训练迭代代数的增加，流量误差不断降低收敛，与真实值的差距逐步趋向于0，说明系统可靠性高。

图1 系统训练效果

2.2 压力预测模型

数学计算系统LSTM擅长处理和时间序列相关的序列数据，通过对历史数据的分析，寻找到数据之间的相关性，从而预测未来数据。具体使用时，结合具体调压器连续7日的压力、温度、天气等数据对神经网络进行训练，用历史数据进行修正，调整中间LSTM的层数和每层的神经元数目，得到未来一周管网压力的预测数据，然后用下一周的数据进行验证。图2是编号G-18913调压器连续7日进口压力p预测值与真实值的对比，决定系数R2均大于0.9，说明拟合度高，预测出的数据可信度高。

图2 G-18913调压器进口压力预测值与真实值的对比

3 系统应用实例

3.1 查询和浏览功能

燃气管网供气平衡及智能调度系统结合公司原有的GIS系统数据，利用系统提供的查询和浏览功能，通过菜单栏展示或隐藏对应的设备图层，如高中压供气管道、调压站、高中压管线等。同时，系统具有属性查询功能、自动定位和测距功能；可查询选定管道或某个点的具体属性，如管道气体压力、燃气类型、口径、壁厚、管道长度、风险等级等，从而更好地为管网规划和输配运行服务。

3.2 指导管网规划布局

公司现行新建住宅小区及单位燃气配套工程的征询意见、管道预排立项申请审批工作，主要根据该用气点压力及流量需求，考虑周边调压器进口压力及该区域燃气管网的运行状态，保留一定的冗余量设计安排气源接入点，但耗时较长。使用燃气管网供气平衡及智能调度系统可便捷的处理此类情况。为直观展示，系统中以不同颜色区分管道的压力降，压力降从高到低依次以红、黄、绿表示供应紧张、一般和充裕3种状态，管道欠压则以灰色表示。具体红、黄、绿阈值可根据需要设定。该系统可用于以下工作：

(1)在新用户发展或者老用户扩容审核过程中，通过输入相应数值，便可得知原有管道结构是否具备为其供应的能力。操作人员可根据颜色直观判断该管道运行情况，黄色或绿色可知该管网压力满足需求，红色部分应引起关注。

(2)对区域局部管网进行管道连通、扩径，甚至删减等管网优化提供决策参考。以解决欠压进行管道连通为例：模拟管道压力不足(含紧张)时，系统可从任意指定点添加管道至该用气管道，并同时显示添加管道后的压力分布和压降情况，在满足管道运行负荷的前提下，可结合管道长度、口径、施工的便捷性等因素综合考虑经济性最优的方案。

3.3 实时显示流量及流向

系统具有实时显示燃气流量分布、燃气流量及压力平衡点的功能，可以用来分析管网的供气平衡状态。上述功能可用于以下具体工作：

(1)指导规划实施，进而优化调压站负荷率。由于管网结构、用气点分布及需求的不均衡，2个气源点的流量负荷可能存在差异，这样的差异可能导致2个调压站的流量出现不均衡现象。若某1个调压站出现负荷率过大，对设备本体造成损耗过大，这种情况下规划及调整部分管网结构时可通过分析气体流向、流量分布，结合平衡点的位置，在保障供应的前提下，调整管网结构，优化气源点的流量分布和流向，进而实现调整负荷率的效果。

(2)为应急管理提供支撑。可根据平衡点分布、气体流向和平衡点的位置制定系列保障供应的应急预案，提高应急应对的能力。如2个调压站在实际供应状态中存在冗余不足的问题，那么在运行过程中，运维单位可通过压力平衡点了解2个气源大致供应的范围，以便于在突发情况下做出合理的应急措施。此外，在正常供应状态下，如2个气源负责的区域承担比例为 2:1；异常工况情况下，运维单位可以根据平衡点或者平衡地带，为了确保某 1个气源点下游供应稳定，利用阀门启闭操作对管网进行临时分割。这样不会因为某个气源故障停止运行，导致另一个气源点供应能力无法满足，最终导致全区域运行脱压，产生更为恶劣的供应事故。

3.4 实时显示压力及一周预测

系统具有实时显示压力的功能，以等高线的形式将该区域压力分布情况进行展示，方便管理者和操作者直观掌握该区域的整体供应情况。

此外系统具有压力预测功能，显示选定区域或管线未来一周的预测数据，使用时可直观地观测到选定区域的整体压力分布情况，并提前预知未来一周的压力情况，以便做好相应的应对措施，为输配运行管理提供参考。

4 结语

运用燃气管网供气平衡及智能调度系统，能为燃气公司提供实时压力流量数据，可弥补当下流量测量数据的不足。同时，系统具有管道和流量调整的模拟计算，实时显示流量和燃气流向、预测未来一周压力的功能，以及燃气平衡点的功能，可协助调整优化管网的供气平衡状态，提前掌握未来压力的变化趋势，即对将出现的异常情况做好相应的应对措施，为整体规划和管网布局提供建设性建议。