[发明专利]工业气体管道网络中满足生产设备能耗限制的控制系统

说明书

控制气体管道网络中的气体流量，其中每个管段内的气体流动与方向(正或负)相关联。处理器计算气体生产设备的最小和最大生产率(界限)用以满足一段时间内的能耗限制。生产率界限用于计算每个管段的最小和最大标记流速(边界)。非线性压降关系被线性化以便为每个管段创建线性压降模型。使用线性压降模型来计算网络流量解，该线性压降模型包括每个管段的流速用以满足需求约束和在该时间段期间多个网络节点中每个的压力用以满足压力约束。网络流量解与用于控制一个或多个控制元件的控制元件设定值相关联。

相关申请交叉引用

本申请是2017年4月18日提交的美国专利申请第15/490,308号(现为美国专利US8080929 B2)的部分继续申请并要求其优先权，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及用于气体生产、输送和分配的工业气体管道网络控制。

背景技术

天然气管道网络具有巨大的经济重要性。截至2016年9月，全球共有天然气管道270多万公里，氢气管道4500多公里。在2015年的美国，管道网络交付的天然气占全国主要能源消费总量的29％。由于全球天然气管道的重要性，已经尝试开发计算天然气管道网络网络流量解的方法。有些方法需要事先规定每个管段的流向。这种方法具有降低优化问题复杂性的优点。但是，不允许流量反转严重限制了实际应用。还有其他方法将解制定为混合整数线性程序。然而，构造高效的混合整数线性规划公式是一项重要的工作，因为某些属性会显著降低求解器的有效性。

发明内容

本发明涉及一种用于控制工业气体管道网络中气体流动的系统和方法以满足工业气体生产设备的能耗限制。一种气体管道网络包括至少一个气体生产设备、至少一个客户的气体接收设备、多个管段、多个网络节点以及多个控制元件。多个管段中的每个内的气体流动与方向相关联。方向与正号或负号相关联。该系统包括一个或多个控制器和一个或多个处理器。处理器被配置为计算气体生产设备处的最小生产率和最大生产率以满足一段时间内对能耗的约束。最小生产率和最大生产率包括设备生产率的界限。设备生产率的界限被用来计算每个管段的最小标记流速和最大标记流速。最小标记流速和最大标记流速构成了每个管段的流量范围。流量界限内的多个管段中的每一个的非线性压降关系被线性化用以为多个管段中的每一个创建线性压降模型。使用线性压降模型计算网络流量解。网络流量解包括多个管段中的每一个的流速以满足需求约束和在该段时间内多个网络节点中的每一个的压力以满足压力约束。网络流量解与控制元件设定值相关联。系统中的至少一个控制器接收描述控制元件设定值的数据，并使用描述控制元件设定值的数据来控制多个控制元件中的至少一些。

在一些实施方案中，使用将能耗与工业气体生产相关联的线性模型来计算工业气体生产设备处的最小生产率和最大生产率以满足在一段时间内对能耗的约束。在某些实施方案中，使用传递函数模型来开发线性模型。

在一些实施方案中，在计算网络流量解时考虑在一段时间内在工业气体生产设备上的爬升约束。

在一些实施方案中，最小标记流速和最大标记流速通过以下被计算：使用多个管段中的至少一个平分表示气体管道网络的无向图用以创建左子图和右子图；通过从左子图中每个气体生产设备的最小生产率的总和中减去左子图中的每个气体接收设施的需求率的总和来计算左子图中的最小不足量；通过从右子图中的每个气体接收设施的需求率的总和中减去右子图中每个气体生产设备的最大生产率的总和来计算右子图中的最小未满足需求量；计算至少一个管段的最小标记流速作为左子图中最小不足量和右子图中最小未满足需求量的最大值；通过从左子图中每个气体生产设备的最高生产率的总和中减去左子图中的每个气体接收设施的需求率的总和来计算左子图中的最大过供应量；通过从右子图中的每个气体接收设施的需求率之和中减去右子图中的每个气体生产设备的最小生产率之和来计算右子图中的最大未满足需求量；并计算至少一个管段的最大标记流速作为左子图中最大的过供应量和右子图中最大的未满足需求量的最小值。