[論文レビュー] Pressure Fluctuations in Natural Gas Networks caused by Gas-Electric Coupling

Misha Chertkov, Michael W. Fisher+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、風力発電のバランスをとるためのガス火力発電所に起因する変動するガス消費の影響による天然ガスネットワーク内の圧力変動リスクを評価する線形化された確率的モデルを提案する。ガス流量を定常状態成分と変動成分に分解することで、圧力違反の確率を、流量分布に敏感な拡散的ダイナミクスを用いて定量化し、変動が流量逆転付近で最も顕著であり、供給源の再配置によって緩和可能であることを示している。

ABSTRACT

The development of hydraulic fracturing technology has dramatically increased the supply and lowered the cost of natural gas in the United States, driving an expansion of natural gas-fired generation capacity in several electrical inter-connections. Gas-fired generators have the capability to ramp quickly and are often utilized by grid operators to balance intermittency caused by wind generation. The time-varying output of these generators results in time-varying natural gas consumption rates that impact the pressure and line-pack of the gas network. As gas system operators assume nearly constant gas consumption when estimating pipeline transfer capacity and for planning operations, such fluctuations are a source of risk to their system. Here, we develop a new method to assess this risk. We consider a model of gas networks with consumption modeled through two components: forecasted consumption and small spatio-temporarily varying consumption due to the gas-fired generators being used to balance wind. While the forecasted consumption is globally balanced over longer time scales, the fluctuating consumption causes pressure fluctuations in the gas system to grow diffusively in time with a diffusion rate sensitive to the steady but spatially-inhomogeneous forecasted distribution of mass flow. To motivate our approach, we analyze the effect of fluctuating gas consumption on a model of the Transco gas pipeline that extends from the Gulf of Mexico to the Northeast of the United States.

研究の動機と目的

• 風力発電のバランスをとるガス火力発電所に起因するガス消費の確率的変動が引き起こす天然ガスパイプライン内の圧力違反リスクを定量化すること。
• 時間変動する負荷条件下におけるガスネットワークの信頼性リスクを評価する計算的に効率的な手法を開発すること。
• 圧力変動の発生確率を運用計画に統合することで、ガス流量最適化に確率的リスク指標を統合すること。
• ネットワークトポロジー、流量方向、供給源位置が圧力逸脱の確率に与える影響を評価すること。

提案手法

• マーケット・クリアリングおよびコンプレッサーのスケジューリングから得られる定常状態解と、その周囲の小振幅確率的変動にガス流量を分解する。
• ガス流量方程式（コンプレッサーを含む）を定常状態解の周囲で線形化し、消費変動の伝播をモデル化する。
• 得られた圧力変動を拡散過程としてモデル化し、予測された質量流量の空間的分布に依存する拡散率を導入する。
• Fokker-Planck方程式または同等の確率的ダイナミクスを用いて、圧力が運用限界を超える確率を計算する。
• 実際のTranscoパイプラインモデルにフレームワークを適用し、異なるネットワーク状態下でのリスクをシミュレーションおよび分析する。
• 確率的リスク指標を最適化フレームワーク（例：チャンス制約最適化など）に統合し、運用計画に応用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガス発電所の負荷変動に起因する圧力変動が、パイプラインのどの地点で安全限界を超える可能性が最も高いか？
• RQ2 ガス流量のベースライン値を増加させたり、負荷の変動性を高めたりすると、圧力違反の確率にどのように影響するか？
• RQ3 供給源の再配置（例：ガフからマーチャルスにシフト）によって、圧力変動のリスクを低減できるか？
• RQ4 ベースラインガス流量の空間的非一様性が、圧力変動の拡散率にどのように影響するか？
• RQ5 提案された線形化確率的モデルは、大規模なループ付きガスネットワークにおける実世界の圧力挙動をどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• ガス流量が逆転する地点、例えばTranscoパイプラインのニューヨーク／ニュージャージー地域付近で、大規模な圧力変動の発生確率が最も高くなる。
• ベースラインガス流量を増加させると、変動効果が拡大するため、圧力違反の発生確率が上昇する。
• 供給源の再配置（例：ガフ・シェールからマーチャルス・シェールにガスを供給源を移す）により、供給源と負荷の距離が短くなり、大規模な圧力変動の発生確率が低下する。
• 圧力変動の拡散率は空間的に非一様であり、質量流量の定常分布に依存し、流量逆転領域で特に感度が高い。
• モデルの予測結果は一時的シミュレーションと整合しており、ラインパックだけでは、バランス用発電所に起因する急速かつ確率的な変動を十分に緩和できないことが示唆される。
• 本フレームワークにより、確率的信頼性制約をガスネットワーク最適化に統合可能となり、不確実性下でのより強固な計画を支援できる。