[논문 리뷰] Pressure Fluctuations in Natural Gas Networks caused by Gas-Electric Coupling

Misha Chertkov, Michael W. Fisher외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 22.

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 풍력 발전을 보정하기 위해 가스 터빈 발전기에서 기인하는 변동하는 가스 소비로 인한 천연가스 네트워크의 압력 변동 위험을 평가하기 위해 선형화된 확률 모델을 제안한다. 가스 유량을 정적인 상태와 변동 성분으로 분해함으로써, 유량 분포에 민감한 확산 유사 동역학을 사용하여 압력 위반의 확률을 정량화한다. 이는 유량 반전 근처에서 변동이 가장 심각하고, 공급원 재구성으로 완화될 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 바람 에너지를 보정하기 위해 가스 터빈 발전기에서 기인하는 가스 소비의 확률적 변동으로 인한 천연가스 파이프라인 내 압력 위반 위험을 정량화하는 것.
• 동적이고 시간에 따라 변하는 하중 조건 하에서 천연가스 네트워크의 신뢰성 위험을 평가하기 위한 계산 효율성이 높은 방법을 개발하는 것.
• 압력 변동 가능성과 운영 계획을 연결하여 확률적 위험 측도를 가스 유량 최적화에 통합하는 것.
• 네트워크 구조, 유량 방향, 공급원 위치가 압력 이탈 가능성에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 시장 정산 및 압축기 스케줄링에서 유도된 정적인 상태 솔루션과 그 주변의 소규모 진동 성분으로 가스 유량을 분해한다.
• 정적인 상태 솔루션 주변에서 가스 유량 방정식(압축기를 포함)을 선형화하여 소비 변동의 전파를 모델링한다.
• 유도된 압력 변동을 확산 과정으로 모델링하며, 예측된 질량 유량의 공간 분포에 따라 확산 속도가 결정된다.
• 압력가이드라인을 초과할 확률을 계산하기 위해 포화-플랭크 방정식 또는 동등한 확률적 동역학을 사용한다.
• 실제 Transco 파이프라인 모델에 이 프레임워크를 적용하여 다양한 네트워크 조건에서 위험을 시뮬레이션하고 분석한다.
• 확률적 위험 측도를 최적화 프레임워크(예: 확률 제약 최적화)에 통합하여 운영 계획을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이프라인의 어느 지점에서 가스 발전기의 변동성으로 인해 압력 변동이 안전 한계를 초과할 가능성이 가장 높은가?
• RQ2 가스 유량을 늘리거나 하중 변동성을 증가시키면 압력 위반의 확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 공급원 재구성(예: 지중해 지역에서 매컬러스 지역으로 이동)으로 인해 압력 변동 위험이 감소할 수 있는가?
• RQ4 기본 가스 유량의 공간 비균일성이 압력 변동의 확산 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 선형화된 확률 모델이 큰 루프 구조를 가진 가스 네트워크에서 실제 압력 거동을 얼마나 잘 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 가스 유량이 반전되는 지점, 예를 들어 Transco 파이프라인의 뉴욕/뉴저지 지역 근처에서 큰 압력 변동의 확률이 가장 높다.
• 기본 가스 유량을 늘릴수록 변동 효과가 증폭되어 압력 위반의 확률이 증가한다.
• 공급원 재구성(예: 지중해 지역에서 매컬러스 셰일 지역으로의 전환)을 통해 공급원과 하중 간의 거리를 줄여 큰 압력 변동의 가능성을 감소시킬 수 있다.
• 압력 변동의 확산 속도는 공간적으로 비균일하며 정적인 질량 유량 분포에 따라 달라지며, 특히 유량 반전 지역에서 민감도가 높다.
• 모델의 예측 결과는 일시적 시뮬레이션과 일치하며, 라인패킹만으로는 균형 발전기에서 기인하는 빠른 확률적 변동을 충분히 완화할 수 없음을 시사한다.
• 이 프레임워크는 확률적 신뢰성 제약 조건을 가스 네트워크 최적화에 통합할 수 있게 하여 불확실성 하에서 더 견고한 계획 수립을 지원한다.