[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种线性化随机模型，用于评估燃气轮机为平衡风电功率而引起的可变燃气消耗所导致的天然气管网压力波动风险。通过将燃气流量分解为稳态分量与波动分量，该模型利用对流量分布敏感的类似扩散的动力学，量化了压力越限的概率，表明波动在流量反向区域最为严重，且可通过重新配置气源来缓解。

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.

研究动机与目标

• 量化燃气轮机为平衡风电功率而引起的燃气消耗随机波动所导致的天然气管道压力越限风险。
• 开发一种计算高效的计算方法，用于评估在动态、时变负荷下燃气网络的可靠性风险。
• 通过将压力波动可能性与运行规划相联系，将概率风险度量集成到燃气流量优化中。
• 评估网络拓扑、流动方向及气源位置对压力越限可能性的影响。

提出的方法

• 将燃气流量分解为市场出清与压气机调度所得的稳态解，以及其上的小振幅随机波动分量。
• 围绕稳态解对燃气流量方程（包括压气机）进行线性化，以模拟消耗波动的传播。
• 将所得压力波动建模为扩散过程，其扩散速率取决于预测质量流量的空间分布。
• 使用福克-普朗克方程或等效随机动力学模型，计算压力超过运行限值的概率。
• 将该框架应用于实际的Transco管道模型，以模拟和分析不同网络条件下的风险。
• 将概率风险度量集成到优化框架中，如机会约束优化，以支持运行规划。

实验结果

研究问题

• RQ1 在管道的哪些位置，由于燃气发电机的波动性，压力波动最可能超过安全限值？
• RQ2 提高燃气流量或负荷波动性如何影响压力越限的概率？
• RQ3 重新配置燃气气源（例如，从墨西哥湾转向马塞勒斯）是否能降低压力波动风险？
• RQ4 基线燃气流量的空间非均匀性如何影响压力波动的扩散速率？
• RQ5 所提出的线性化随机模型在多大程度上能够预测大型环状燃气管网中的实际压力行为？

主要发现

• 在燃气流量发生反向的位置，如Transco管道中的纽约/新泽西地区，大范围压力波动的概率最高。
• 由于波动效应被放大，基线燃气流量增加会导致压力越限概率上升。
• 通过重新配置气源（例如，从马塞勒斯页岩增加供气而非墨西哥湾），可减少供气与负荷之间的距离，从而降低大范围压力波动的概率。
• 压力波动的扩散速率具有空间非均匀性，取决于质量流量稳态分布，且在流量反向区域敏感度更高。
• 模型预测与瞬态仿真结果一致，表明仅靠管线储气（linepack）不足以缓冲平衡发电机引起的快速随机波动。
• 该框架可将概率可靠性约束集成到燃气网络优化中，支持在不确定性下的更稳健规划。