一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法

本发明涉及掺氢天然气领域，具体是涉及一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法。

背景技术：

1、随着全球能源结构的转型和双碳目标的推进，氢能作为一种低碳、高效的清洁能源，正成为构建现代能源体系的核心载体。然而，氢气的低密度和高输送成本限制了其规模化利用。将氢气以一定比例掺入现有的天然气管道中进行混输，利用成熟的天然气长输管网和城市燃气管网设施开展氢气储运，已被公认为实现氢能低成本、长距离、大规模输送的最具可行性的关键路径。

2、在掺氢天然气管网的工程设计、运行仿真、水力动态计算以及贸易结算计量中，压缩因子是一个不可或缺的核心物性参数，它直接影响到管道输气能耗评估、瞬时流量积算以及管网压力波动的预测准确性。目前，国际和国内行业普遍采用高精度的gerg-2008状态方程来计算掺氢天然气的压缩因子。虽然gerg-2008方程具有极高的计算精度，能够较好地适应复杂的多组分气体体系，但其本质上是一套复杂的隐式方程体系，其求解过程高度依赖于helmholtz自由能偏导数的繁琐计算，必须在给定的边界条件下通过设定收敛阈值进行多轮高维非线性迭代求解。由于迭代计算过程存在求解步骤繁多、耗时较长、在临界区工况下可能出现迭代不收敛以及计算效率严重地受限于硬件算力等缺陷，导致传统的标准状态方程计算方法在面对大型复杂天然气管网的大规模节点动态仿真、分布式scada系统的海量流式数据吞吐、以及现场嵌入式智能仪表微秒级的瞬时流量在线积算等高并发、高实时性工业应用场景时，往往显得无能为力。

3、因此，为了在保证工业级计算精度的前提下，大幅压缩物性计算耗时并消除迭代不收敛的隐患，本申请提出了一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，包括：

2、基础数据采集步骤，获取待检测掺氢天然气的绝对温度、绝对压力和各气体组分的摩尔分数。

3、虚拟临界映射步骤，根据所述各气体组分的摩尔分数和各气体组分对应的临界物理常数，包括临界压力和临界温度，通过预设的混合规则计算得到混合气体的虚拟临界温度和虚拟临界压力。

4、对比态参数确定步骤，根据所述绝对温度、绝对压力、虚拟临界温度和虚拟临界压力计算得到所述待检测掺氢天然气的对比温度和对比压力。

5、压缩因子求解步骤，根据所述对比温度、对比压力通过预设的显式多项空间曲面回归模型进行非迭代计算得到所述待检测掺氢天然气的压缩因子。

6、模型分析验证步骤，将所述压缩因子与预设的标准状态方程在相同工况下的基准计算值进行比对，通过计算多组样本的统计学偏差指标，对所述显式多项式空间曲面回归模型的预测精度和计算耗时性能进行量化评估验证。

7、作为本发明的进一步改进，所述虚拟临界映射步骤包括，所述混合规则分别将各个气体组分的摩尔分数与对应的临界温度、临界压力相乘，并将各组分的乘积结果累加求和得到混合气体的虚拟临界温度和虚拟临界压力。

8、作为本发明的进一步改进，所述显示多项式空间曲面回归模型为最高次数为五次的多项式空间曲面回归模型。

9、作为本发明的进一步改进，所述显示多项式空间曲面回归模型的构建包括，根据高精度状态方程，在设定的组分边界范围内进行随机抽样，生成包含多种组分摩尔分数比例的样气集合，针对每一组样气，在设定的温度和压力区间内进行网格化工况离散，根据所述高精度状态方程并通过收敛阈值迭代求解，计算得到各个样气在不同工况下的压缩因子基准值，组合形成多维物性基准数据集，根据所述多维物性基准数据集中的对比温度和对比压力，结合压缩因子基准值通过最小二乘法进行多元多项式回归拟合，确定所述显式多项式空间曲面回归模型中的各项回归系数。

10、作为本发明的进一步改进，所述压缩因子求解步骤包括，所述五次的多项式空间曲面回归模型中，所述待检测掺氢天然气的压缩因子由常数项、所述对比温度和所述对比压力各自的各阶单项式、以及所述对比温度和所述对比压力在不同阶次下的交叉乘积项，并分别与预设回归系数相乘后进行线性累加组合得到。

11、作为本发明的进一步改进，所述预设回归系数是高精度状态方程在预设管输工况和典型掺氢组分范围内，通过随机抽样生成的掺氢天然气基准数据集，并利用最小二乘法进行多维面拟合得到的固定实数值矩阵。

12、作为本发明的进一步改进，所述模型分析验证步骤包括，所述统计学偏差指标为通过均方根偏差公式计算的均方根误差，通过决定系数公式计算得到拟合优度，并通过平均绝对百分比偏差公式计算得到平均绝对百分比误差。

13、作为本发明的进一步改进，所述模型分析验证步骤还包括，计算所述压缩因子与基准计算值之间的离散程度误差、整体拟合优度和平均百分比偏差，当各项偏差均小于预设的工业容忍阈值时，判定所述显式多项式空间曲面回归模型的预测精度达标。

14、本发明的有益效果是：本发明通过创新性地构建显式多项式空间曲面回归模型，摆脱了传统gerg-2008标准状态方程求解时对复杂非线性迭代和收敛边界条件的依赖，解决了大型输气管网动态仿真控制及现场流量在线计量对微秒级超高实时性的核心诉求。同时，本申请通过对气体组分进行映射的方式，消除了模型对多组分直接输入造成的维度问题，使得该架构不仅适用于二元、三元等简易混合气，更全面兼容并包了包含多种重烃馏分、惰性气体及酸性杂质气体的实际复杂多组分工业管输流体。并且，本发明提出的快速计量方法，通过多项式模型达成了在宽工况和全掺氢范围内维持工业级预测精度的效果。

1.一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，其特征在于，所述虚拟临界映射步骤包括，所述混合规则分别将各个气体组分的摩尔分数与对应的临界温度、临界压力相乘，并将各组分的乘积结果累加求和得到混合气体的虚拟临界温度和虚拟临界压力。

3.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，其特征在于，所述显示多项式空间曲面回归模型为最高次数为五次的多项式空间曲面回归模型。

4.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，其特征在于，所述显示多项式空间曲面回归模型的构建包括，根据高精度状态方程，在设定的组分边界范围内进行随机抽样，生成包含多种组分摩尔分数比例的样气集合，针对每一组样气，在设定的温度和压力区间内进行网格化工况离散，根据所述高精度状态方程并通过收敛阈值迭代求解，计算得到各个样气在不同工况下的压缩因子基准值，组合形成多维物性基准数据集，根据所述多维物性基准数据集中的对比温度和对比压力，结合压缩因子基准值通过最小二乘法进行多元多项式回归拟合，确定所述显式多项式空间曲面回归模型中的各项回归系数。

5.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，其特征在于，所述压缩因子求解步骤包括，所述五次的多项式空间曲面回归模型中，所述待检测掺氢天然气的压缩因子由常数项、所述对比温度和所述对比压力各自的各阶单项式、以及所述对比温度和所述对比压力在不同阶次下的交叉乘积项，并分别与预设回归系数相乘后进行线性累加组合得到。

6.根据权利要求5所述的一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，其特征在于，所述预设回归系数是高精度状态方程在预设管输工况和典型掺氢组分范围内，通过随机抽样生成的掺氢天然气基准数据集，并利用最小二乘法进行多维面拟合得到的固定实数值矩阵。

7.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，其特征在于，所述模型分析验证步骤包括，所述统计学偏差指标为通过均方根偏差公式计算的均方根误差，通过决定系数公式计算得到拟合优度，并通过平均绝对百分比偏差公式计算得到平均绝对百分比误差。

8.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气压缩因子的快速计算方法，其特征在于，所述模型分析验证步骤还包括，计算所述压缩因子与基准计算值之间的离散程度误差、整体拟合优度和平均百分比偏差，当各项偏差均小于预设的工业容忍阈值时，判定所述显式多项式空间曲面回归模型的预测精度达标。