IZRAČUN PRETOKOV ZEMELJSKEGA PLINA V PLINSKEM OMREŽJU

SMOLNIKAR, IGOR (author), Pantoš, Miloš (mentor)

Velik delež električne energije se pridobiva s plinskimi elektrarnami (PE), njihov prispevek pa se bo v prihodnosti še povečeval. Gre za proizvodne objekte z relativno nizkimi investicijskimi stroški in sposobnostjo hitrega prilagajanja obratovalne moči ter visokim izkoristkom. PE so pomembne za zagotavljanje zanesljivega obratovanja elektroenergetskega sistema (EES), za njihovo nemoteno obratovanje pa je ključnega pomena zanesljivost dobave zemeljskega plina (ZP), katerega dobavo zagotavlja plinsko omrežje (PO). Plinske elektrarne so vezni členi med EES in PO, v obeh vrstah omrežij pa nastopajo v različnih vlogah – kot proizvajalci električne energije v EES in kot porabniki zemeljskega plina v PO. Z deregulacijo trga z električno energijo se je povečala tudi medsebojna odvisnost EES in PO, saj PE nastopajo hkrati na trgu električne energije in na trgu zemeljskega plina, zato na obratovanje PE vplivajo tudi tržne razmere, ki so odvisne od trenutnih cen električne energije in zemeljskega plina. Pri načrtovanju EES in dograjevanju novih proizvodnih objektov v EES se vedno bolj razmišlja o PE, pri čemer ima veliko vlogo tudi visoka cena zemeljskega plina. Za uspešno načrtovanje obratovanja EES in PO so potrebne metode, s katerimi je mogoče simulirati delovanje obeh vrst sistemov ter napovedati njihovo obnašanje ob spremembah parametrov proizvodnih objektov. V magistrskemu delu smo predstavili metodo za izračun pretokov zemeljskega plina (angl. natural gas loadflow) v plinskem omrežju, ki temelji na metodi za izračun pretokov moči v elektroenergetskem sistemu (angl. electric load flow). Obe metodi se uporabljata pri skupni analizi EES in PO. PO je kompleksno in ga lahko opišemo z nelinearnimi enačbami, ki se razlikujejo glede na mnoge dejavnike, ki vplivajo na delovanje PO. Predstavili smo fizikalne enačbe za elemente PO, plinovode in kompresorje, ter njihove matematične modele, s katerimi smo zgradili model PO. Ker je analitični izračun nelinearnih enačb zahteven oz. v praksi pogosto tudi nerešljiv, smo izračune pretokov plina v PO izračunali pomočjo Newton-Raphsonove iterativne metode, podobno kot pri izračunih moči v EES. Med analizo EES in PO obstajajo tako podobnosti kot razlike, pri čemer so nekatere sistemske spremenljivke EES in PO med seboj analogne (npr. električni tok - pretok plina, električna napetost - tlak plina). Pretoke plina smo izračunali za testno PO, ki ga sestavljajo plinski viri (dobava), odjemalci plina (bremena), vozlišča, plinovodi ter kompresorji. Pretoke plina smo izračunali tudi za primer dograditve shranjevalnika ZP v PO. Ker sta EES in PO medsebojno odvisna, smo testno PO povezali s testnim EES, ter s pomočjo izračuna pretokov moči v EES in pretokov plina v PO simulirali obratovanje PE s stališča obeh omrežij, kar predstavlja analizo kombiniranega sistema. Ker analiza kombiniranih sistemov omrežja običajno obravnava ločeno, smo predstavili metodo za hkratni izračun pretokov moči in plina v kombiniranem sistemu EES in PO. Predstavili smo tudi model s hibridnim energetskim vozliščem, ki lahko poleg EES in PO analizira tudi sistem daljinskega ogrevanja (DO). Vhodni podatki za model z energetskim vozliščem so rezultati analiz ločenih sistemov EES, PO in DO.

• Language: Slovenian
• Keywords: izračun pretokov moči v električnem omrežju, izračun pretokov zemeljskega plina v plinskem omrežju, Newton-Raphsonova iterativna metoda, hkratni izračun pretokov moči in plina, hibridno energetsko vozlišče
• Work type: Master's thesis
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2016
• PID: 20.500.12556/RUL-85159
• Publication date in RUL: 14.09.2016

Secondary language

• Language: English
• Title: CALCULATION OF NATURAL GAS POWER FLOWS IN GAS NETWORKS

Abstract

Share of natural gas fired power plants (NGFPP) in electricity production is expected to increase in future. NGFPPs are generally less capital-intensive and highly efficient. NGFPPs are important for secure operation of energy power system (EPS). Reliable supply of natural gas is imperative for uninterruptible operation of NGFPPs and secure operation of EPS. Natural gas is supplied via natural gas network (NGN). NGFPPs represent link between EPS and NGN: they are electricity producers in EPS and gas load in NGN. Electricity market deregulation has increased interdependency of EPS and NGN. NGFPPs can participate in electricity and natural gas market simultaneously. Consequentially both electricity and natural gas prices became an important factor in NGFPPs operation planning. Despite the fact that natural gas prices continue to remain high NGFPPs are expected to dominate in electric power production in the future. Planning of combined EPS and NGN systems requires specific methods that can analyze both systems and predict their behavior when new production facilities are deployed. Method to solve natural gas loadflow problems using electric loadflow technique is presented. Both methods are used in combined EPS and natural gas network analysis. Newton-Raphson nodal iterative method is employed to solve natural gas loadflow problem. Natural gas network is complex and is presented by nonlinear equations. Pipeline and compressor equations are presented. NGN model comprised of pipelines and compressors is discussed. Since analytical solution of nonlinear equations is rarely achievable iterative Newton-Raphson method is employed. Gas loadflow problem for an example NGN is solved. Gas storage example is incorporated in the example model. An analysis of combined EPS and NGN in a decoupled manner is performed. Traditionally, analysis of combined systems is performed in a decoupled manner, which requires separate power flow calculations. A method for simultaneous power and gas flow calculation for combined EPS and NGN systems is presented. A hybrid energy node model for combined power flow of EPS, NGN and district heat systems is also presented. Result data from decoupled power flow calculations for all three system is used as input data for energy node model.

• Keywords: electric loadflow, natural gas loadflow, Newton-Raphson iterative method, simultaneous electric and natural gas power flow calculation, hybrid energy hub