Object-oriented modelling and simulation for quality tracking in the italian natural gas transport network

This project aims to extend the model for simulation of the National Natural Gas Transportation Network in order to support quality tracking. Natural gas inherently contains various chemical compounds, mainly organic, such as methane and hexane. The location of extraction greatly impacts the type and quantity of chemical species that compose the fluid. Properties that characterize this fossil fuel for industrial/commercial purposes vary depending on the nature of the mixture. The geopolitical evolution of natural gas supply sources and the evolution of new technologies for hydrogen generation highlight the need to be able to simulate the chemical composition of natural gas within a ”digital twin” or digital simulator of the real plant. The use of the object-oriented language Modelica enables the generation of modular simulation models, so that new portions of the network can be annexed into the simulation without changing the component equations. Starting from pre-existing component models resulting from past work, we modified the Gas Network library to support variable composition. Specifically, the equations of transport for composition variables were added and numerical issues related to the added complexity were addressed. Then, through appropriately updated Python scripts we generated the Modelica code of the network that is finally simulated in the OpenModelica environment. Finally, we optimized the time required for code compilation and network simulation to improve performance. Achieving the ultimate goal of obtaining a simulator that is true to reality will allow us to optimize gas use within compression stations with the goal to reduce carbon dioxide emissions by basing decisions on data obtained from the virtual plant.

Questo progetto si pone come obiettivo l’estensione del modello per la simulazione della rete Nazionale di trasporto del gas naturale per supportare il quality tracking (monitoraggio di qualità). Il gas naturale contiene al suo interno vari composti chimici, prevalentemente organici, quali il metano e l’esano. La località di estrazione impatta notevolmente sulla tipologia e la quantità di specie chimiche che compongono il fluido. Le proprietà che caratterizzano questo combustibile fossile per scopi industriali/commerciali variano in funzione della natura della miscela. L’evoluzione geopolitica delle fonti di approvigionamento del gas naturale e la diffusione di nuove tecnologie per la generazione di idrogeno evidenziano la necessità di poter simulare la composizione chimica del gas naturale all’interno di un ”digital twin” o simulatore digitale dell’impianto reale. L’utilizzo del linguaggio object oriented Modelica consente di generare modelli di simulazione modulari, in modo da permettere di annettere nuove porzioni di rete nella simulazione senza modificare le equazioni dei componenti. A partire da modelli preesistenti di componenti frutto di lavoro passato, abbiamo modificato la libreria di componenti della rete gas per supportare la composizione variabile. In particolare, sono state aggiunte le equazioni per il trasporto delle variabili di composizione e affrontati problemi di natura numerica legate alla aggiuntiva complessità. Successivamente attraverso degli script Python appropriatamente aggiornati abbiamo generato il codice Modelica della rete che viene infine simulato nell’ambiente OpenModelica. Infine, abbiamo ottimizzato il tempo richiesto per la compilazione del codice e la simulazione della rete per ottenere migliori prestazioni. Il raggiungimento dell’obiettivo finale di ottenere un simulatore fedele alla realtà, oltre a suscitare interesse di natura accademica, permetterà di contribuire ad ottimizzare l’utilizzo del gas all’interno delle centrali di spinta in un ottica di riduzioni delle emissioni di anidride carbonica, basando eventuali decisioni sui dati ottenuti dall’impianto virtuale.