燃气管网水力计算程序的开发.pdf

第 3 1 卷第 2期 2 0 1 1年 2月 煤 气 与 热 力 GAS & HEAT Vo 1 31 No 2 Fe b 2 01 1 爨 燃 气 输 配 与 储 运甏 燃气管 网水力计算程序 的开发 张 宁 ， 田贯三 ， 李成乐 ， 解东来 ( 1 华南理工大学 化 学与化工学院，广东 广州 5 1 0 6 4 0 ；2 山东建筑大学 热能工程学院 ， 山东 济南 2 5 0 1 0 1 ；3 北京航天爱锐科技有限责任公 司，北京 1 0 0 1 7 6 ) 摘要： 通过对燃 气管网拓扑结构的研究， 开发 了基于面向对象技术的可视化燃气管网水力 计算程序。通过 实例证明， 计算程序应用方便 ， 通用性强， 可以大幅提 高燃 气管网水力计算的效率。 关键词： 燃气管网； 水力计算； A u t o C A D接 口； 节点 自动编号 ； 点捕捉 ； 线捕捉 中图分类号：T U 9 9 6 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 4 4 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 20 B 0 1 0 4 De v e l o pm e n t o f Hy d r a ul i c Ca l c u l a t i o n Pr o g r a m f o r Ga s Ne t wo r k Z HANG Ni n g，TI AN Gu a n s a n，LI Ch e n g l e，XI E Do n g l a i Abs t r a c t ：Th r o u g h t h e a n a l y s i s o f t o po l o g y s t r u c t u r e o f g a s ne t wo r k，a v i s ua l h y d r a u l i c c a l c ul a t i o n p r o g r a m f o r g a s n e t w o r k b a s e d o n o b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g y i s d e v e l o p e d A c a s e s h o w s t h a t t h e c a l c u l a t i o n p r o g r a m c a n be a pp l i e d c o n v e ni e n t l y a nd ha s c o n s i d e r a b l e g e n e r a l i t y，a n d i t c a n g r e a t l y i mp r o v e t h e h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n e ffi c i e n c y o f g a s n e t wo r k Ke y wo r d s： g a s ne t wo r k；h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n； Aut o CAD i n t e r f a c e； a u t o ma t i c n u mb e r i n g o f n o d e s ；po i n t s n a pp i n g； l i n e s n a p pi ng 目前我国面临能 源结构 的调整 ， 越来越多的居 民使用热效率高 、 清洁环保 的管输天然气。随着西 气东输 、 川 I 气东送 、 沿海 L N G等项 目的开展 ， 天然气 输配工程在城市基础设施建设中将 占据越来越重要 的地位。燃气管网水力计算是进行管 网设计和运行 的理论基础， 是顺利完成输配任务 的保证 。计 算机 应用技术的普及促使水力计算程序代替了传统的手 工平差计算 。目前大多基于 Wi n d o w s 界面利用可视 化语言研制计算程序 ， 在对话框 中以表格的形式进 行数据 的输入 、 输 出， 尽管计算用时和精度与手工平 差相比有 了很大的进步 ， 但是水 力计算 图的拓扑结 构全部抽象为数字表达 ， 没有根本改变与管 网结构 图相分离的问题 ， 设计人员在实际操作 中很容易 出 错 。也有利用 A u t o C A D的 A u t o L I S P 、 V B A等二 次开发技术 编写程序 ， 在 A u t o C A D平 台下进 行水 力计算 ， 虽然可以方便地在 图形界面下进行水力计 算 图的输入和输 出， 但是其在数据处理和数值计算 方面还有欠缺 ， 功能 比较单 一l 2 I 4 j 。针对 目前天然 气管网水力计算现状 ， 有必要开发计算精度高、 通用 性强、 自动化程度高 的可视化燃气 管网水力计算软 件。 1 燃气管网水力计算程序的结构设计 燃气管 网水力计 算程序 利用 V i s u a l C十+和 F o r t r a n混合编程技术 ， 基 于 V i s u a l C+强大 的图 形处理能力和人机交互功能， 开发了用户操作窗口， 并结合 F o r a n强大的数值运算功能 ， 研制了水力计 算 内核 ， 程序在 Wi n d o w s 操作环境下运行 ， 用户操作 方便 、 快捷 。 基金项 目：“ 十一五” 国家科技支撑计划课题( 2 0 0 6 B A J 0 3 B 0 2 ) B 01 第3 1 卷第2 期 煤 气 与 热 力 1 1 程序的数据结构 管网数据结构是各种管网数据在记录中的逻辑 编排方式和数据文件的组织方法 ， 反 映了管网数据 间的逻辑关系。燃气管 网水力计算系统采用数组和 链表的数据结构 。燃气管网的属性数据( 包括管段 号 、 起点号和坐标 、 终点号和坐标 、 管长 、 管径、 管材、 管段流量等管段数据， 节点号和坐标 、 节点流量 、 节 点压力等节点参数 ) 采用数组的数据结构 ， 可 以方 便 、 条理清楚地储存 和调用管网数据。管网的图形 数据 ( 包括管段 、 节点 、 环的拓扑结构关 系) 采用双 向链表的数据结构 ， 每一条管段作为一个链节按绘 制顺序分布在链表中， 可以方便地进行管段 的截断、 删除、 添加等操作 ， 通过管段链表 的依次搜索 ， 实现 对管段和节点迅速、 准确地编号和查找。 1 2 程序的结构设计 燃气管网水力计算程序 的系统结构见 图 1 。用 户通过系统界面上的选单栏 、 工具栏 、 单文档界面客 户区等对系统进行操作 ， 操作的执行者为主框架类、 视图类和其他对话框类 ， 完成燃气管 网图形数据和 属性数据的人机对话输入 ， 进行管 网水力计算后 ， 计算的结果通过文档类保存至 A c c e s s 数 据库或打 印输 出， 相应 的数据保存在磁 盘中， 以方便下次查 阅。 系统入 口 l 堕 旦矍壁 磁盘闰文 档类I 视图类 存盘 I1一 H 卜 _ 图1 燃气管网水力计算程序的系统结构 1 3 程序的功能模块设计 用 声 操 作 界 面 燃气管网水力计算程序 的功能模块见图 2 。管 网输入和管网组件模块用来输入管网的拓扑结构和 管网计算参数 ， 管网编辑和观察模块方便管 网结构 的变更和动态观察 ， 管 网计算模块根据计算参数对 低压或者高中压燃气管网进行水力计算 ， 管 网标注 和计算结果模块读取计算结果并标注在水力计算图 上 ， 最后通过 A u t o C A D自动输 出计算结果图。 燃气管网水力计算程序 笪 I 管网图输入 雨 I 节 点输入l 流向 输入l 自动导人管网图 节点 自动编号l 注释输入 I 参数输入 1 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。一 管段参数I 节点参数 I 管网组件 L 气源 管 网标注 二=丁一 管段参 数 计算结果 二二厂 读取结果 薯 譬 l 卜 凰 管 段 直 径l l 旦二 管段流量l l 一 管段压力降l 自动输出结果图 节点编号 节点流量 节点压力 图 2燃气管网水力计算 程序功能模块 2 燃气管网水力计算程序的功能介绍 链表中建立一个链节， 状态栏中实时显示鼠 标当前 2 1 计算数据的输入 位置的横、 纵坐标 以方便用户精确绘图。在绘制管 程序首先根据用户选择 的管 网压力级别进入相 道的同时 ， 为了水力计算的需要， 程序 自动对节点进 应的程序模块。在可视化界面由用户利用鼠标绘制 行编号 。正交绘制功能 可以辅 助用 户绘制水平 管网结构图， 在用户点击鼠标确定起点后 ， 会有一条 或竖直管道。针对 由 A u t o C A D绘制 的大型或特大 随鼠标移动可 自由伸缩的“ 橡皮线” 帮助定位 ， 当再 型管网图中管段特别多 、 输入管网拓扑结构 图工作 次点击 鼠标确定 ， 就绘制了连接两点的管道 ， 同时在 量大的特点 ， 程序利用 A u t o C A D的 D X F文件作为 管道中间绘制从起点到终点 的流向三角形 ， 在管段 数据接 口， 可以根据选择的图层 、 线宽、 线型、 颜色等 B 0 2 翻 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 Il一 一 一 一 一 张 宁 ， 等 ： 燃 气管网水力计算程序的开发 第 3 1 卷第 2期 管段属性信息选择性地 自动导人管网拓扑结构图。 定义 以管道为中心线且平行于管道的小面积矩 形为线捕捉区域 ， 以节点为 圆心 的小面积 圆形为点 捕捉区域 ， 鼠标在上述区域 内双击会分别弹 出节点 属性和管段属性对话框 ， 见 图 3 、 4， 为相应 的节点 输入流量或压力 ， 为相应 的管段输入管长 、 管径 、 管 材。对于多气源管 网还需输入气 源属性 ， 程序通过 节点编号重排使得压力基准点编号最大 ， 定压点 随 基准点居后编排 ， 便于节点方程组 的求解 。点捕捉 和线捕捉技术实现 了管 网图和数据 的紧密结合 ， 更 加直观、 形象， 输入大量管段和节点参数 时， 很大程 度上减少了输入的差错 ， 提高了效率。 节点缡号l 节点瀛璺( m 3 h ) 广 节点 为 ( P t ) f -定 压 点 r基 准 点 匦国墼 j 图 3 节点属性对话框 图 4管段属性对话框 程序具有窗 口放大 、 缩小和平移等管网观察功 能 ， 用户滚动 鼠标的滚轮实现管网的无级缩放 ， 按下 鼠标左键拖动 鼠标就可方便地实现管网图的平移 。 为实现某一节点或管段在管网中的迅速定位 ， 在管 段和节点查询对话框中输入其编号 ， 程序即可将其 移至屏幕的中心 。 2 2 燃气管网水力计算 燃气是 多种气体的混合物 ， 程序可以根据其组 成和温度计算密度和运动黏度 ， 见 图 5 。在进 行水 力计算时， 需要输入管 网的水力计算参数 ， 见 图 6 。 各个参数说明如下 ： 已知压力参考点 的编号和压力 值 ， 其他节点的压力 以压力参考点为基准， 通过管段 压力降计算得出。节点流量比例系数是各个节点如 图 3所示输入 的节点流量和计算 时节点流量 的 比 值 ， 一般情况下此值取 1 ， 当进行不 同流量 负荷下的 管网水力计算时可以取相应比值。局部阻力系数是 局部阻力与沿程阻力的比例 ， 用来计算管网压力降。 燃气的密度和运动黏度可以通过图 5所示问接计算 得到或者作为 已知条 件直接输入。对于多气源管 网， 定压点数量 和已知流量 节点数量可 以区分气源 点是 已知压力还是 已知流量气源点 。 煽 l8 e簸他壤 l 1 6 艺婉l 1 2 =裁纯 蔼麓 7 氯壤 l l 8 滋 毓魄 e 鼽 l0 5 氮气 l l 6 薹： c 两挠进行讨簿。 燃气设计 渥攫 k )蓊 一 姥票 密壤c 3 ) 3 8 0 1 4 3 遗动糕度 t 2 z )I 1 2 6 8 6 9 固 图 5 燃气的平均密度和运 动黏 度计 算 图 6管网计算参数输入 由 F o r t r a n语言编写的水力计 算程序读取管 网 的节点和管段计算参数