多气源燃气管网水力计算程序的开发.pdf

第 2 9卷第 6期 2 0 0 9年 6月 煤 气 与 热 力 GAS HEAT Vo 1 2 9 No 6 J u n 2 0 o 9 多气源燃气管 网水力计算程序 的开发 张 宁 ， 解东来 ， 田贯三 ， 柯智杰 ( 1 华南理工大学 传热强化与过程 节能教育部重点实验室，广东 广州 5 1 0 6 4 0 ； 2 山东建筑大学，山东 济南 2 5 0 1 0 1 ) 摘要 ： 在单气源燃气管网水力计算程序的基础上 ， 利用解节点方程法， 采用管段 、 节点 自动 编号， 开发 了多气源水力计算程序 ， 通过 实例进行验证。 关键词 ： 多气源； 燃气管网； 水力计算程序 中图分类号 ：T U 9 9 6 文献标识码 ：B 文章编号：1 0 0 0 4 4 1 6 ( 2 0 0 9 ) 0 6 0 B 0 50 4 De v e l o p me n t o f Hy d r a u l i c Ca l c u l a t i o n P r o g r a m f o r Ga s Ne t wo r k wi t h M u l t i pl e Ga s S o ur c e s Z H A N G N i n g ， X I E D o n g l a i ， T I A N G u a n s a n ， K E Z h i - j i e Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n p r o g r a m f o r g a s n e t wo r k wi t h s i n g l e g a s s o u r c e，a h y d r a u l i c c a l c ul a t i o n pr o g r a m for mu l t i p l e g a s s o u r c e s i s d e v e l o p e d b y n o d e e q ua t i o ns a nd a u t o ma t i c nu n b e rin g o f n o d e s a n d pi pe s e c t i o ns Th e p r o g r a m h a s b e e n v e rifie d b y a n e x a mp l e Ke y wo r d s ： mu l t i p l e g a s s o u r c e s ； g a s p i p e l i n e n e t wo r k；h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n p r o gra m 随着越来越多的城市居 民使用清洁、 高效 的管 输天然气， 城市燃 气管 网变得 越来越庞 大和复杂。 在管 网的设计和运行 中， 水力计算是保证合理输气 的理论依据， 起着十分重要 的作用。 目前计算多气 源环状管网的程序多是人工对管网的管段和节点进 行编号， 按照编号顺序 依次输入数据 ， 计算工 作 量大 ， 对于大型管 网， 很容易出错 。当管 网改建 时， 节点的编号随之发生变化 ， 上述工作需要重新进行。 因此非常有必要开发使用方便、 计算准确、 效率高的 多气源燃气管网水力计算程序。 1 程序的研发基础 山东建筑大学燃气技术研究室已利用 V i s u a l C + 6 0开发 出可以计算单气源 中、 低压燃气管网 的水力计算程序 “J ， 具有以下功能。 利用结构体储存管网属性数据( 如流量、 压力等) ， 利用双向链表记录管网的图形属性 ( 如管 段和节点编号 、 环 的拓扑结构等) ， 方便管网数据 的 读取和快速查找。 在可视化界 面中利用 鼠标绘制管 网计算 图 ， 计算机对管段和节点 自动编号 ， 提高准确性。 通过点捕捉和线捕捉技术 ， 在管段和节点 附近双击鼠标左键 ， 即可人机对话输入管段和节点 参数 ， 实现管 网和数据两者的紧密结合 ， 方便检查。 具有管段删除、 截断、 改变颜色等编辑功 能 ， 管网结构变更后管段和节点编号 自动重排 ， 并更 改相应的数据 ， 便于管网 日后改建和扩建。 采用解节点方程法进行水力计算 ， 计算准 确 、 效 率 高 。 计算结果 自动标注在水力计算 图中， 显示 直观 ， 随图形保存 ， 方便调取查 阅。 多气 源燃气 管 网水力计算程序 在此基 础上开 发 ， 进一步提高程序的通用性 ， 扩大适用范围。 2 程序的编制 多气源燃气管网的水力计算方法 多气源管 网的气源属性可分为给定气源流量、 给定气源压力两种 。给定气源流量需要计算气源点 B 0 5 第2 9 卷第 6 期 煤 气 与 热 力 M g a s a n d h e a t o n l 的压力 ， 称为定流量工况 ； 给定气源压力需要计算气 源点 的流量 ， 称为定压工况。对于定流量工况 ， 普通 节点燃气从管网流出， 流量数值前 面加 “+” 号 ， 气 源点燃气 向管网流人 ， 流量数值前面则加“一” 号 ， 其他 的水力计算过程与单气源管网相同。对于定压 工况， 每增加一个气源就增加一个 已知压力点， 需要 通过计算整个管网的压力平衡来重新分配各节点流 量。燃气管网水力计算方程组为非线性方程组 ， 直 接求解困难 ， 可以通过解环方程法 、 解节点方程法和 解管段方程法把非线性方程转化 为线性方程后求 解 。由于解节点方程法准备原始数据 的工作量少 ， 迭代计算初值精度要求不高 ， 计算速度较快 ， 所以多 气源管网水力计算程序采用解节点方程法 J 。 气源点的自 动重新编号 图 1 、 2为多气源管网水力计算 图， 图 1是气源 点重新编号前的 ， 图 2是气源点重新编号后的。 图 1 气源点重新编号前水 力计算 图 _ f L 1 r J 定 一 广 图2 气源点重新编号后水力计算图 图1 、 2中1 、 2 表示节点编号， 、 表示管 段编号。管网水力计算程序 中节点 的编号是按照在 可视化窗 口中， 使用者用 鼠标绘制管道 的先后顺序 由计算机 自动排列的。例如管段 的起 点是 1 ， 终 点是2 ； 管段的起点是3 ， 终点是管段的起点 1 。 水力计算时 ， 需要选取一个 已知压力气源点 4作 为 基准点 ， 把此基准点编为所有节点编号的最大值 9 ( 见图2 ) ， 其他节点 的压力以它为基准计算 。用解 节点方程法计 算时 ， 每个节 点对应一个节点方程。 由于方程组的线性相关性 ， 基准点方程不是独立方 程 ， 不参与方程组计算 ， 其流量可以通过其他节点得 出。对于定流量气源点和普通节点相似 ， 编号没有 特殊要求。而由于定压气源点节点方程 中的未知数 和普通节点不一致 ， 为 了方便求解 ， 将其随基准点从 大到小编排 ， 编号为 8 、 7( 见 图 2 ) 。由于管线绘制 的先后顺序 、 管道 的添加或删除、 气源点 的变动等使 得原有程序中的节点 自动编号很难满足多气源管网 的编号要求 ， 可以通过在节点参数中加入气源属性 ( 定压点或者基准点) 来确定气源的特性， 在计算之 前对管网自动重新编号。从 图 1和图2比较可以得 出重新编号的 3条规律。 a 气源点的重新编号只影响气源点 4所在管段 之后的管段节点编号， 之前的管段与管段的 节点编号并不发生改变。 b 在气源点 4所在的管段之后的管段节点编 号中大于当前气源点编号 4的节点， 证明是气源点 4之后的节点 ， 其序号要减小 ， 如节点 5 、 7 、 8 ； 如果小 于当前气源点编号 4的节点 ， 证 明是气源点 4之前 的节点 ， 不受气 源点重新 编号的影响 ， 节点 编号不 变 ， 如节点 1 、 2 、 3 。 c 气源点之后节点序号减少的数量取决于此节 点所在管段之前 的管段 中气源点的个数 ， 其编号为 原节点编号减去此节点之前气源点的个数 。如气源 点 4之后的节点 5之前只有一个气源点 4， 所 以气 源点 5的编号减 1 为 4 ( 见图 2 ) ， 同理节点 7 、 8 变为 节点 5 、 6 ( 见 图2 ) 。 基于此规律 ， 多气源节点重新编号 的思路见图 3。 自动更改不合理管段的燃气流向 多气源管 网中由于来气方 向不只一个 ， 供气选 择有很多种， 故很难在计算之前合理地确定每条管 段 的流向， 需要对初设流 向不合理的管段 自动更改 其流向。首先遍历管段链表找到水力计算结果 中压 力降为负值的管段， 然后选择与背景颜色相同的白 色画笔按照原来的流 向绘制流向三角形 ， 则去掉 了 错误的流向， 再换 回黑色的画笔 ， 以相反的流向绘制 新 的流向三角形 ， 同时把 管段数据中相关管段的起 点和终点互换 ， 管段压降改为相反数。 B 06 w w w g a s a n d h e a t c o m 张宁， 等 ： 多气源燃气管 网水 力计算程序 的开发 第 2 9卷第 6期 图 3 多气源节点重 新编 号思路 多气源燃气管网水力计算程序流程见 图4 。 改为普通节点， 在原 l 5号节点位 置新建 1 个气源 ， 其他条件相同， 水力计算结果见图 7 。 选择 管网压力级别 绘制管段 ， 节 点 自动编号 管段 、 节点处双击鼠标 ， 输入计算参数并标注气源位置 多气 源节点重新编号 解节点方程法进行水力计算 是否需要管段或者节点修 改 、一 否 自动标注水力计算结果 管段或者节点编辑 是 图 4 多气 源燃气 管网水 力计 算程序流程 3 水力计算实例 已知 ： 某中压多气源燃气管 网， 两个气源点的压 力都是 0 1 5 M P a ， 节点 3 0个 ， 管段 3 1条 ， 局部阻力 取沿程阻力的 0 1倍 ， 燃气相对密度 0 6 0 1 ， 运动黏 度 1 5 x 1 0 m s ， 管材为钢管 ， 管 网计算温度 1 O 。管网示意图见图5 ， 水力计算结果见图6 。当删 除 l 21 3管段 ， 在 2 02 5管段 中间加人一个新用 气点 ， 3 0号气源附近增加 3条新管段 ， 将 2 9号气源 B 0 7 图 5 中压 管网示意图 图 6 中压 多气 源管网水力计算结果 第2 9卷第6 期 煤 气 与 热 力 w 、 g a s a n d h e a t c o rn 图 7管网结构变更后水力计算结果 4 结 论 利用解节点方程法开发了多气源燃气管网水力 计算程序 ， 能够在可视化界面中绘制管网计算 图， 计 算机对管段和节点 自动编号 ， 在管网结构变更后 ， 对 其编号重新编排 ， 使气源点编号居后排列 ， 基准点编 号为最大， 方便管网节点方程的求解 。人机对话输 入管网参数 ， 实现管网和数据两者的紧密结合 ， 具有 管段删除、 截断等编辑功能 ， 并且能够 自动根据计算 结果更改不合理的初设燃气流向。计算结果 自动标 注在水力计算图中， 随图形保存 ， 方便 日后查询。 参考文献 ： 1 姜东琪， 杜建梅 ， 崔建华， 等燃气管网水力计算及水 力计算图的绘制 J 煤气与热力 ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 5 ) ： 4 5 3 45 5 李成乐， 田贯三 燃气管网水力计算 图节点计算机 自 动编号的方法 J 山东建筑工程学院学报， 2 0 0 5 ， 2 0 ( 4 ) ： 5 1 5 4 李成乐， 田贯三燃气管网水力计算图计算机输入的 探讨 J 煤气与热力， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 3 23 5 左丽丽， 吴长春燃气管网水力计算节点及管段编号 的探讨 J 煤气与热力 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 3 ) ： 3 6 3 9 田贯三， 张增刚， 江亿城镇天然气管网水力分析数学 模型与计算方法 J 天然气工业， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 3 ) ： 9 6 98 田贯三， 刘燕，