李小玲，王金巖

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算研究進(jìn)展

李小玲，王金巖

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

城市燃?xì)夤艿垒斉湎到y(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果關(guān)系到輸配系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的問(wèn)題，是城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)劃與設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。較為詳細(xì)地論述了燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算研究進(jìn)展情況。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上應(yīng)加大研究力度，進(jìn)一步研究燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化、各種算法在燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)中的合理應(yīng)用、復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算精度以及水力計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)等問(wèn)題。

燃?xì)夤艿垒斔?；水力?jì)算；優(yōu)化

我國(guó)燃?xì)馐聵I(yè)迅速發(fā)展，采用管道輸送燃?xì)獾某鞘姓级鄶?shù)，燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計(jì)是燃?xì)夤こ探ㄔO(shè)中一項(xiàng)不可忽視的重要內(nèi)容。在燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中，離不開(kāi)管道的水力計(jì)算。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算的目的是在管網(wǎng)布線和供氣量已知的前提下，確定管段的管徑和節(jié)點(diǎn)壓力，對(duì)多種方案進(jìn)行比較，確定符合供氣規(guī)劃、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的最佳方案。

燃?xì)夤艿浪τ?jì)算的任務(wù)主要有兩個(gè)，一是根據(jù)計(jì)算流量和規(guī)定的壓力損失來(lái)計(jì)算管徑，進(jìn)而決定管道投資和金屬消耗，另外是對(duì)已有管道進(jìn)行流量和壓力損失的驗(yàn)算，以充分發(fā)揮管道的輸氣能力，或決定是否需要對(duì)原有管道進(jìn)行改造。因此，正確地進(jìn)行水力計(jì)算，是關(guān)系到輸配系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的問(wèn)題，是城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)劃與設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。一般情況下，進(jìn)行燃?xì)夤艿浪τ?jì)算時(shí)，普遍采用《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028-2006）[1]中規(guī)定的燃?xì)夤艿阑舅τ?jì)算公式。

近些年燃?xì)庑袠I(yè)的研究人員做了一些管網(wǎng)水力計(jì)算的研究工作，主要體現(xiàn)在水力計(jì)算方法、水力計(jì)算精度及其影響因素、水力計(jì)算程序和軟件開(kāi)發(fā)等幾個(gè)方面。筆者在總結(jié)和學(xué)習(xí)同行研究?jī)?nèi)容和研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上提出了個(gè)人對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算研究的看法。

1 水力計(jì)算方法研究

燃?xì)夤芫W(wǎng)水力分析數(shù)值計(jì)算迭代法主要有三種，分別是解環(huán)方程法、節(jié)點(diǎn)法、解管段方程法。解環(huán)方程法是滿足連續(xù)方程組的基礎(chǔ)上，用求解各環(huán)校正流量的方法間接解出各管段流量。節(jié)點(diǎn)法是滿足節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程的基礎(chǔ)上，把管段流量通過(guò)管段壓降計(jì)算公式轉(zhuǎn)化為用管段兩端的節(jié)點(diǎn)壓力表示，使連續(xù)方程轉(zhuǎn)化為滿足能量方程和以節(jié)點(diǎn)壓力為變量的方程組，通過(guò)求解方程組得出各節(jié)點(diǎn)壓力。解管段方程法是把節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程和環(huán)能量方程聯(lián)立，并轉(zhuǎn)化為以管段流量為變量的方程組，通過(guò)線性化進(jìn)行迭代逼近求解。

清華大學(xué)田貫三等[2-4]研究了數(shù)值計(jì)算方法存在的主要問(wèn)題：（a）定壓多氣源點(diǎn)管網(wǎng)水力計(jì)算的虛平衡問(wèn)題（用解環(huán)狀方程法進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，結(jié)果出現(xiàn)由A點(diǎn)推算2節(jié)點(diǎn)的壓力不等于由B節(jié)點(diǎn)推算2節(jié)點(diǎn)的結(jié)果，如圖1）。引入開(kāi)環(huán)能量方程后，再用解環(huán)方程法進(jìn)行水力計(jì)算將消除虛平衡問(wèn)題，同時(shí)也使得解管段方程法能計(jì)算多源點(diǎn)定壓水力問(wèn)題。（b）疊代計(jì)算中的不收斂問(wèn)題。當(dāng)管網(wǎng)中的某些管段管徑過(guò)大或流量過(guò)小時(shí)，疊代計(jì)算過(guò)程中就會(huì)存在不收斂或收斂精度低的問(wèn)題，將影響水力計(jì)算的準(zhǔn)確性。解決不收斂問(wèn)題的方法是用插值法，即在分界點(diǎn)處兩側(cè)各劃出一定范圍，在該范圍內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)用兩個(gè)公式進(jìn)行插值計(jì)算。（c）壓縮機(jī)供氣管網(wǎng)水力計(jì)算沒(méi)有把壓縮機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)結(jié)合到水力計(jì)算過(guò)程中去，水力結(jié)果與管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況不符，水力結(jié)果不可靠?？梢酝ㄟ^(guò)引入虛管段和虛氣源點(diǎn)的方法來(lái)解決這一問(wèn)題。

圖1 定壓多氣源點(diǎn)管網(wǎng)示意圖Fig.1 The sketch map of constant pressure pipe network with multiple gas sources

李悅敏等人[5]研究了遺傳算法在燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用。遺傳算法是一種全局搜索算法，以決策變量的編碼為運(yùn)算對(duì)象，操作簡(jiǎn)單，搜索效率較高，而且直接以適應(yīng)度作為搜索信息，不需要其他信息，已被廣泛應(yīng)用于給水管網(wǎng)優(yōu)化。遺傳算法在燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算中應(yīng)用是借鑒了給水管網(wǎng)的先例[6-8]。遺傳算法首先可以應(yīng)用于燃?xì)夤芫W(wǎng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn)[9]以枝狀管網(wǎng)為研究對(duì)象，以管道長(zhǎng)度最短為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化布局的搜索過(guò)程。其次，遺傳算法可以應(yīng)用與優(yōu)化燃?xì)夤芫W(wǎng)的管徑。如文獻(xiàn)[10]以管網(wǎng)的造價(jià)和管網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，建立了以滿足燃?xì)夤芫W(wǎng)的水力平衡和最低壓力為約束條件的數(shù)學(xué)模型，求解出了優(yōu)化的管徑，并進(jìn)行了水力計(jì)算。遺傳算法得出的優(yōu)化管徑不但經(jīng)濟(jì)，而且滿足管網(wǎng)水力平衡的要求。此外，目前國(guó)內(nèi)還很少有研究將遺傳算法應(yīng)用于燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化調(diào)度和管網(wǎng)現(xiàn)狀分析方面?？梢試L試著把遺傳算法應(yīng)用在燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題中，建立適合于燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型并以實(shí)例加以驗(yàn)證。

黃葵等[11]研究了瞬態(tài)模擬計(jì)算方法在城市燃?xì)飧邏狠斔凸芫W(wǎng)中的應(yīng)用。以往設(shè)計(jì)中通常采用某一瞬時(shí)管道內(nèi)介質(zhì)的穩(wěn)定工況代替非穩(wěn)定工況近似計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果存在較大偏差。瞬態(tài)模擬計(jì)算方法可以確定各級(jí)管網(wǎng)的調(diào)峰能力、與不同壓力級(jí)制管網(wǎng)連接的調(diào)壓站的通過(guò)能力，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；可以根據(jù)瞬態(tài)模擬結(jié)果向上游提出滿足城市供氣和調(diào)峰要求的來(lái)氣條件，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，使上游更好地滿足城市用戶的用氣需求；可以對(duì)高壓管道可能發(fā)生的事故工況和管道存氣進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，為管道的安全性和事故工況的分析提供依據(jù)。

2 水力計(jì)算精度及其影響因素研究

彭繼軍等[12]研究了壓縮因子Z對(duì)水力計(jì)算的影響。燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算時(shí)，通?？紤]城市管道的壓力小于1.6 MPa，因此取壓縮因子Z=1，以此推導(dǎo)出的高中低壓燃?xì)夤艿浪τ?jì)算公式基本能滿足精度要求。然而，隨著近年來(lái)我國(guó)西氣東輸、川氣東送及沿海各地LNG工程的實(shí)施，城市燃?xì)獾墓夥秶洼敋鈮毫Ψ秶鄳?yīng)擴(kuò)大，出現(xiàn)了高壓、超高壓管網(wǎng)，使得現(xiàn)有的燃?xì)夤艿浪τ?jì)算公式已不適合新的情況，因此，研究人員研究采用計(jì)算精度較高的方程，應(yīng)用與城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的水力計(jì)算。

研究得到高壓或超高壓管網(wǎng)的計(jì)算公式（1）：

篩選出精度較高的BWR狀態(tài)方程用于高壓天然氣管網(wǎng)水力計(jì)算中的物性計(jì)算，以解決原有城市高壓天然氣管網(wǎng)水力計(jì)算公式不能滿足高壓低溫時(shí)精度要求的問(wèn)題。對(duì)整個(gè)管網(wǎng)，若供氣點(diǎn)壓力要求條件相同，那么如果考慮燃?xì)獾目蓧嚎s性，管段的沿程阻力就會(huì)減小，從而可以通過(guò)減小來(lái)氣點(diǎn)壓力達(dá)到減少運(yùn)行費(fèi)用的目的。此外，如果仍保持來(lái)氣點(diǎn)的壓力不變，則各供氣點(diǎn)的作用半徑就會(huì)增大；在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，如果保持相同的來(lái)氣點(diǎn)壓力和供氣點(diǎn)壓力，則可以減小管徑，從而可以達(dá)到減少初投資的目的。

張寧等[13]研究了流量折算系數(shù)a對(duì)中壓輸配管網(wǎng)水力計(jì)算的影響。研究結(jié)果表明,（a）中壓管網(wǎng)采用0.55的流量折算系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化,會(huì)造成節(jié)點(diǎn)壓力的相對(duì)誤差偏大,甚至超過(guò)5%的工程精度要求，對(duì)于更大型的管網(wǎng)這種偏差還會(huì)更大。研究給出了推薦的流量折算系數(shù)可提高計(jì)算精度。（b）應(yīng)該盡量在遠(yuǎn)離氣源的支管段上簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)，減少在靠近氣源的干管段上簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。因?yàn)楹?jiǎn)化節(jié)點(diǎn)處于遠(yuǎn)離氣源的支管段比處于氣源附近的干管段對(duì)水力計(jì)算結(jié)果的影響要小。表1給出了工程中適用的流量折算系數(shù)a值。

此外，胡吉士等[14]研究了摩阻系數(shù)對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算的影響。任熾明等[15]研究了低壓管網(wǎng)計(jì)算壓力降的分配對(duì)管網(wǎng)水力計(jì)算的影響。廣宏等[16]研究了高原氣候?qū)芫W(wǎng)水力計(jì)算的影響。俞善東、董正遠(yuǎn)等[17,18]研究了高程差對(duì)高壓燃?xì)夤芫€水力計(jì)算結(jié)果的影響。在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中，當(dāng)標(biāo)高的差值不太大時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程中的重力相一般忽略不計(jì)。俞善東利用管道仿真軟件Pipeline studio中氣體模擬器TGNET對(duì)忠縣至豐都的高壓燃?xì)夤芫€分別進(jìn)行了按水平管和按實(shí)際高程計(jì)算通過(guò)能力的穩(wěn)態(tài)模擬。

表1 工程中適用的流量折算系數(shù)aTable 1 Applicable flow conversion coefficient a in Engineering projects

高原地區(qū)海拔高，特殊的高原氣侯之一就是低氣壓(即當(dāng)?shù)卮髿鈮罕葮?biāo)準(zhǔn)大氣壓低)。低氣壓對(duì)管網(wǎng)水力計(jì)算是存在影響的。在高原低氣壓地區(qū)進(jìn)行燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐臍鈮河绊?，在進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)乘以壓力損失系數(shù)。公式（2）適用于高原低氣壓地區(qū)計(jì)算低壓燃?xì)夥峙涔芏巍?/p>

3 水力計(jì)算程序和軟件開(kāi)發(fā)的研究

丁國(guó)玉等[19]以AutoCAD為平臺(tái)，采用VB二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)管段節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的讀取，自動(dòng)生成燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算圖；采用VC++可視化編程語(yǔ)言，編制了城市燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算軟件，核心程序是基于節(jié)點(diǎn)法。該研究方便了復(fù)雜燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)水力計(jì)算的工作量，提高了工作效率。張寧等[20]利用解節(jié)點(diǎn)方程法開(kāi)發(fā)了多氣源燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算程序并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。該程序能夠在可視化界面中繪制管網(wǎng)計(jì)算圖，對(duì)管段和節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào)。胡小龍[21]開(kāi)發(fā)的水力計(jì)算算法是在形成管網(wǎng)圖及水力計(jì)算所需參數(shù)后，用深度優(yōu)先搜索遍歷算法及線性化流量平衡方法進(jìn)行多氣源（同一種燃?xì)猓鄠€(gè)供氣點(diǎn))、多環(huán)復(fù)雜管網(wǎng)的水力計(jì)算，此算法穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)算時(shí)初值變化(主要指初始阻力系數(shù)、流量、壓力)、運(yùn)算結(jié)果變化很小，可用于中壓、低壓管網(wǎng)設(shè)計(jì)型問(wèn)題及操作型問(wèn)題計(jì)算(實(shí)際管網(wǎng)最大負(fù)荷計(jì)算)。劉成等[22]研究了利用著名的地理信息系統(tǒng)套裝軟件ArcGIS管理燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)據(jù)，以特殊方式直接讀取ArcMap的燃?xì)夤芫W(wǎng)圖形數(shù)據(jù)，并完成整個(gè)管網(wǎng)的水力計(jì)算。水力計(jì)算模塊運(yùn)行穩(wěn)定，執(zhí)行效率較高，計(jì)算724個(gè)有效節(jié)點(diǎn)的中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)時(shí)，求解60次（迭代15 s）后即可得到穩(wěn)定的管段流量和節(jié)點(diǎn)壓力。

4 結(jié) 論

城市燃?xì)夤艿垒斉湎到y(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果關(guān)系到輸配系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的問(wèn)題，是城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)劃與設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。盡管研究人員已開(kāi)展了一些這方面的研究，但仍須加大研究力度。進(jìn)一步研究燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化、各種算法在燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)中的合理應(yīng)用、復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)的水力計(jì)算精度和水力計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)等問(wèn)題。

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Research Progress in Hydraulic Calculation of Gas Network

LI Xiao-ling，WANG Jin-yan
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The hydraulic calculation result of transmission and distribution system of the city gas pipeline relates to economy and reliability of the transmission and distribution system. And hydraulic calculation is an important job in the planning and design of the city gas system. In this paper, research progress in the hydraulic calculation of gas network was introduced. It was considered that the research on the hydraulic calculation of gas network should be enhanced as well as the research on optimization of gas network, reasonable application of all kinds of methods, calculation precision of complex gas network and software development of hydraulic calculation.

Gas pipeline transportation; Hydraulic calculation; Optimization

TE 832

A

1671-0460（2011）12-1246-03

2011-00-00

李小玲（1982-），女，青海西寧人，講師，博士在讀，研究方向：從事燃?xì)鈨?chǔ)存與輸配技術(shù)工作。E-mail：lingzi_1015@163.com，電話：13591565286。