燃氣管網(wǎng)水力計算研究進展

李小玲，王金巖

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

燃氣管網(wǎng)水力計算研究進展

李小玲，王金巖

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

城市燃氣管道輸配系統(tǒng)水力計算結(jié)果關系到輸配系統(tǒng)經(jīng)濟性和可靠性的問題，是城鎮(zhèn)燃氣規(guī)劃與設計中的一項重要工作。較為詳細地論述了燃氣管網(wǎng)水力計算研究進展情況。在現(xiàn)有研究基礎上應加大研究力度，進一步研究燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化、各種算法在燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)中的合理應用、復雜管網(wǎng)系統(tǒng)計算精度以及水力計算軟件的開發(fā)等問題。

燃氣管道輸送；水力計算；優(yōu)化

我國燃氣事業(yè)迅速發(fā)展，采用管道輸送燃氣的城市占多數(shù)，燃氣管道的設計是燃氣工程建設中一項不可忽視的重要內(nèi)容。在燃氣管道設計中，離不開管道的水力計算。

城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)水力計算的目的是在管網(wǎng)布線和供氣量已知的前提下，確定管段的管徑和節(jié)點壓力，對多種方案進行比較，確定符合供氣規(guī)劃、技術可行、經(jīng)濟合理的最佳方案。

燃氣管道水力計算的任務主要有兩個，一是根據(jù)計算流量和規(guī)定的壓力損失來計算管徑，進而決定管道投資和金屬消耗，另外是對已有管道進行流量和壓力損失的驗算，以充分發(fā)揮管道的輸氣能力，或決定是否需要對原有管道進行改造。因此，正確地進行水力計算，是關系到輸配系統(tǒng)經(jīng)濟性和可靠性的問題，是城鎮(zhèn)燃氣規(guī)劃與設計中的一項重要工作。一般情況下，進行燃氣管道水力計算時，普遍采用《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》（GB50028-2006）[1]中規(guī)定的燃氣管道基本水力計算公式。

近些年燃氣行業(yè)的研究人員做了一些管網(wǎng)水力計算的研究工作，主要體現(xiàn)在水力計算方法、水力計算精度及其影響因素、水力計算程序和軟件開發(fā)等幾個方面。筆者在總結(jié)和學習同行研究內(nèi)容和研究進展的基礎上提出了個人對燃氣管網(wǎng)水力計算研究的看法。

1 水力計算方法研究

燃氣管網(wǎng)水力分析數(shù)值計算迭代法主要有三種，分別是解環(huán)方程法、節(jié)點法、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)點法是滿足節(jié)點連續(xù)方程的基礎上，把管段流量通過管段壓降計算公式轉(zhuǎn)化為用管段兩端的節(jié)點壓力表示，使連續(xù)方程轉(zhuǎn)化為滿足能量方程和以節(jié)點壓力為變量的方程組，通過求解方程組得出各節(jié)點壓力。解管段方程法是把節(jié)點連續(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，通過線性化進行迭代逼近求解。

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

圖1 定壓多氣源點管網(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氣管網(wǎng)優(yōu)化中的應用。遺傳算法是一種全局搜索算法，以決策變量的編碼為運算對象，操作簡單，搜索效率較高，而且直接以適應度作為搜索信息，不需要其他信息，已被廣泛應用于給水管網(wǎng)優(yōu)化。遺傳算法在燃氣管網(wǎng)水力計算中應用是借鑒了給水管網(wǎng)的先例[6-8]。遺傳算法首先可以應用于燃氣管網(wǎng)布局優(yōu)化設計，如文獻[9]以枝狀管網(wǎng)為研究對象，以管道長度最短為優(yōu)化目標，設計了燃氣管網(wǎng)優(yōu)化布局的搜索過程。其次，遺傳算法可以應用與優(yōu)化燃氣管網(wǎng)的管徑。如文獻[10]以管網(wǎng)的造價和管網(wǎng)的運行費用為目標函數(shù)，建立了以滿足燃氣管網(wǎng)的水力平衡和最低壓力為約束條件的數(shù)學模型，求解出了優(yōu)化的管徑，并進行了水力計算。遺傳算法得出的優(yōu)化管徑不但經(jīng)濟，而且滿足管網(wǎng)水力平衡的要求。此外，目前國內(nèi)還很少有研究將遺傳算法應用于燃氣管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度和管網(wǎng)現(xiàn)狀分析方面。可以嘗試著把遺傳算法應用在燃氣管網(wǎng)優(yōu)化問題中，建立適合于燃氣管網(wǎng)優(yōu)化問題的數(shù)學模型并以實例加以驗證。

黃葵等[11]研究了瞬態(tài)模擬計算方法在城市燃氣高壓輸送管網(wǎng)中的應用。以往設計中通常采用某一瞬時管道內(nèi)介質(zhì)的穩(wěn)定工況代替非穩(wěn)定工況近似計算，計算結(jié)果與實際運行結(jié)果存在較大偏差。瞬態(tài)模擬計算方法可以確定各級管網(wǎng)的調(diào)峰能力、與不同壓力級制管網(wǎng)連接的調(diào)壓站的通過能力，并進行設計優(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)峰要求的來氣條件，在經(jīng)濟合理的前提下，使上游更好地滿足城市用戶的用氣需求；可以對高壓管道可能發(fā)生的事故工況和管道存氣進行動態(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對水力計算的影響。燃氣管網(wǎng)水力計算時，通?？紤]城市管道的壓力小于1.6 MPa，因此取壓縮因子Z=1，以此推導出的高中低壓燃氣管道水力計算公式基本能滿足精度要求。然而，隨著近年來我國西氣東輸、川氣東送及沿海各地LNG工程的實施，城市燃氣的供氣范圍和輸氣壓力范圍相應擴大，出現(xiàn)了高壓、超高壓管網(wǎng)，使得現(xiàn)有的燃氣管道水力計算公式已不適合新的情況，因此，研究人員研究采用計算精度較高的方程，應用與城市燃氣管網(wǎng)的水力計算。

研究得到高壓或超高壓管網(wǎng)的計算公式（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)水力計算中的物性計算，以解決原有城市高壓天然氣管網(wǎng)水力計算公式不能滿足高壓低溫時精度要求的問題。對整個管網(wǎng)，若供氣點壓力要求條件相同，那么如果考慮燃氣的可壓縮性，管段的沿程阻力就會減小，從而可以通過減小來氣點壓力達到減少運行費用的目的。此外，如果仍保持來氣點的壓力不變，則各供氣點的作用半徑就會增大；在進行管網(wǎng)設計計算時，如果保持相同的來氣點壓力和供氣點壓力，則可以減小管徑，從而可以達到減少初投資的目的。

張寧等[13]研究了流量折算系數(shù)a對中壓輸配管網(wǎng)水力計算的影響。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)進行簡化,會造成節(jié)點壓力的相對誤差偏大,甚至超過5%的工程精度要求，對于更大型的管網(wǎng)這種偏差還會更大。研究給出了推薦的流量折算系數(shù)可提高計算精度。（b）應該盡量在遠離氣源的支管段上簡化節(jié)點，減少在靠近氣源的干管段上簡化節(jié)點的個數(shù)。因為簡化節(jié)點處于遠離氣源的支管段比處于氣源附近的干管段對水力計算結(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)對燃氣管網(wǎng)水力計算的影響。任熾明等[15]研究了低壓管網(wǎng)計算壓力降的分配對管網(wǎng)水力計算的影響。廣宏等[16]研究了高原氣候?qū)芫W(wǎng)水力計算的影響。俞善東、董正遠等[17,18]研究了高程差對高壓燃氣管線水力計算結(jié)果的影響。在城市燃氣管網(wǎng)中，當標高的差值不太大時，運動方程中的重力相一般忽略不計。俞善東利用管道仿真軟件Pipeline studio中氣體模擬器TGNET對忠縣至豐都的高壓燃氣管線分別進行了按水平管和按實際高程計算通過能力的穩(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?shù)卮髿鈮罕葮藴蚀髿鈮旱?。低氣壓對管網(wǎng)水力計算是存在影響的。在高原低氣壓地區(qū)進行燃氣管道設計時應考慮當?shù)氐臍鈮河绊?，在進行水力計算時乘以壓力損失系數(shù)。公式（2）適用于高原低氣壓地區(qū)計算低壓燃氣分配管段。

3 水力計算程序和軟件開發(fā)的研究

丁國玉等[19]以AutoCAD為平臺，采用VB二次開發(fā)技術實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)管段節(jié)點坐標的讀取，自動生成燃氣管網(wǎng)水力計算圖；采用VC++可視化編程語言，編制了城市燃氣管網(wǎng)水力計算軟件，核心程序是基于節(jié)點法。該研究方便了復雜燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)水力計算的工作量，提高了工作效率。張寧等[20]利用解節(jié)點方程法開發(fā)了多氣源燃氣管網(wǎng)水力計算程序并通過實例進行驗證。該程序能夠在可視化界面中繪制管網(wǎng)計算圖，對管段和節(jié)點自動編號。胡小龍[21]開發(fā)的水力計算算法是在形成管網(wǎng)圖及水力計算所需參數(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行多氣源（同一種燃氣，多個供氣點)、多環(huán)復雜管網(wǎng)的水力計算，此算法穩(wěn)定，系統(tǒng)運算時初值變化(主要指初始阻力系數(shù)、流量、壓力)、運算結(jié)果變化很小，可用于中壓、低壓管網(wǎng)設計型問題及操作型問題計算(實際管網(wǎng)最大負荷計算)。劉成等[22]研究了利用著名的地理信息系統(tǒng)套裝軟件ArcGIS管理燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)，以特殊方式直接讀取ArcMap的燃氣管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)，并完成整個管網(wǎng)的水力計算。水力計算模塊運行穩(wěn)定，執(zhí)行效率較高，計算724個有效節(jié)點的中壓燃氣管網(wǎng)時，求解60次（迭代15 s）后即可得到穩(wěn)定的管段流量和節(jié)點壓力。

4 結(jié) 論

城市燃氣管道輸配系統(tǒng)水力計算結(jié)果關系到輸配系統(tǒng)經(jīng)濟性和可靠性的問題，是城鎮(zhèn)燃氣規(guī)劃與設計中的一項重要工作。盡管研究人員已開展了一些這方面的研究，但仍須加大研究力度。進一步研究燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化、各種算法在燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)中的合理應用、復雜管網(wǎng)系統(tǒng)的水力計算精度和水力計算軟件的開發(fā)等問題。

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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：從事燃氣儲存與輸配技術工作。E-mail：lingzi_1015@163.com，電話：13591565286。