燃?xì)夤芫W(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

關(guān)鍵詞：燃?xì)夤芫W(wǎng)；水力計(jì)算；當(dāng)量粗糙度；遺傳算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

隨著我國(guó)發(fā)展軌跡逐步實(shí)現(xiàn)低碳化，人們對(duì)作為清潔能源的天然氣需求量也不斷增加。天然氣的開(kāi)發(fā)與利用是與管網(wǎng)建設(shè)相輔相成的。為滿(mǎn)足人們對(duì)天然氣的使用需求，輸配氣網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)越來(lái)越大且越來(lái)越復(fù)雜。近年來(lái)，管網(wǎng)系統(tǒng)已不再是簡(jiǎn)單的枝狀或環(huán)狀管網(wǎng)，而是呈現(xiàn)出點(diǎn)多、面廣、線(xiàn)長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。國(guó)內(nèi)城市輸配燃?xì)庀到y(tǒng)的管網(wǎng)形態(tài)，大多采用多氣源的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，即由環(huán)狀和環(huán)枝狀管網(wǎng)組成。

天然氣是一種安全性高、環(huán)保清潔、價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯的優(yōu)質(zhì)能源[3]，其成分中含有85%的甲烷和少量的硫化氫等有毒物質(zhì)，若對(duì)其管理或使用不當(dāng)，易引發(fā)爆炸、氣體中毒等安全隱患，因此對(duì)天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和可靠性的要求將更加嚴(yán)格。此外，由于天然氣輸配管網(wǎng)通常集中在人口或公共設(shè)施密集處，若發(fā)生燃?xì)庑孤┦鹿剩瑢O大地影響周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全?？紤]到燃?xì)夤芫W(wǎng)的復(fù)雜性、測(cè)試成本、環(huán)境保護(hù)等因素，開(kāi)發(fā)城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)用該仿真系統(tǒng)，用戶(hù)可以更好地掌握管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)程度，如泄漏點(diǎn)、泄漏事故范圍等；可作為燃?xì)夤?yīng)商優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)及其運(yùn)行調(diào)度管理的理論依據(jù)，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

2 燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算數(shù)學(xué)模型（Mathematical modelof hydraulic calculation of gas pipeline network）

天然氣管網(wǎng)水力計(jì)算是天然氣管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。水力計(jì)算的目的是求解合適的管道口徑、長(zhǎng)度和截面壓力，確保供氣計(jì)劃在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理。環(huán)形燃?xì)夤芫W(wǎng)由各種氣源組成。本文將復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一系列節(jié)點(diǎn)和管段。管網(wǎng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)處可由不同管段進(jìn)行連接，因此一個(gè)節(jié)點(diǎn)的供氣，可由多種不同的氣源組合而成。為了滿(mǎn)足居民的供氣需求，要求保證同一節(jié)點(diǎn)的燃?xì)膺M(jìn)出量保持平衡。當(dāng)燃?xì)夤芫W(wǎng)的一段內(nèi)徑發(fā)生變化時(shí)，不僅相應(yīng)段內(nèi)的氣流分布方式會(huì)發(fā)生變化，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力也會(huì)發(fā)生變化。本文所提模擬系統(tǒng)按需設(shè)置三個(gè)初始變量：管段流量、壓力降、管徑。

設(shè)環(huán)狀燃?xì)夤芫W(wǎng)的管段數(shù)為N、節(jié)點(diǎn)數(shù)為m、環(huán)數(shù)為n，三者符合關(guān)系式：

2.2 摩擦阻力系數(shù)的確定

管道摩擦阻力系數(shù)受多種因素影響，如管段材質(zhì)、內(nèi)徑、管內(nèi)氣體組成、管道安裝方式等，它是影響燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算精度的主要因素。對(duì)該系數(shù)進(jìn)行處理，對(duì)于提高水力計(jì)算的準(zhǔn)確性、收斂性、適用性都具有至關(guān)重要的作用。

對(duì)比《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028—93）和《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028—2006）中的燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算求解公式可知，《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028—2006）采用的是柯列勃洛克公式，其適用于低壓和中高壓燃?xì)廨斉涔艿?。公式如下?/p>

公式（9）中：λ為摩擦阻力系數(shù)；K為管壁內(nèi)表面的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度（mm）；d為管道內(nèi)徑（mm）；Re為雷諾數(shù)。

柯氏公式則適用于各種管材，既適用于湍流狀態(tài)下摩擦阻力系數(shù)的計(jì)算，也可替代層流狀態(tài)、臨界狀態(tài)摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式，適用范圍非常廣泛[5]。

3 管網(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)計(jì)算程序編制（Programmingof simulation system for hydraulic regime of pipelineNetwork）

本文以有限元節(jié)點(diǎn)法為基礎(chǔ)，使用VS 2017 C++語(yǔ)言編寫(xiě)了管網(wǎng)水力工況仿真系統(tǒng)的計(jì)算程序。摩擦阻力系數(shù)依據(jù)《城市燃?xì)庖?guī)劃規(guī)范》（GB50028—2006）中指定的Cole brook公式。通過(guò)遺傳算法對(duì)當(dāng)量粗糙度參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并將其真實(shí)值引入仿真系統(tǒng)的計(jì)算程序中，得到接近實(shí)際工況的水力計(jì)算結(jié)果。由此，獲得了管網(wǎng)中各類(lèi)氣源的供氣范圍，確定了供氣壓力，為管網(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)研發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。

3.1 有限元節(jié)點(diǎn)法模擬步驟

（1）根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，整理總結(jié)管網(wǎng)所需的基本數(shù)據(jù)，如管段數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、管徑、管材、途泄流量等，以Excel格式錄入系統(tǒng)。

（2）確定環(huán)狀管網(wǎng)最末管段終點(diǎn)位置及氣流方向。默認(rèn)氣流方向與高壓流向低壓的方向相同。

（3）初始時(shí)，設(shè)管段流量q，求解途泄流量和轉(zhuǎn)輸流量。

（4）依次求解節(jié)點(diǎn)壓力、管段壓力降、管段流量。

（5）準(zhǔn)確性校驗(yàn)。若所得精度滿(mǎn)足要求，則輸出計(jì)算結(jié)果；否則，將所得結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算修正后，重復(fù)第（4）步驟，直到準(zhǔn)確性達(dá)標(biāo)，即第K+1次q的與q差的絕對(duì)值滿(mǎn)足精度[6]。

工程計(jì)算中常使用高斯賽德?tīng)柕ê脱趴杀鹊?，本文程序編?xiě)采用的是基于高斯賽德?tīng)柕ㄇ蠼夤?jié)點(diǎn)壓力。相比雅可比迭代法，高斯賽德?tīng)柕ü?jié)約的內(nèi)存空間更多，收斂速度更快，效果更優(yōu)越[7]。

3.2 當(dāng)量粗糙度辨識(shí)流程

在天然氣管網(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)中，一些參數(shù)是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或理論計(jì)算得來(lái)的。由于日常使用時(shí)，受管道使用年限變化及管內(nèi)氣體的影響，管道數(shù)據(jù)參數(shù)可能會(huì)有偏差。基于此，本文采用管道過(guò)氣能力系數(shù)替代容易出現(xiàn)偏差的參數(shù)，進(jìn)一步保障管網(wǎng)安全穩(wěn)定可靠的運(yùn)行狀況。管道過(guò)氣能力系數(shù)包含多種影響因素，如摩擦阻力系數(shù)、摩擦阻力損失、當(dāng)量粗糙度等，其中當(dāng)量粗糙度是影響最大的因素。

鑒于遺傳算法可視為由可行解組成的群體迭代進(jìn)化的進(jìn)程[8-10]，針對(duì)我國(guó)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)兼具復(fù)雜性和廣泛性的特點(diǎn)，已有利用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)的研究[11-14]。本文采用的遺傳算法對(duì)選擇、交叉和變異三個(gè)步驟進(jìn)行了改進(jìn)：①本文所使用的選擇運(yùn)算有賭輪盤(pán)法、錦標(biāo)賽選擇法、精英保留法；②通過(guò)自適應(yīng)的方式調(diào)整交叉概率P的大小，其取值可根據(jù)遺傳算法的進(jìn)化程度和后代個(gè)體的優(yōu)化程度而定；③變異概率P也采用自適應(yīng)的方法確定，其取值大小取決于遺傳算法個(gè)體進(jìn)化情況的好壞。參數(shù)辨識(shí)當(dāng)量粗糙度K的算法流程如圖1所示。

首先，獲取管網(wǎng)所需的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括管段壓降、節(jié)點(diǎn)流量和節(jié)點(diǎn)壓力等，推算出K值。如果K值符合準(zhǔn)確性要求，則結(jié)束程序；否則，利用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，使得其理論值與實(shí)際值的差值最小，從而獲得管網(wǎng)中每一根管道當(dāng)量粗糙度K的優(yōu)化值。改進(jìn)后的遺傳算法在對(duì)K值尋優(yōu)的過(guò)程中，迭代的穩(wěn)定性好，最終結(jié)果逐漸收斂于定值。

4 燃?xì)夤芫W(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)及水力計(jì)算案例分析（Hydraulic regime simulation system of gas pipelinenetwork and case analysis of hydraulic calculation）

本文開(kāi)發(fā)的燃?xì)夤芫W(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)主界面如圖2所示，其數(shù)據(jù)包含管段、源點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)表。系統(tǒng)界面有四個(gè)功能按鍵：“數(shù)據(jù)確認(rèn)”“流量預(yù)測(cè)計(jì)算”“當(dāng)量粗糙度辨識(shí)”“CAD數(shù)據(jù)回顯”。

模擬系統(tǒng)使用步驟如圖3所示。

鑒于篇幅有限，本文按辨識(shí)值進(jìn)行軟件仿真，并對(duì)其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析。以某城市中高壓天然氣管網(wǎng)為例，其為多氣源環(huán)狀和環(huán)枝狀管網(wǎng)，由不同管材組成，同時(shí)壓力級(jí)別不同。將具體信息以Excel格式錄入，該城市燃?xì)夤芫W(wǎng)有100個(gè)管段、86個(gè)節(jié)點(diǎn)和6個(gè)氣源廠(chǎng)，總環(huán)數(shù)為15個(gè)，管網(wǎng)具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下：溫度為293.15 K；運(yùn)動(dòng)黏度為0.000 015 m/s；氣體密度為0.75 kg/m；壓縮因子為1；中高壓（表壓）閾值為131.325 kPa；當(dāng)量粗糙度為0.01—3 mm。

管網(wǎng)各管段的信息詳見(jiàn)表1，其中管材1為PE管，管材2為新鋼管，管材3為舊鋼管。

當(dāng)量粗糙度的辨識(shí)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

按K辨識(shí)值進(jìn)行仿真的計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3至表5。

對(duì)辨識(shí)值仿真結(jié)果進(jìn)行分析可知，相較于按工程理論值仿真氣源廠(chǎng)流量和節(jié)點(diǎn)壓力，按辨識(shí)值仿真的結(jié)果更接近真實(shí)值。獲得的氣源廠(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表6至表7。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，相較于按工程經(jīng)驗(yàn)值或理論值對(duì)氣源廠(chǎng)流量和節(jié)點(diǎn)壓力進(jìn)行仿真，采用辨識(shí)值得到的仿真結(jié)果更貼近真實(shí)值。案例中共迭代19次為0.02，運(yùn)算時(shí)間約為3 s。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的管網(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)可對(duì)當(dāng)量粗糙度進(jìn)行合理辨識(shí)，適用于多環(huán)、多氣源點(diǎn)、環(huán)狀、枝狀管網(wǎng)。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文開(kāi)發(fā)了一種天然氣管網(wǎng)水力工況模擬系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。模型經(jīng)案例驗(yàn)證，其運(yùn)算速度快、迭代次數(shù)少，大大提高了計(jì)算精度和工作效率；可用于多環(huán)、多氣源點(diǎn)、環(huán)狀、枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算，有效地解決燃?xì)夤芫W(wǎng)計(jì)算時(shí)出現(xiàn)的收斂速度慢或不收斂的問(wèn)題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，先對(duì)當(dāng)量粗糙度進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，再將其帶入水力計(jì)算公式得到的數(shù)據(jù)結(jié)果更精確。

鑒于本實(shí)驗(yàn)管道水力計(jì)算是在模擬環(huán)境中進(jìn)行的，其對(duì)于管網(wǎng)運(yùn)作的工況分析以及水力計(jì)算結(jié)果的可靠性還有待進(jìn)一步的實(shí)踐驗(yàn)證和理論研究。

作者簡(jiǎn)介：

姚先威（1994-），男，本科，助理工程師.研究領(lǐng)域：油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)，自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)集成，軟件開(kāi)發(fā).

史云怡（2000-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)集成，軟件開(kāi)發(fā).