CN103133868A - 一种提高供水管网可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高供水管网可靠性的方法，在现有的两个并行的管网上，确定两个网络之间的最佳连接节点，再通过1根或者2根连通管段将确定好的对应节点连通，使得两个网络互为备份，即成。所述的备份网络供应压力不能够满足故障节点需求压力，或者备份网络供应流量不能够满足故障节点需求流量的情况下，在故障下游节点增加一个增压设备。本发明方法在不改变原有网络结构的基础上，只需增加1根或者2根连通管段，将两个并行的管网对应连通，就能够同时提高两个网络的可靠性，以尽可能小的投资，得到最大化的效益。

Description

一种提高供水管网可靠性的方法

技术领域

本发明属于管网拓扑结构优化技术领域，涉及一种提高供水管网可靠性的方法。

背景技术

树状网络作为网络结构的基本形式之一，在生产生活中有着广泛的应用，例如供水网络、供气网络以及油田带压注水网络等均使用树状网络结构。树状管网因其投资较少，施工周期短而备受人们青睐，但其安全性较差，可靠性较低的缺点一直困扰着人们。

通常在研究树状管网结构时，很多情况下没有把管网节点的高度差因素考虑在内，而是直接简单化的将节点放在一个平面内研究，这样虽然简化了计算量，但这也使得结果不甚理想，有时甚至得不出最优的方案，这就间接的增加了工程投资，浪费了资源，使得整个网络的运行效率降低。节点的高度差对整个网络的优化有着很大的影响作用，因此不容忽视。

在实际生活中，一旦树状管网发生故障，就会对故障管段下游节点造成很大的影响，有时只有一部分节点可以正常工作，严重时下游节点将全部瘫痪，只有等故障排除才可以恢复管网的正常运行。对于有的树状管网有很高的压力，比如油田注水管网，为了保证生产的正常运行，工人们一般都是对高压故障管段进行带压检修，破损管段随时有爆管的可能，这对维修人员的生命构成严重的威胁，但如果完全关闭阀门进行检修，又会对生产造成严重影响，会造成较大的经济损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高供水管网可靠性的方法，解决了现有技术中的单一树状供水管网存在的可靠性低、安全性差以及工人检修高压管段高风险的问题。

本发明采用的技术方案是，一种提高供水管网可靠性的方法，在现有的两个并行的管网上，确定两个网络之间的最佳连接节点，再通过1根或者2根连通管段将确定好的对应节点连通，使得两个网络互为备份，即成。

本发明的提高供水管网可靠性的方法，其特征还在于：所述的备份网络供应压力不能够满足故障节点需求压力，或者备份网络供应流量不能够满足故障节点需求流量的情况下，在故障下游节点增加一个增压设备。

本发明的有益效果是：在不改变原有网络结构的基础上，只需增加1根或者2根连通管段，将两个并行的管网对应连通，就能够同时提高两个网络的可靠性，以尽可能小的投资，得到最大化的效益，具体包括：

1）本发明在进行管网拓扑结构优化的时候，把对应节点的高度差产生的压力考虑在内，这样虽然增加了迭代计算的复杂性，但提高了计算的精度，与实际的现场情况更加吻合，使得计算出的结果更加合理、科学。

2）本发明通过将两个邻近的网络连通为一体，两个网络互为备份，在构建网络时可以为比较容易出现故障的节点按照计算结果构建连接管段连接两个网络，当其中一个网络发生故障时，另一个网络可以使用构建的连接管段对故障网络进行需求供应。

如果没有提前构建连接管段，也可以按照本文计算出的最佳方案临时添加，这样大大增加了整个网络的可靠性，克服了单一树形网络可靠性低的缺点，尽可能的保证故障网络的正常运行，通过计算可以为实际突发问题提出合理的接入方案。

3）本发明在备份网络供应压力不能够满足故障节点需求压力，或者备份网络供应流量不能够满足故障节点需求流量的情况下，在故障下游节点增加一个增压设备（比如增压泵）。这样不仅可以降低故障管段的压力需求和连接管段的压力，还可以间接减少连接管段的投资成本和检修成本，特别是对于高压管段，既可以保证故障网络的生产需求，还可以降低工人检修时的安全风险。

附图说明

图1为本发明方法所使用的无增压设备2个水源同时供水交汇图；

图2为本发明方法所使用的有增压设备2个水源同时供水交汇图；

图3为本发明方法所使用的24节点的树形网络拓扑图；

图4为本发明方法所使用的41节点的树形网络拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的提高供水管网可靠性的方法，是在现有的两个并行独立运行的管网上，需要确定两个网络之间的最佳连接节点，再通过1根或者2根连通管段将确定好的对应节点连通，使得两个网络互为备份。

另外，可以在备份网络供应压力不能够满足故障节点需求压力，或者备份网络供应流量不能够满足故障节点需求流量的情况下，在故障下游节点增加一个增压设备（比如增压泵），即成。

设A点和B点分别为两个网络上需要连通的对应节点，并且A点是B点的上层节点，在计算步骤中，要计算连接管段两端两个节点之间的距离，在实际的施工中，两个节点之间连接管段的距离可能不尽相同，但为了简便，采用欧氏距离来代表两点间的实际距离，A和B两个节点的三维坐标分别是A＝(x₁,y₁,z₁),B=(x₂,y₂,z₂)，则A和B两个节点之间的距离L为：

$L=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2},---\left(1\right)$

在实际的管网中，连接管段的压损为：

式中：

代表管段的压损（单位是m）；

λ代表水头损失系数（无量纲）；

l代表管段的长度（单位是m）；

q_实代表管段的流量（单位是m³s）；

g代表重力加速度（单位是m/s²）；

d代表管段的内径（单位是mm）；

水由A节点流向B节点，则水压P_A＞P_B，则A和B两个节点之间的压力关系满足下式：

式中：p_A代表节点A的压力（单位是pa）；

代表管段的压损（单位是m）；

ρ代表水的密度（单位是kg/m³）；

g代表重力加速度（单位是m/s²）；

p_B代表节点B的压力（单位是pa）；

z_A代表节点A的地理高度（单位是m）；

z_B代表节点B的地理高度（单位是m）；

对于网络中的任意节点，满足质量平衡原理（节点流量平衡），初始流量分配满足吉尔霍夫第一定律，即任意节点的流量之和应等于0：

∑Q_ij+q_i＝0;(i=1,2,...,n)，          (4)

式中∑Q_ij为与节点i相关联的管段流量的代数和，j为与节点i关联的节点，q_i为节点i的流量，n为节点的个数。

采用公式（5）来衡量某一节点的水力可靠度：

${\mathrm{RS}}_j=\frac{Q_j}{Q_j^{\mathrm{req}}},---\left(5\right)$

式中：RS_j代表供水管网系统中节点j的可靠度；

Q_j代表节点j的实际可用流量，单位是升/秒；

代表节点j的需求流量，单位是升/秒；

采用以下公式（6）来衡量管段在网络中的重要性：

$\mathrm{\η}=\frac{n-n_i}{n},(i\∈(0,n-1)),---\left(6\right)$

式中：η代表网络中节点的可利用率；

n_i代表管段i出现故障后受影响的节点数；

n代表网络中节点的总个数。

本发明的提高供水管网可靠性的方法，根据不同情况，按照以下步骤具体实施：

（总的来说是2个大的方面，第一种方面包括第一、第二种情况，第二种方面包括第三、第四、第五种情况，以下情况均在假设1#管网出现故障后，需要2#管网对1#管网保障供应的情况下进行描述，反之原理相同）

第一种方面、故障节点在没有增压设备的情况下，参照图1

第一种情况、按照单管线接入考虑，具体步骤包括：

步骤1-1：根据叶子节点（因为是树形网络，所以有根节点和叶子节点之分）的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤1-2：以1#管网需求节点的压力流量值为标准，分别筛选2#管网中满足1#管网需求压力的节点和需求压力流量的节点；

步骤1-3：在满足要求的节点中，通过欧氏距离计算公式来计算1#管网需求节点到2#管网满足节点间的距离；

步骤1-4：

1-4.1）在步骤1-3计算出所有的距离中，找到满足需求节点压力需求且距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足需求压力条件的最佳节点；

1-4.2）找到既满足需求节点压力需求也满足需求节点流量需求且距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足需求压力和需求流量条件的最佳节点；如果没有满足压力流量条件的节点，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度；

1-5：如果步骤1-2中没有满足需求压力条件的节点，则利用增压泵的余量适当提高2#管网根节点的压力峰值，再重复步骤1-2；

第二种情况、故障节点在没有增压设备的情况下，参照图1，假如单根管线不能够满足1#管网的流量要求，就要考虑使用双管方式（代替单管方式）来给1#管网供水，即按照双管线接入考虑，具体步骤包括：

步骤2-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤2-2：以1#管网需求节点的压力值为标准，筛选2#管网中满足1#管网需求压力值的节点，并计算任意两个满足压力需求节点的流量和；在计算出的流量和中筛选出满足故障节点需求流量的流量和（因为考虑的是双管供水，肯定在供应网络中有两个接入点，为了求出是否满足要求，需要计算一下流量之和）；

步骤2-3：对满足需求流量的流量和的节点，通过欧氏距离计算公式计算1#管网需求节点到2#管网满足节点的距离和L（上面既然有两个管段，当然计算出的距离也有两个，为了比较大小也要计算个距离和）；

步骤2-4：在步骤2-3计算出的所有距离和L中，找出距离和的最小值，并计算接入节点的水力可靠度，求出距离和最小的2个节点，该2个节点就是满足需求压力流量条件的最佳节点；如果没有满足需求流量的流量和，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度；

步骤2-5：如果步骤2-2中没有满足需求压力条件的节点，则利用增压泵的余量适当提高2#管网根节点的压力峰值，再重复步骤2-2；

第二种方面、故障节点在有增压设备的情况下，如图2所示，假如2#管网不能满足1#管网的负荷需求，则适当降低1#管网故障管段的压力，降压后工人检修故障管段时的安全风险就降低了，但是降压后流量也会相应的减小，1#管网降压后的压力流量都不能满足负荷要求，为了满足流量需求，由2#管网供应其余下的那部分流量，为了降低1#管网对2#管网的压力要求，需要在交汇节点安装一个增压泵，把补充进来的低压水再次增压来满足以下节点的压力需求。这样就得到了一个折中，既满足了生产的需要，也降低了工人维修的安全风险，还降低了2#管网的压力要求。

第三种情况、按照单管线接入考虑，具体步骤包括：

步骤3-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤3-2：采用欧氏距离公式来计算2#管网所有的节点到1#管网需求节点的距离，并以1#管网需求节点的流量值为标准，筛选2#管网中满足1#管网需求流量的节点；

步骤3-3：

3-3.1）在步骤2计算出所有的距离中，找到距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足距离最短的最佳节点；

3-3.2）找到满足需求节点流量需求且距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足需求流量条件的最佳节点；如果没有满足流量条件的节点，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度；

第四种情况、故障节点在有增压设备的情况下，如图2所示，假如单根管线不能够满足1#管网的流量要求，就要考虑使用双管来代替单管来给1#管网供水，

按照双管线接入考虑，具体步骤包括：

步骤4-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤4-2：计算2#管网中任意两个节点的流量和，并筛选出满足需求流量的流量和；

步骤4-3：对满足需求流量的流量和的节点，通过欧氏距离计算公式计算1#管网需求节点到2#管网满足节点的距离和L；

步骤4-4：在步骤4-3计算出所有的距离和中，找出距离和的最小值，并计算接入节点的水力可靠度，求出距离和最小的那2个节点就是满足需求压力和需求流量条件的最佳节点；如果没有满足需求流量的流量和，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度；

第五种情况、考虑一部分流量由原故障管段供给，具体步骤包括：

步骤5-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤5-2：用欧氏距离公式计算2#管网所有的节点到1#管网需求节点的距离，并以1#管网需求节点的流量值为标准，筛选2#管网中满足1#管网剩余需求流量的节点；

步骤5-3：在步骤5-2计算出所有的距离中，找到满足需求节点剩余流量需求且距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足需求流量条件的最佳节点；如果没有满足剩余流量条件的节点，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度。

故障管段下游节点在没有增压设备的情况下，补给网络采用双管接入的情况会比较好一点；但在有增压设备的情况下，如果要求故障管段完全关闭或者故障管段完全断掉的情况下，补给网络仍旧采用双管接入的情况会比较好点，但如果故障管段还有流量供应能力的情况下，故障管段提供的流量与补给管段提供的流量按照n1：n2(n1+n2=1)的比例供应，会达到最优的供应效果。

实施例1

1#管网和2#管网的拓扑结构均为图3所示的24节点的树形网络拓扑图。

表1、1#管网不同管段出现故障后对整个网络的影响

从上述的表1中可以看出，不同管段在整个网络中的重要性是不同的，它们之中的哪一个出现故障后对网络的影响也是不一样的，比如，0-2号管在整个网络中最为重要，（故障后网络中节点的可利用率越小，说明节点越重要）当其发生故障后，网络的节点可利用率最小，对整个网络的影响也最大，主要是因为它处在树形网络的顶层。

假设1#管网随机产生3个故障管段，2#管网对其进行补充供给，各个方案的距离可靠度见表2所示。

技术上的最优要求是：距离越短越好，可靠度越大越好。

表2、1#管网管段出现故障后使用不同方法补充供应的结果

表2给出了不同管段出现故障后，2#管网采用不同的方法对其补充供应，不同方法所需要的管段的距离不尽相同，故障节点的可靠度也不一样，通过对比发现在故障点没有增压设备的情况下，双管接入法是最优的方法；但在有增压设备的情况下，故障管段能够提供一定比例流量需求的单管供应方法是最优的。

实施例2

1#管网和2#管网的拓扑结构均为图4所示的41节点的树形网络拓扑图。

表3、1#管网不同管段出现故障后对整个网络的影响

从表3中可以看出，不同管段在整个网络中的重要性是不同的，它们出现故障后对网络的影响也是不一样的，比如，0-2号管在整个网络中最为重要，因为它处在树形网络的顶层，当其发生故障后，对整个网络的影响也是最大的。

假设1#管网随机产生3个故障管段，需要2#管网对其进行补充供给，各个方案的距离可靠度见表4所示。

技术上的最优要求是：距离越短越好，可靠度越大越好。

表4、1#管网管段出现故障后使用不同方法补充供应的结果

表4给出了不同管段出现故障后，2#管网采用不同的方法对其补充供应，不同方法所需要的管段的距离不尽相同，故障节点的可靠度也不一样，通过对比发现在故障点没有增压设备的情况下，双管接入法是最优的方法；但在有增压设备的情况下，故障管段能够提供一定比例流量需求的单管供应方法是最优的。

综上所述，通过不同大小的树形网络对方案进行验证计算，及对两个实施例的结果比较分析，不同管段在树形网络中的重要性是不同的，因此不同管段出现故障后对整个网络的影响也是不同的，要尽量维护好重要管段的可靠平稳运行，这样才能更好的保证整个网络的可靠运行。当某一个管段出现故障之后，为了尽量保证其能力供应，采取备份网络对其临时供应的策略，可以采取不同的方案，通过不同方案的计算结果对比可以看出，在没有增压设备的情况之下，双管接入性能较好；在有增压设备的情况之下，如果强制关闭上游阀门的话，双管接入的情况下比较好，但如果故障管段承担一定比例的流量供应的话，单管供应就比较有优势。

管网最初的建设一般都是树状网络，树状网络也是最基本的网络结构，只要是供水树状网络，形状可以不是实施例的那样，本发明方法都是可以使用的。本发明主要是针对管道供水的树状网络进行研究，这里的供水不单指我们生活的供水，指的是树状管道里面装的是水，概念比较广泛，包括油田带压注水，但对于供气网络，可能方法要稍作调整，因为管道里面是气体，所用某些公式就不一样了，但方法相似。

Claims (5)

1.一种提高供水管网可靠性的方法，其特征在于：在现有的两个并行的管网上，确定两个网络之间的最佳连接节点，再通过1根或者2根连通管段将确定好的对应节点连通，使得两个网络互为备份，即成。

2.根据权利要求1所述的提高供水管网可靠性的方法，其特征在于：所述的备份网络供应压力不能够满足故障节点需求压力，或者备份网络供应流量不能够满足故障节点需求流量的情况下，在故障下游节点增加一个增压设备。

3.根据权利要求1所述的提高供水管网可靠性的方法，其特征在于：所述的两个网络之间的连接节点的确定方法是，

设A点和B点分别为两个网络上需要连通的对应节点，并且A点是B点的上层节点，采用欧氏距离来代表两点间的实际距离，A和B两个节点的三维坐标分别是A=(x₁,y₁,z₁),B=(x₂,y₂,z₂)，则A和B两个节点之间的距离L为：

$L=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2},---\left(1\right)$

在实际的管网中，连接管段的压损为：

式（2）中：

代表管段的压损；

λ代表水头损失系数；

l代表管段的长度；

q_实代表管段的流量；

g代表重力加速度；

d代表管段的内径；

水由A节点流向B节点，则水压P_A＞P_B，则A和B两个节点之间的压力关系满足下式（3）：

式中：p_A代表节点A的压力；

代表管段的压损；

ρ代表水的密度；

g代表重力加速度；

p_B代表节点B的压力；

z_A代表节点A的地理高度；

z_B代表节点B的地理高度；

对于网络中的任意节点，满足质量平衡原理，初始流量分配满足吉尔霍夫第一定律，即任意节点的流量之和应等于0：

∑Q_ij+q_i＝0;(i=1,2,...,，          (4)

式中∑Q_ij为与节点i相关联的管段流量的代数和，j为与节点i关联的节点，q_i为节点i的流量，n为节点的个数；

采用公式（5）来衡量某一节点的水力可靠度：

${\mathrm{RS}}_j=\frac{Q_j}{Q_j^{\mathrm{req}}},---\left(5\right)$

式（5）中：RS_j代表供水管网系统中节点j的可靠度；

Q_j代表节点j的实际可用流量；

代表节点j的需求流量；

采用公式（6）来衡量管段在网络中的重要性：

$\mathrm{\η}=\frac{n-n_i}{n},(i\∈(0,n-1)),---\left(6\right)$

式（6）中：η代表网络中节点的可利用率；

n_i代表管段i出现故障后受影响的节点数；

n代表网络中节点的总个数。

4.根据权利要求3所述的提高供水管网可靠性的方法，其特征在于：所述的两个网络之间的构建方法是，故障节点没有增压设备，

第一种情况、按照单管线接入考虑，具体步骤包括：

步骤1-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤1-2：以1#管网需求节点的压力流量值为标准，分别筛选2#管网中满足1#管网需求压力的节点和需求压力流量的节点；

步骤1-3：在满足要求的节点中，通过欧氏距离计算公式来计算1#管网需求节点到2#管网满足节点间的距离；

步骤1-4：

1-4.1）在步骤1-3计算出所有的距离中，找到满足需求节点压力需求且距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足需求压力条件的最佳节点；

1-4.2）找到既满足需求节点压力需求也满足需求节点流量需求且距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足需求压力和需求流量条件的最佳节点；如果没有满足压力流量条件的节点，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度；

1-5：如果步骤1-2中没有满足需求压力条件的节点，则利用增压泵的余量适当提高2#管网根节点的压力峰值，再重复步骤1-2；

第二种情况、按照双管线接入考虑，具体步骤包括：

步骤2-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤2-2：以1#管网需求节点的压力值为标准，筛选2#管网中满足1#管网需求压力值的节点，并计算任意两个满足压力需求节点的流量和；在计算出的流量和中筛选出满足故障节点需求流量的流量和；

步骤2-3：对满足需求流量的流量和的节点，通过欧氏距离计算公式计算1#管网需求节点到2#管网满足节点的距离和L；

步骤2-4：在步骤2-3计算出的所有距离和L中，找出距离和的最小值，并计算接入节点的水力可靠度，求出距离和最小的2个节点，该2个节点就是满足需求压力流量条件的最佳节点；如果没有满足需求流量的流量和，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度；

步骤2-5：如果步骤2-2中没有满足需求压力条件的节点，则利用增压泵的余量适当提高2#管网根节点的压力峰值，再重复步骤2-2。

5.根据权利要求3所述的提高供水管网可靠性的方法，其特征在于：所述的两个网络之间的构建方法是，故障节点有增压设备，包括三种情况，

第三种情况、按照单管线接入考虑，具体步骤包括：

步骤3-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤3-2：采用欧氏距离公式来计算2#管网所有的节点到1#管网需求节点的距离，并以1#管网需求节点的流量值为标准，筛选2#管网中满足1#管网需求流量的节点；

步骤3-3：

3-3.1）在步骤2计算出所有的距离中，找到距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足距离最短的最佳节点；

3-3.2）找到满足需求节点流量需求且距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足需求流量条件的最佳节点；如果没有满足流量条件的节点，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度；

第四种情况、按照双管线接入考虑，具体步骤包括：

步骤4-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤4-2：计算2#管网中任意两个节点的流量和，并筛选出满足需求流量的流量和；

步骤4-3：对满足需求流量的流量和的节点，通过欧氏距离计算公式计算1#管网需求节点到2#管网满足节点的距离和L；

步骤4-4：在步骤4-3计算出所有的距离和中，找出距离和的最小值，并计算接入节点的水力可靠度，求出距离和最小的那2个节点就是满足需求压力和需求流量条件的最佳节点；如果没有满足需求流量的流量和，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度；

第五种情况、考虑一部分流量由原故障管段供给，具体步骤包括：

步骤5-1：根据叶子节点的需求，通过反演计算，得出2#管网中的所有节点的压力和流量；

步骤5-2：用欧氏距离公式计算2#管网所有的节点到1#管网需求节点的距离，并以1#管网需求节点的流量值为标准，筛选2#管网中满足1#管网剩余需求流量的节点；

步骤5-3：在步骤5-2计算出所有的距离中，找到满足需求节点剩余流量需求且距离最短的节点，并计算接入节点的水力可靠度，该节点就是满足需求流量条件的最佳节点；如果没有满足剩余流量条件的节点，则按最大流量供给，并计算接入点的水力可靠度。

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