CN110866319A - 燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法，针对燃气管网中的特殊节点采用增加虚拟节点的方式进行计算。使用该方法只需要将实际节点和计算节点间建立映射关系，不需要修改算法核心，这种方法方便灵活，可以解决静态水力计算中的大多数特殊点的计算问题。

Description

燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法

技术领域

本发明涉及燃气管网水力计算技术领域，尤其涉及一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法。

背景技术

燃气管网水力计算的计算机算法一般采用节点法，节点法将管网中压力或流量变化的点编成节点，气源和用户都可以简单地用节点来表示，实现起来比较简单。

节点法水力计算简述如下：

燃气管网节点法水力计算需要将管网中压力或流量变化的点编成节点，每个节点有流量和压力两个属性，管网的每个管段由两端的节点构成，每个管段有直径和管长两个属性，这样管网就可以描述成节点和管段所构成的矩阵。

用节点法描述燃气管网需要确定如下参数：

p_i---各节点压力

q_i---各节点负荷

L_i,j---各管段管长

D_i,j---各管段管径

如图1所示为一个由6个节点和6个管段构成的燃气管网，其节点已编号，其中节点1，4为已知压力节点(气源点)，节点2，3，5，6为已知负荷节点。

各节点压力可表示为向量

P＝(p₁,p₂,…,p₆)^T

各节点负荷可表示为向量

Q＝(q₁,q₂,…,q₆)^T

燃气管网中，对于任意节点流量是连续的，流出节点的流量＝流入节点的流量，即有连续性方程：

ΣQ_i＝0 (1)

对于有n个节点的燃气管网，可列n个连续性方程，可解得n个未知数。

应用节点法时将流量和压力降的非线性关系：

ΔP＝aQⁿ (2)

转化成线性关系：

Q＝CΔP (3)

对于所有节点应用公式(3)和连续性方程(1)，按有限元法进行迭代计算，最终可以解出所有待求未知数，从而获得水力计算的结果。

然而，但在计算多种压力级制并存的综合管网时，往往涉及管网中有调压站、加压站、阀门和流量站的情况，这些点既不是气源，也不是用户，而是出口压力一定，或流量受控的特殊节点，这些特殊点各有各的特殊性，无法简单地用单一节点来表示。

(1)调压站

调压站具有与气源节点相似的特征就是有固定的出口压力，但与气源节点不同的是：气源点的流量是计算结果，与管网中其它节点和管段无关，而调压站的流量是调压站上游管段的流出流量，因此该流量会影响上游管网的计算结果。另外，管网中可能存在多级调压站，这些调压站将管网隔离成多个压力级制小型管网。所以调压站不能简单地用气源节点来描述。

(2)加压站

加压站在水力计算中的本质与调压站相同，只是出口压力高于进口压力而已，所以加压站与调压站在水力计算中所面临的问题是一样的。

(3)阀门

阀门既不属于气源点又不属于用户同时也不是普通的管段端点，阀门打开时对管网的水力工况没有任何影响，关闭时相当于断开阀门所在的管段。所以阀门也不能用简单的节点来描述。

(4)流量站

流量站是指限制流量的点，当流过流量站的流量小于设定流量时，流量站不影响管网的水力工况，当流过流量站的流量趋于设定值时，流量站会节流，使流量不超过设定流量，所以流量站也属于特殊点，需要用特殊方法进行模拟。

发明内容

针对上述现有技术中存在的采用传统的节点法进行燃气管网水力计算时，无法有效对特殊点进行计算的问题，本发明提供了一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法，

针对燃气管网中的特殊节点采用增加虚拟节点的方式进行计算。

其中，所述特殊节点为下述的一种或几种：调压站、加压站、阀门、流量站。

其中，针对调压站或加压站采用如下方式计算：

设定调压站或加压站R的出口压力设定为P2，上游节点为A，下游节点为B，水力计算时将调压站等效成虚拟节点m和n两个节点，m和n之间断开，m节点与A节点出口连接，n节点与B节点进口连接，n节点作为气源节点处理，设定其节点压力为P2，m节点作为负荷节点；

初始计算时负荷Q设定为0，经一次计算后能够得到n节点的流入流量为Q，将Q作为m节点的最终负荷再次计算可得到调压站的水力计算结果；调压站的通过流量即为Q，调压站的进口压力即为m点的节点压力。

其中，针对阀门采用如下方式计算：

设定阀门V，其上游节点为A，下游节点为B，水力计算时将阀门等效成虚拟节点m和n两个节点，m节点与A节点出口连接，n节点与B节点进口连接；

当阀门打开时m和n节点间虚拟管段m-n，管段长度设为很小数值，以不影响计算精度为宜，管段的直径与管段A-B的直径相同；当阀门关闭时将m和n节点的管段断开即可，如此处理后当阀门打开时，阀门不影响整体的水力计算结果，关闭时，计算处m点和n点的节点压力就是阀门前后端的压力值。

其中，针对流量站采用如下方式计算：

设定流量站F，其上游节点为A，下游节点为B，设定的上限流量为Q，将流量站虚拟成节点m和n，m节点与A节点出口连接，n节点与B节点进口连接；

开始计算时先假定m，n之间有虚拟管段，管段长度设为很小数值，以不影响计算精度为宜，管段的直径与管段A-B的直径相同，进行一次试算，对得到的管段m-n的流Qm-n量进行判断，如果Qm-n<Q，则计算完成，m点的节点压力即为流量站的压力，Qm-n为流量站的通过流量；如果Qm-n>Q，将管段m-n断开，将m、n点均作为负荷节点处理，m的负荷流量为Q，n的负荷流量为–Q，再进行一次计算就可得到水力计算结果，m点的节点压力即为流量站的进口压力，n点的节点压力为流量站的出口压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，燃气管网节点法水力计算中调压站等特殊点可以通过创建虚拟计算节点的方式来解决。使用该方法只需要将实际节点和计算节点间建立映射关系，不需要修改算法核心，这种方法方便灵活，可以解决静态水力计算中的大多数特殊点的计算问题。

附图说明

图1所示为现有技术中使用节点法描述的燃气管网拓扑结构图；

图2所示为利用本申请方法对调压站和加压站进行水力计算的拓扑结构图；

图3所示为利用本申请方法对阀门进行水力计算的拓扑结构图；

图4所示为利用本申请方法对流量站进行水力计算的拓扑结构图；

图5所示为利用本申请方法进行验证的管网拓扑结构图；

图6所示为利用本申请方法对验证管网进行计算结果第一示意图；

图7所示为利用本申请方法对验证管网进行计算结果第二示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请中特殊点的特殊性都是由于运行时其内部会产生可变的局部阻力造成的，而节点法水力计算的核心算法中没有可变局部阻力的处理方式，因此用无法将这些特殊点表达成计算节点。在不改变算法核心的前提下，要计算这些特殊点必须要绕开可变局部阻力的计算，要绕开可变局部阻力必须将产生局部阻力的环节从计算中脱离出来。可以用增加虚拟节点的方式使可变局部阻力计算从管网计算中脱离出来，从而绕过可变局部阻力计算。

下面是具体的实现方式。

(1)针对调压站、加压站

调压站和加压站在水力计算中的处理方法是一样的，都是增加一个设定节点压力的虚拟节点。

如图2，调压站R的出口压力设定为P2，上游节点为A，下游节点为B，水力计算时将调压站等效成虚拟节点m和n两个节点，m和n之间断开，n节点作为气源节点处理，设定其节点压力为P2，m节点作为负荷节点。初始计算时负荷Q设定为0，经一次计算后能够得到n节点的流入流量为Q，将Q作为m节点的最终负荷再次计算可得到调压站的水力计算结果。调压站的通过流量即为Q，调压站的进口压力即为m点的节点压力。

(2)针对阀门

阀门也可用增加虚拟节点的方式来处理。

如图3，阀门V的上游节点为A，下游节点为B，水力计算时将阀门等效成虚拟节点m和n两个节点。当阀门打开时m和n节点间虚拟管段m-n，管段长度设为很小数值，如0.01m，以不影响计算精度为宜，管段的直径与管段A-B的直径相同；当阀门关闭时将m和n节点的管段断开即可。如此处理后当阀门打开时，阀门不影响整体的水力计算结果，关闭时，计算处m点和n点的节点压力就是阀门前后端的压力值。

(3)针对流量站

流量站的情况较复杂，但也能够通过增加虚拟节点，和流量判断相结合的方法来解决。

如图4，流量站F的上游节点为A，下游节点为B，设定的上限流量为Q。将流量站虚拟成节点m和n，开始计算时先假定m，n之间有虚拟管段，管段长度设为很小数值，以不影响计算精度为宜，管段的直径与管段A-B的直径相同。进行一次试算，对得到的管段m-n的流Qm-n量进行判断，如果Qm-n<Q，则计算完成，m点的节点压力即为流量站的压力，Qm-n为流量站的通过流量；如果Qm-n>Q，将管段m-n断开，将m、n点均作为负荷节点处理，m的负荷流量为Q，n的负荷流量为–Q，再进行一次计算就可得到水力计算结果，m点的节点压力即为流量站的进口压力，n点的节点压力为流量站的出口压力。

结果验证

依据本申请的方法编制水力计算程序，并对图5所示的天然气验证管网进行了验算。输入输出时显示的都是实际节点，算法内部使用的是计算节点。由于需要增加虚拟节点，编程计算时要对计算节点重新编号，使实际节点和计算节点间产生映射关系。

验证管网有2个中压气源点、4个集中负荷、1个区域负荷、2个中低压调压站和一个关闭的阀门，图中的节点为标注节点，节点名称任意编写，将图中参数输入至软件后计算，结果如图6、图7。

从验证结果可见4-5管段流量为零，且介质流向绕过阀门V，可见阀门的截断功能得以实现，节点7、B的压力均为低压(小于3kPa)说明调压站功能也得以实现，进一步对上面结果进行手工验算，确认软件计算结果是正确的。

因此，燃气管网节点法水力计算中调压站等特殊点可以通过创建虚拟计算节点的方式来解决。使用该方法只需要将实际节点和计算节点间建立映射关系，不需要修改算法核心，这种方法方便灵活，可以解决静态水力计算中的大多数特殊点的计算问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法，其特征在于，

针对燃气管网中的特殊节点采用增加虚拟节点的方式进行计算。

2.根据权利要求1所述的一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法，其特征在于，

所述特殊节点为下述的一种或几种：调压站、加压站、阀门、流量站。

3.根据权利要求2所述的一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法，其特征在于，

针对调压站或加压站采用如下方式计算：

设定调压站或加压站R的出口压力设定为P2，上游节点为A，下游节点为B，水力计算时将调压站等效成虚拟节点m和n两个节点，m和n之间断开，m节点与A节点出口连接，n节点与B节点进口连接，n节点作为气源节点处理，设定其节点压力为P2，m节点作为负荷节点；

初始计算时负荷Q设定为0，经一次计算后能够得到n节点的流入流量为Q，将Q作为m节点的最终负荷再次计算可得到调压站的水力计算结果；调压站的通过流量即为Q，调压站的进口压力即为m点的节点压力。

4.根据权利要求2所述的一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法，其特征在于，

针对阀门采用如下方式计算：

设定阀门V，其上游节点为A，下游节点为B，水力计算时将阀门等效成虚拟节点m和n两个节点，m节点与A节点出口连接，n节点与B节点进口连接；

当阀门打开时m和n节点间虚拟管段m-n，管段长度设为很小数值，以不影响计算精度为宜，管段的直径与管段A-B的直径相同；当阀门关闭时将m和n节点的管段断开即可，如此处理后当阀门打开时，阀门不影响整体的水力计算结果，关闭时，计算处m点和n点的节点压力就是阀门前后端的压力值。

5.根据权利要求2所述的一种燃气管网节点法水力计算中特殊点的处理方法，其特征在于，

针对流量站采用如下方式计算：

设定流量站F，其上游节点为A，下游节点为B，设定的上限流量为Q，将流量站虚拟成节点m和n，m节点与A节点出口连接，n节点与B节点进口连接；

开始计算时先假定m，n之间有虚拟管段，管段长度设为很小数值，以不影响计算精度为宜，管段的直径与管段A-B的直径相同，进行一次试算，对得到的管段m-n的流Qm-n量进行判断，如果Qm-n<Q，则计算完成，m点的节点压力即为流量站的压力，Qm-n为流量站的通过流量；如果Qm-n>Q，将管段m-n断开，将m、n点均作为负荷节点处理，m的负荷流量为Q，n的负荷流量为–Q，再进行一次计算就可得到水力计算结果，m点的节点压力即为流量站的进口压力，n点的节点压力为流量站的出口压力。

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