CN112417632A - 一种城镇燃气管网的仿真计算方法及系统 - Google Patents

一种城镇燃气管网的仿真计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城镇燃气管网的仿真计算方法及系统，包括以下步骤：步骤1：获取管网结构数据，并判断网管结构类型和判断获取的管网结构数据是否能构成一个完整的管网结构；若能构成一个完整的管网结构，则进入步骤2，否则对管网结构数据进行完善后重新执行步骤1；步骤2：根据获取到的管网结构数据，进行管网工作状态参数计算；步骤3：将各计算结果进行展示。

Description

一种城镇燃气管网的仿真计算方法及系统
技术领域
本发明属于燃气管网技术领域，具体涉及一种城镇燃气管网的仿真计算方法及系统。
背景技术
城市燃气作为人民生活中不可或缺的一部分，燃气管网已成为城市能源运行的生命线。其发展正经历变革期，从投资带动的粗犷型治理发展到精细化治理。现有的燃气管网的仿真计算方法及系统(如Synergi Gas、SPS(Simulator)、Met-Flow、PIPESIM)大多为国外厂家开发，价格昂贵，操作界面多为英文，对用户的要求高，不能完全覆盖高压系统、中压系统、低压系统，计算节点数量有限，存在复杂的管网计算速度慢，管网的建模过程复杂等缺点。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种城镇燃气管网的仿真计算方法及系统。
技术方案：一种城镇燃气管网的仿真计算方法，包括以下步骤：
步骤1：获取管网结构数据，并判断网管结构类型和判断获取的管网结构数据是否能构成一个完整的管网结构；若能构成一个完整的管网结构，则进入步骤2，否则对管网结构数据进行完善后重新执行步骤1；
步骤2：根据获取到的管网结构数据，进行管网工作状态参数计算；
步骤3：将各计算结果进行展示。
进一步的，所述步骤1，具体包括：
首先，根据获取到的管网结构数据，生成由节点和管段组成的连接矩阵A，其中，连接矩阵A的行数为节点数-1，列数为管段数，管段序列按照气源点的序号增加，连接矩阵A中不包括气源点；
定义一个回路矩阵B，若连接矩阵A的行数和列数相等，则连接矩阵A所代表的管网为枝状管网，对于枝状管网，回路矩阵B不存在；若连接矩阵A的行数小于列数，则连接矩阵A所代表的管网为环状管网，回路矩阵B存在；
针对环状管网，根据ABT＝0计算得到回路矩阵B；
当满足f＝A.Column.Count-A.Row.Count-Rank(B)＝0时，则说明获取的管网结构数据能构成一个完整的环状管网结构，进入步骤2，否则进入步骤1；其中：A.Colunmn.Count为连接矩阵A的列数，A.Row.Count为连接矩阵A的行数，Rank(B)为回路矩阵B的秩。
进一步的，所述管网工作状态参数包括管网上各管段的管段流量。
进一步的，所述的各管段的管段流量的计算步骤包括：
S210：根据用气情况，拟定各管段的流动方向，按照连续性方程初步分配各管段流量，得到各管段的初分管段流量
Figure BDA0002809207940000021
S220：根据输入压力值、当前温度和天然气各组分组成计算管段的天然气压缩因子Zj；
S230：根据管段的天然气压缩因子Zj，计算得到管段的管段摩阻sj；
S240：将构成环的回路的其中一条边称为弦，从回路矩阵B中将弦的部分进行提取；根据提取到的弦的部分，将连接矩阵A分为表示枝状管网结构的矩阵A1和表示构成环的回路的其中一条边的集合的矩阵A2；
S250：以式(21)为目标函数，采用牛顿迭代法进行求解；
Figure BDA0002809207940000022
式中，SR表示枝状管网各管段的摩阻系数矩阵，SM表示环状管网各闭合管段的摩阻系数矩阵，Mt为M的转置矩阵；
每一轮迭代后比较||F(Xk)||是否小于设定阈值，若小于，则Xk即为枝状管网各管段的流量向量QR，根据式(19)和式(20)计算得到环状管网闭合管段的流量向量QM；若大于等于，则Xk+1＝Xk-[F'(Xk)]-1F(Xk)，转入S220进行下一轮迭代，其中，F'(Xk)为F(Xk)的雅克比矩阵；
Figure BDA0002809207940000023
Figure BDA0002809207940000024
式中，QR表示枝状管网各管段的流量向量，QM表示环状管网闭合管段的流量向量；q为途泄流量向量。
进一步的，所述S220具体包括以下子步骤：
S220_1：对天然气中的各组分按照式(1)进行正态化，使正态化后的组分满足式(2)；
Figure BDA0002809207940000025
Figure BDA0002809207940000026
式中，xk表示天然气中第k个组分正态化后的组分量值，yk表示天然气中第k个组分的输入的组分量值；
S220_2：将式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)进行联立，计算得到状态方程系数B：
Figure BDA0002809207940000031
Figure BDA0002809207940000032
Figure BDA0002809207940000033
Figure BDA0002809207940000034
Figure BDA0002809207940000035
式中，xi表示天然气中第i个组分正态化后的值，xj表示天然气中第j个组分正态化后的值，N表示天然气中的组分总数；
Figure BDA0002809207940000036
为常数；
S220_3：将式(8)、式(9)、式(10)、式(11)和式(12)进行联立，计算得到状态方程系数Cn *；
Figure BDA0002809207940000037
Figure BDA0002809207940000038
Figure BDA0002809207940000039
Figure BDA00028092079400000310
Figure BDA00028092079400000311
式中，Fi和Wi为常数，U和G为能量参数；
S220_4：继承S220_1至S220_3计算得到的结果，根据式(14)计算天然气的压力值p(计算)；
S220_5：将该压力值p(计算)与输入的压力值p(输入)做差，得到差值；
S220_6：若差值满足设定的收敛范围，则将当前的压力值p(计算)作为流量密度和该压力值p(计算)对应的ρm带入式(13)计算得到压缩因子Z；若差值不满足，则以二分法对ρm进行重新赋值，根据式(14)计算天然气的压力值p(计算)，转入S220_5；
Z＝p/(ρmRT) (13)
Figure BDA0002809207940000041
其中，ρm为摩尔密度，ρr为对比密度，bn、cn、kn为常数，T为温度。
进一步的，所述S230具体包括以下步骤：
S230_1：根据式(15)，计算得到燃气管段摩擦阻力系数λ：
Figure BDA0002809207940000042
其中：ε表示相对粗糙度，ε＝K/D，K表示绝对粗糙度，Re为流体雷诺数，D为管段内径；
S230_2：根据途泄流量，计算得到各管段流量Q；
S230_3：根据式(16)计算得到各管段的管段摩阻s；
Figure BDA0002809207940000043
式中，L为燃气管道的计算长度，λ为燃气管道摩擦阻力系数，D为管段内径，T为温度，T0表示标准温度，ρ表示天然气混合密度，可由式(17)得到；
Figure BDA0002809207940000044
式中，ρm为摩尔密度。
本发明还公开了一种城镇燃气管网的仿真计算系统，包括：
管网结构数据输入模块，用于获取管网结构数据；
网管结构类型和结构完整性判断模块，用于判断网管结构类型和判断管网结构数据是否能构成一个完整的管网结构，若能构成一个完整的管网结构，则调用计算模块，否则进行人工数据完善；
计算模块，用于进行管网工作状态参数计算；
显示模块，用于将计算结果进行展示。
进一步的，所述管网工作状态参数包括管网上各管段的管段流量。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)采用本发明的系统能了解管网的运行状况、掌握管网在各种状况下的输送能力、为制定管网建设方案提供参考；
(2)采用本发明的系统能实现寻找管网输送瓶颈、为消除管网输送瓶颈拟定管网优化方案；
(3)采用本发明的方法可有效提高供气可靠性与稳定性、为制定老管改造方案提供参考、为配合市场发展提供建设方案、为制定多气源调度方案提供参考、为制定应急方案提供参考。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的枝状管网示意图；
图3为本发明的多气源计算示意图；
图4为本发明的环状管网示意图；
图5为本发明的环状管网的计算流程示意图；
图6为本发明的天然气压缩因子计算流程示意图；
在各图中，阿拉伯数字为节点编号，e+阿拉伯数字为管道编号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
实施例1：
现以环状管网为例，说明城镇燃气管网的仿真计算方法，本实施例的环状管网指依次相连的管道系统，其特点是任一管段只有一个入口，却可能有一个以上的出口，环状管网至少有一个管道回路，具体结构可参见图4。
图1所示的一种城镇燃气管网的仿真计算方法，包括以下步骤：
步骤1：读取管网结构数据，根据获取到的管网结构数据，生成由节点和管段组成的连接矩阵A，其中，连接矩阵A的行数为节点数-1，列数为管段数，管段序列按照气源点的序号增加，连接矩阵A中不包括气源点；定义一个回路矩阵B，若连接矩阵A的行数和列数相等，则连接矩阵A所代表的管网为枝状管网，对于枝状管网，回路矩阵B不存在；若连接矩阵A的行数小于列数，则连接矩阵A所代表的管网为环状管网，回路矩阵B存在；针对环状管网，根据ABT＝0计算得到回路矩阵B；当满足f＝A.Column.Count-A.Row.Count-Rank(B)＝0时，则说明获取的管网结构数据能构成一个完整的环状管网结构，进入步骤2，否则对管网结构数据进行完善后重新执行步骤1；其中：A.Colunmn.Count为连接矩阵A的列数，A.Row.Count为连接矩阵A的行数，Rank(B)为回路矩阵B的秩。
步骤2：根据获取到的管网结构数据，进行管网工作状态参数计算；本发明的管网工作状态参数计算包括但不限于管网上各节点的压力、管网上各管道的流量以及管道的压降。现对各计算过程进行详细说明。
S210：根据用气情况，拟定各管段的流动方向，按照连续性方程初步分配各管段流量，得到各管段的初分管段流量
Figure BDA0002809207940000061
S220：根据输入压力值、当前温度和天然气各组分组成计算各管道的天然气压缩因子Zj；现对天然气压缩因子的计算过程说明如下：
天然气压缩因子按照GB/T 17747.1,GB/T 17747.2,GB/T 17747.3进行计算，计算内容包括21个天然气的标准组分，包括：
编号 组分 编号 组分
1 甲烷(CH<sub>4</sub>) 12 正丁烷(NC4)
2 氮气(N<sub>2</sub>) 13 异戊烷(IC5)
3 二氧化碳(CO<sub>2</sub>) 14 正戊烷(NC5)
4 乙烷(C2) 15 己烷(NC6)
5 丙烷(C3) 16 庚烷(NC7)
6 水(H<sub>2</sub>O) 17 辛烷(NC8)
7 氢气(H<sub>2</sub>) 18 壬烷(NC9)
8 硫化氢(H<sub>2</sub>S) 19 癸烷(NC10)
9 一氧化碳(CO) 20 氦气(He)
10 氧气(O<sub>2</sub>) 21 氩(Ar)
11 异丁烷(IC4)
S220_1：对天然气中的各组分按照式(1)进行正态化，使正态化后的组分满足式(2)；
Figure BDA0002809207940000062
Figure BDA0002809207940000063
式中，xk表示天然气中第k个组分正态化后的组分量值，yk表示天然气中第k个组分的输入的组分量值；比如某气体组成为1号组分和2号组分，其成份分别为组分量1mol和3mol，也可能是1mol/l,3mol/l，此时y1＝1，y2＝3，经过正态化之后，就变成x1＝0.25，x2＝0.75。yk只要保证单位一致就可以了。
S220_2：将式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)进行联立，计算得到状态方程系数B，也为第二维利系数：
Figure BDA0002809207940000071
Figure BDA0002809207940000072
Figure BDA0002809207940000073
Figure BDA0002809207940000074
Figure BDA0002809207940000075
式中，xi表示天然气中第i个组分正态化后的值，xj表示天然气中第j个组分正态化后的值，N表示天然气中的组分总数；
Figure BDA0002809207940000076
为常数，具体数值请参见GBT17747.2-2011表B.3，不在表中的数据均取1.0；
S220_3：将式(8)、式(9)、式(10)、式(11)和式(12)进行联立，计算得到状态方程系数Cn *，该系数为温度和组成函数的系数；
Figure BDA0002809207940000077
Figure BDA0002809207940000078
Figure BDA0002809207940000079
Figure BDA00028092079400000710
Figure BDA00028092079400000711
式中，Fi为常数，除i＝7时，取1，其余均取0，Wi为常数，除i＝6时，取1，其余均取0；U和G为能量参数；
S220_4：继承S220_1至S220_3计算得到的结果，根据式(14)计算天然气的压力值p(计算)；
S220_5：将该压力值p(计算)与输入的压力值p(输入)做差，得到差值；
S220_6：若差值满足设定的收敛范围，则将当前的压力值p(计算)作为流量密度和该压力值p(计算)对应的ρm带入式(13)计算得到压缩因子Z；若差值不满足，则以二分法对ρm进行重新赋值，根据式(14)计算天然气的压力值p(计算)，转入S220_5；
Z＝p/(ρmRT) (13)
Figure BDA0002809207940000081
其中，ρm为摩尔密度，ρr为对比密度，bn、cn、kn为常数，具体数值请参见GBT17747.2-2011表B.1，T为温度。
S230：根据各管道的天然气压缩因子Zj，计算得到各管段的管段摩阻sj；现对现对管段摩阻sj的计算过程说明如下。本发明根据GB50028-2006城镇燃气设计规范，进行管段的管段摩阻sj计算。
S230_1：根据式(15)，计算得到燃气管段摩擦阻力系数λ：
Figure BDA0002809207940000082
其中：ε表示相对粗糙度，ε＝K/D，K表示绝对粗糙度，Re为流体雷诺数，D为管段内径；
S230_2：根据途泄流量，计算得到各管段流量Q；
S230_3：根据式(16)计算得到各管段的管段摩阻s；
Figure BDA0002809207940000083
式中，L为燃气管道的计算长度，λ为燃气管道摩擦阻力系数，D为管段内径，T为温度，T0表示标准温度，ρ表示天然气混合密度，可由式(17)得到；
Figure BDA0002809207940000084
式中，ρm为摩尔密度。
S240：将构成环的回路的其中一条边称为弦，从回路矩阵B中将弦的部分进行提取；根据提取到的弦的部分，将连接矩阵A分为表示枝状管网结构的矩阵A1和表示构成环的回路的其中一条边的集合的矩阵A2；
S250：以式(21)为目标函数，采用牛顿迭代法进行求解；
Figure BDA0002809207940000085
式中，SR表示枝状管网各管段的摩阻系数矩阵，SM表示环状管网各闭合管段的摩阻系数矩阵，Mt为M的转置矩阵；
每一轮迭代后比较||F(Xk)||是否小于设定阈值，若小于，则Xk即为枝状管网各管段的流量向量QR，根据式(19)和式(20)计算得到环状管网闭合管段的流量向量QM；若大于等于，则Xk+1＝Xk-[F'(Xk)]-1F(Xk)，进行下一轮迭代，其中，F'(Xk)为F(Xk)的雅克比矩阵；
Figure BDA0002809207940000091
Figure BDA0002809207940000092
式中，QR表示枝状管网各管段的流量向量，QM表示环状管网闭合管段的流量向量；q为途泄流量向量。实施例1：
现以枝状管网为例，进一步说明本实施例的一种城镇燃气管网的仿真计算方法，枝状管网的可靠性相对较低，在城镇管网系统中主要应用于低压管网，通向终端客户。具体结构可参见图2。
图2是一个典型的枝状管网，由五个节点和四条管段构成，四条管段长分别为200m,100m,50m,100m，内径为0.254m。设置节点2的途泄流量(即管网向外供气)为1m3/s,节点5的途泄流量为0.5m3/s，节点1为气源点，稳压供应，10kPa。
首先，通过读取管网结构数据，生成连接矩阵A：
Figure BDA0002809207940000093
途泄流量向量：q＝[0 1 0 0.5]T，根据步骤2的计算内容，得到：各管段的管段流量QR＝[1.5 1.5 0 0.5]T和各节点的压力为p＝[10.00 6.94 5.39 5.39 5.17]T。
步骤3：对计算结果进行展示在软件界面上。
实施例2：
多气源管网是指当管网存在两个气源时，这种情况下将两个气源进行连接，形成一个气源点，但是管网发生了变化，仍以图2为例。
将节点4也设置为气源，与实施例1相比，计算发生了变化，其管网可以看成如图3所示，将节点1与节点4合并，得到生成连接矩阵A：
Figure BDA0002809207940000094
回路矩阵B＝[1 1 1 1]T，管网完整性检查通过，依据步骤2中提及的计算步骤，得到：各节点的压力p＝[10.00 9.67 9.50 10.00 9.37]T，各管段的流量为Q＝[0.45 0.451.05 0.5]T。
实施例3：
环状管网是指当管网形成了一个闭环的结构，如图4所示，五条管段长分别为200m,100m,50m,100m，100m，内径为0.254m，设置节点2的途泄流量(即管网向外供气)为1m3/s,节点5的途泄流量为0.5m3/s，节点4为气源点，稳压供应，10kPa。
建立连接矩阵A：
Figure BDA0002809207940000101
回路矩阵B＝[1 1 1 0 0]T，管网完整性检查通过。
途泄流量向量q＝[0 1 0 0.5]T，对管道进行计算，设置初始值qj (0)均设置为0，即qj (0)＝[0 0 0 0 0]T，初次迭代得到天然气压缩因子Zj (0)＝0.998。经多次迭代计算，得到各节点压力为p＝[9.00 8.93 9.24 10.0 9.04]T，各管段的流量为Q＝[0.44 -0.58 0.440.5 1.5]T。

Claims (8)

1.一种城镇燃气管网的仿真计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获取管网结构数据，并判断网管结构类型和判断获取的管网结构数据是否能构成一个完整的管网结构；若能构成一个完整的管网结构，则进入步骤2，否则对管网结构数据进行完善后重新执行步骤1；
步骤2：根据获取到的管网结构数据，进行管网工作状态参数计算；
步骤3：将各计算结果进行展示。
2.根据权利要求1所述的一种城镇燃气管网的仿真计算方法，其特征在于：所述步骤1，具体包括：
首先，根据获取到的管网结构数据，生成由节点和管段组成的连接矩阵A，其中，连接矩阵A的行数为节点数-1，列数为管段数，管段序列按照气源点的序号增加，连接矩阵A中不包括气源点；
定义一个回路矩阵B，若连接矩阵A的行数和列数相等，则连接矩阵A所代表的管网为枝状管网，对于枝状管网，回路矩阵B不存在；若连接矩阵A的行数小于列数，则连接矩阵A所代表的管网为环状管网，回路矩阵B存在；
针对环状管网，根据ABT＝0计算得到回路矩阵B；
当满足f＝A.Column.Count-A.Row.Count-Rank(B)＝0时，则说明获取的管网结构数据能构成一个完整的环状管网结构，进入步骤2，否则进入步骤1；其中：A.Colunmn.Count为连接矩阵A的列数，A.Row.Count为连接矩阵A的行数，Rank(B)为回路矩阵B的秩。
3.根据权利要求2所述的一种城镇燃气管网的仿真计算方法，其特征在于：所述管网工作状态参数包括管网上各管段的管段流量。
4.根据权利要求3所述的一种城镇燃气管网的仿真计算方法，其特征在于：所述的各管段的管段流量的计算步骤包括：
S210：根据用气情况，拟定各管段的流动方向，按照连续性方程初步分配各管段流量，得到各管段的初分管段流量
Figure FDA0002809207930000011
S220：根据输入压力值、当前温度和天然气各组分组成计算管段的天然气压缩因子Zj；
S230：根据管段的天然气压缩因子Zj，计算得到管段的管段摩阻sj；
S240：将构成环的回路的其中一条边称为弦，从回路矩阵B中将弦的部分进行提取；根据提取到的弦的部分，将连接矩阵A分为表示枝状管网结构的矩阵A1和表示构成环的回路的其中一条边的集合的矩阵A2；
S250：以式(21)为目标函数，采用牛顿迭代法进行求解；
Figure FDA0002809207930000012
式中，SR表示枝状管网各管段的摩阻系数矩阵，SM表示环状管网各闭合管段的摩阻系数矩阵，Mt为M的转置矩阵；
每一轮迭代后比较||F(Xk)||是否小于设定阈值，若小于，则Xk即为枝状管网各管段的流量向量QR，根据式(19)和式(20)计算得到环状管网闭合管段的流量向量QM；若大于等于，则Xk+1＝Xk-[F'(Xk)]-1F(Xk)，转入S220进行下一轮迭代，其中，F'(Xk)为F(Xk)的雅克比矩阵；
Figure FDA0002809207930000021
Figure FDA0002809207930000022
式中，QR表示枝状管网各管段的流量向量，QM表示环状管网闭合管段的流量向量；q为途泄流量向量。
5.根据权利要求4所述的一种城镇燃气管网的仿真计算方法，其特征在于：所述S220具体包括以下子步骤：
S220_1：对天然气中的各组分按照式(1)进行正态化，使正态化后的组分满足式(2)；
Figure FDA0002809207930000023
Figure FDA0002809207930000024
式中，xk表示天然气中第k个组分正态化后的组分量值，yk表示天然气中第k个组分的输入的组分量值；
S220_2：将式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)进行联立，计算得到状态方程系数B：
Figure FDA0002809207930000025
Figure FDA0002809207930000026
Figure FDA0002809207930000027
Figure FDA0002809207930000028
Figure FDA0002809207930000029
式中，xi表示天然气中第i个组分正态化后的值，xj表示天然气中第j个组分正态化后的值，N表示天然气中的组分总数；
Figure FDA0002809207930000031
为常数；
S220_3：将式(8)、式(9)、式(10)、式(11)和式(12)进行联立，计算得到状态方程系数Cn *；
Figure FDA0002809207930000032
Figure FDA0002809207930000033
Figure FDA0002809207930000034
Figure FDA0002809207930000035
Figure FDA0002809207930000036
式中，Fi和Wi为常数，U和G为能量参数；
S220_4：继承S220_1至S220_3计算得到的结果，根据式(14)计算天然气的压力值p(计算)；
S220_5：将该压力值p(计算)与输入的压力值p(输入)做差，得到差值；
S220_6：若差值满足设定的收敛范围，则将当前的压力值p(计算)作为流量密度和该压力值p(计算)对应的ρm带入式(13)计算得到当前管段的压缩因子Z；若差值不满足，则以二分法对ρm进行重新赋值，根据式(14)计算天然气的压力值p(计算)，转入S220_5；
Z＝p/(ρmRT) (13)
Figure FDA0002809207930000037
其中，ρm为摩尔密度，ρr为对比密度，bn、cn、kn为常数，T为温度。
6.根据权利要求5所述的一种城镇燃气管网的仿真计算方法，其特征在于：所述S230具体包括以下步骤：
S230_1：根据式(15)，计算得到燃气管段摩擦阻力系数λ：
Figure FDA0002809207930000038
其中，ε表示相对粗糙度，ε＝K/D，K表示绝对粗糙度，Re为流体雷诺数，D为管段内径；
S230_2：根据途泄流量，计算得到各管段流量Q；
S230_3：根据式(16)计算得到各管段的管段摩阻s；
Figure FDA0002809207930000041
式中，L为燃气管道的计算长度，λ为燃气管道摩擦阻力系数，D为管段内径，T为温度，T0表示标准温度，ρ表示天然气混合密度，可由式(17)得到；
Figure FDA0002809207930000042
式中，ρm为摩尔密度。
7.基于权利要求1至6任意一项所述的一种城镇燃气管网的仿真计算方法的仿真计算系统，其特征在于：包括：
管网结构数据输入模块，用于获取管网结构数据；
网管结构类型和结构完整性判断模块，用于判断网管结构类型和判断管网结构数据是否能构成一个完整的管网结构，若能构成一个完整的管网结构，则调用计算模块，否则进行人工数据完善；
计算模块，用于进行管网工作状态参数计算；
显示模块，用于将计算结果进行展示。
8.根据权利要求7所述的仿真计算系统，其特征在于：所述管网工作状态参数包括管网上各管段的管段流量。
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