燃气管网水力计算研究进展

李小玲，王金岩

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

燃气管网水力计算研究进展

李小玲，王金岩

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

城市燃气管道输配系统水力计算结果关系到输配系统经济性和可靠性的问题，是城镇燃气规划与设计中的一项重要工作。较为详细地论述了燃气管网水力计算研究进展情况。在现有研究基础上应加大研究力度，进一步研究燃气管网系统的优化、各种算法在燃气管网系统中的合理应用、复杂管网系统计算精度以及水力计算软件的开发等问题。

燃气管道输送；水力计算；优化

我国燃气事业迅速发展，采用管道输送燃气的城市占多数，燃气管道的设计是燃气工程建设中一项不可忽视的重要内容。在燃气管道设计中，离不开管道的水力计算。

城镇燃气管网水力计算的目的是在管网布线和供气量已知的前提下，确定管段的管径和节点压力，对多种方案进行比较，确定符合供气规划、技术可行、经济合理的最佳方案。

燃气管道水力计算的任务主要有两个，一是根据计算流量和规定的压力损失来计算管径，进而决定管道投资和金属消耗，另外是对已有管道进行流量和压力损失的验算，以充分发挥管道的输气能力，或决定是否需要对原有管道进行改造。因此，正确地进行水力计算，是关系到输配系统经济性和可靠性的问题，是城镇燃气规划与设计中的一项重要工作。一般情况下，进行燃气管道水力计算时，普遍采用《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）[1]中规定的燃气管道基本水力计算公式。

近些年燃气行业的研究人员做了一些管网水力计算的研究工作，主要体现在水力计算方法、水力计算精度及其影响因素、水力计算程序和软件开发等几个方面。笔者在总结和学习同行研究内容和研究进展的基础上提出了个人对燃气管网水力计算研究的看法。

1 水力计算方法研究

燃气管网水力分析数值计算迭代法主要有三种，分别是解环方程法、节点法、解管段方程法。解环方程法是满足连续方程组的基础上，用求解各环校正流量的方法间接解出各管段流量。节点法是满足节点连续方程的基础上，把管段流量通过管段压降计算公式转化为用管段两端的节点压力表示，使连续方程转化为满足能量方程和以节点压力为变量的方程组，通过求解方程组得出各节点压力。解管段方程法是把节点连续方程和环能量方程联立，并转化为以管段流量为变量的方程组，通过线性化进行迭代逼近求解。

清华大学田贯三等[2-4]研究了数值计算方法存在的主要问题：（a）定压多气源点管网水力计算的虚平衡问题（用解环状方程法进行水力计算时，结果出现由A点推算2节点的压力不等于由B节点推算2节点的结果，如图1）。引入开环能量方程后，再用解环方程法进行水力计算将消除虚平衡问题，同时也使得解管段方程法能计算多源点定压水力问题。（b）叠代计算中的不收敛问题。当管网中的某些管段管径过大或流量过小时，叠代计算过程中就会存在不收敛或收敛精度低的问题，将影响水力计算的准确性。解决不收敛问题的方法是用插值法，即在分界点处两侧各划出一定范围，在该范围内的摩擦阻力系数用两个公式进行插值计算。（c）压缩机供气管网水力计算没有把压缩机的实际工作状态结合到水力计算过程中去，水力结果与管网实际运行状况不符，水力结果不可靠。可以通过引入虚管段和虚气源点的方法来解决这一问题。

图1 定压多气源点管网示意图Fig.1 The sketch map of constant pressure pipe network with multiple gas sources

李悦敏等人[5]研究了遗传算法在燃气管网优化中的应用。遗传算法是一种全局搜索算法，以决策变量的编码为运算对象，操作简单，搜索效率较高，而且直接以适应度作为搜索信息，不需要其他信息，已被广泛应用于给水管网优化。遗传算法在燃气管网水力计算中应用是借鉴了给水管网的先例[6-8]。遗传算法首先可以应用于燃气管网布局优化设计，如文献[9]以枝状管网为研究对象，以管道长度最短为优化目标，设计了燃气管网优化布局的搜索过程。其次，遗传算法可以应用与优化燃气管网的管径。如文献[10]以管网的造价和管网的运行费用为目标函数，建立了以满足燃气管网的水力平衡和最低压力为约束条件的数学模型，求解出了优化的管径，并进行了水力计算。遗传算法得出的优化管径不但经济，而且满足管网水力平衡的要求。此外，目前国内还很少有研究将遗传算法应用于燃气管网优化调度和管网现状分析方面。可以尝试着把遗传算法应用在燃气管网优化问题中，建立适合于燃气管网优化问题的数学模型并以实例加以验证。

黄葵等[11]研究了瞬态模拟计算方法在城市燃气高压输送管网中的应用。以往设计中通常采用某一瞬时管道内介质的稳定工况代替非稳定工况近似计算，计算结果与实际运行结果存在较大偏差。瞬态模拟计算方法可以确定各级管网的调峰能力、与不同压力级制管网连接的调压站的通过能力，并进行设计优化；可以根据瞬态模拟结果向上游提出满足城市供气和调峰要求的来气条件，在经济合理的前提下，使上游更好地满足城市用户的用气需求；可以对高压管道可能发生的事故工况和管道存气进行动态模拟，为管道的安全性和事故工况的分析提供依据。

2 水力计算精度及其影响因素研究

彭继军等[12]研究了压缩因子Z对水力计算的影响。燃气管网水力计算时，通常考虑城市管道的压力小于1.6 MPa，因此取压缩因子Z=1，以此推导出的高中低压燃气管道水力计算公式基本能满足精度要求。然而，随着近年来我国西气东输、川气东送及沿海各地LNG工程的实施，城市燃气的供气范围和输气压力范围相应扩大，出现了高压、超高压管网，使得现有的燃气管道水力计算公式已不适合新的情况，因此，研究人员研究采用计算精度较高的方程，应用与城市燃气管网的水力计算。

研究得到高压或超高压管网的计算公式（1）：

筛选出精度较高的BWR状态方程用于高压天然气管网水力计算中的物性计算，以解决原有城市高压天然气管网水力计算公式不能满足高压低温时精度要求的问题。对整个管网，若供气点压力要求条件相同，那么如果考虑燃气的可压缩性，管段的沿程阻力就会减小，从而可以通过减小来气点压力达到减少运行费用的目的。此外，如果仍保持来气点的压力不变，则各供气点的作用半径就会增大；在进行管网设计计算时，如果保持相同的来气点压力和供气点压力，则可以减小管径，从而可以达到减少初投资的目的。

张宁等[13]研究了流量折算系数a对中压输配管网水力计算的影响。研究结果表明,（a）中压管网采用0.55的流量折算系数进行简化,会造成节点压力的相对误差偏大,甚至超过5%的工程精度要求，对于更大型的管网这种偏差还会更大。研究给出了推荐的流量折算系数可提高计算精度。（b）应该尽量在远离气源的支管段上简化节点，减少在靠近气源的干管段上简化节点的个数。因为简化节点处于远离气源的支管段比处于气源附近的干管段对水力计算结果的影响要小。表1给出了工程中适用的流量折算系数a值。

此外，胡吉士等[14]研究了摩阻系数对燃气管网水力计算的影响。任炽明等[15]研究了低压管网计算压力降的分配对管网水力计算的影响。广宏等[16]研究了高原气候对管网水力计算的影响。俞善东、董正远等[17,18]研究了高程差对高压燃气管线水力计算结果的影响。在城市燃气管网中，当标高的差值不太大时，运动方程中的重力相一般忽略不计。俞善东利用管道仿真软件Pipeline studio中气体模拟器TGNET对忠县至丰都的高压燃气管线分别进行了按水平管和按实际高程计算通过能力的稳态模拟。

表1 工程中适用的流量折算系数aTable 1 Applicable flow conversion coefficient a in Engineering projects

高原地区海拔高，特殊的高原气侯之一就是低气压(即当地大气压比标准大气压低)。低气压对管网水力计算是存在影响的。在高原低气压地区进行燃气管道设计时应考虑当地的气压影响，在进行水力计算时乘以压力损失系数。公式（2）适用于高原低气压地区计算低压燃气分配管段。

3 水力计算程序和软件开发的研究

丁国玉等[19]以AutoCAD为平台，采用VB二次开发技术实现燃气管网管段节点坐标的读取，自动生成燃气管网水力计算图；采用VC++可视化编程语言，编制了城市燃气管网水力计算软件，核心程序是基于节点法。该研究方便了复杂燃气管网系统水力计算的工作量，提高了工作效率。张宁等[20]利用解节点方程法开发了多气源燃气管网水力计算程序并通过实例进行验证。该程序能够在可视化界面中绘制管网计算图，对管段和节点自动编号。胡小龙[21]开发的水力计算算法是在形成管网图及水力计算所需参数后，用深度优先搜索遍历算法及线性化流量平衡方法进行多气源（同一种燃气，多个供气点)、多环复杂管网的水力计算，此算法稳定，系统运算时初值变化(主要指初始阻力系数、流量、压力)、运算结果变化很小，可用于中压、低压管网设计型问题及操作型问题计算(实际管网最大负荷计算)。刘成等[22]研究了利用著名的地理信息系统套装软件ArcGIS管理燃气管网数据，以特殊方式直接读取ArcMap的燃气管网图形数据，并完成整个管网的水力计算。水力计算模块运行稳定，执行效率较高，计算724个有效节点的中压燃气管网时，求解60次（迭代15 s）后即可得到稳定的管段流量和节点压力。

4 结 论

城市燃气管道输配系统水力计算结果关系到输配系统经济性和可靠性的问题，是城镇燃气规划与设计中的一项重要工作。尽管研究人员已开展了一些这方面的研究，但仍须加大研究力度。进一步研究燃气管网系统的优化、各种算法在燃气管网系统中的合理应用、复杂管网系统的水力计算精度和水力计算软件的开发等问题。

[1] GB50028-2006，城镇燃气设计规范[S].

[2] 田贯三，刘燕，等.燃气管网水力计算研究[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35(7):769-772.

[3] STEPHENSON D.Operations research techniques for pipeline and operation of pipelines system:Pipeline Engineering Convention[C].1970.

[4] WOOD D J, RAYES A G. Reliability of algorithms for pipe network analysis[J]. JASCE,1991,10:52-59.

[5] 李悦敏, 李兴泉,等.遗传算法在燃气管网优化的应用进展[J].煤气与热力,2008,28(6):B12-B15.

[6] 储诚山，程道辉，苏小红．基于遗传算法和GIS的给水管网水力计算[J]．中国农村水利水电，2006(2)：70-72．

[7] 段焕丰，俞国平．改进混合遗传算法优化城市给水系统调度模型[J]．同济大学学报，2006，34(3)：377-381．

[8] 信昆仑，程声通，刘遂庆．实数型编码遗传算法校核管道摩阻系数[J]．中国给水排水，2004，20(9)：68-70．

[9] 王煊，段常贵．改进遗传算法在燃气管网优化布局优化中的应用[J]．哈尔滨工业大学学报，2006，38(1)：46-48．

[10] 郑利平．遗传算法在城市燃气管网优化中的应用(硕士学位论文)[D]．重庆：重庆大学，2003.

[11] 黄葵,李丽,等.瞬态模拟计算在城市燃气高压管道设计的应用[J].煤气与热力,2004,24(2):87-90.

[12] 彭继军, 杨昭, 田贯三.高压天然气管网水力计算精度的研究[J].天然气工业,2005,7:96-98.

[13] 张宁,田贯三.中压燃气管网的简化与流量折算系数的研究[J]. 煤气与热力,2007,27(7):12-16.

[14] 胡吉士. 燃气管网水力计算摩阻系数计算公式的选用[J]. 煤气与热力,1990,10(5): 17-23

[15] 任炽明,周伟国.燃气低压管网计算压力降的合理分配[J].同济大学学报,1995,23(6):664-667.

[16] 广宏.高原气候对管网水力计算的影响[J].城市煤气,1990(12):15-16.

[17] 俞善东.高程差对高压燃气管线水力计算结果的影响[J].重庆建筑,2009,8(66):41-43.

[18] 董正远.地形高程差对天然气输送管道工艺计算的影响[J].西安石油大学学报(自然科学版), 2007, 22(5):41-43.

[19] 丁国玉, 田贯三,等.城市燃气管网水力计算软件的开发[J].煤气与热力,2010,30(4):A31-A33.

[20] 张宁,解东来,等.多气源燃气管网水力计算程序的开发[J]. 煤气与热力,2009,29(6):B05-B08.

[21] 胡小龙.复杂燃气管网水力计算算法[J].上海煤气,2006,(2):4-7.

[22] 刘成,李笑眉.基于ArcGIS的燃气管网水力计算的设计与实现[J].沈阳航空工业学院学报,2007, 24 (4):71-74.

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，青海西宁人，讲师，博士在读，研究方向：从事燃气储存与输配技术工作。E-mail：lingzi_1015@163.com，电话：13591565286。