燃气管网水力工况模拟系统的研究与开发

关键词：燃气管网；水力计算；当量粗糙度；遗传算法

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

随着我国发展轨迹逐步实现低碳化，人们对作为清洁能源的天然气需求量也不断增加。天然气的开发与利用是与管网建设相辅相成的。为满足人们对天然气的使用需求，输配气网络的规模和结构越来越大且越来越复杂。近年来，管网系统已不再是简单的枝状或环状管网，而是呈现出点多、面广、线长的发展趋势[1-2]。国内城市输配燃气系统的管网形态，大多采用多气源的复杂结构，即由环状和环枝状管网组成。

天然气是一种安全性高、环保清洁、价格优势明显的优质能源[3]，其成分中含有85%的甲烷和少量的硫化氢等有毒物质，若对其管理或使用不当，易引发爆炸、气体中毒等安全隐患，因此对天然气输配管网系统的安全性和可靠性的要求将更加严格。此外，由于天然气输配管网通常集中在人口或公共设施密集处，若发生燃气泄漏事故，将极大地影响周边居民的生命财产安全。考虑到燃气管网的复杂性、测试成本、环境保护等因素，开发城市燃气输配管网水力工况模拟系统具有一定的应用价值。应用该仿真系统，用户可以更好地掌握管道泄漏的风险程度，如泄漏点、泄漏事故范围等；可作為燃气供应商优化管网系统及其运行调度管理的理论依据，具有实际指导意义。

2 燃气管网水力计算数学模型（Mathematical modelof hydraulic calculation of gas pipeline network）

天然气管网水力计算是天然气管网规划设计的基础。水力计算的目的是求解合适的管道口径、长度和截面压力，确保供气计划在技术上可行、经济上合理。环形燃气管网由各种气源组成。本文将复杂的管网系统简化为一系列节点和管段。管网有多个节点，而节点处可由不同管段进行连接，因此一个节点的供气，可由多种不同的气源组合而成。为了满足居民的供气需求，要求保证同一节点的燃气进出量保持平衡。当燃气管网的一段内径发生变化时，不仅相应段内的气流分布方式会发生变化，而且每个节点的压力也会发生变化。本文所提模拟系统按需设置三个初始变量：管段流量、压力降、管径。

设环状燃气管网的管段数为N、节点数为m、环数为n，三者符合关系式：

2.2 摩擦阻力系数的确定

管道摩擦阻力系数受多种因素影响，如管段材质、内径、管内气体组成、管道安装方式等，它是影响燃气管网水力计算精度的主要因素。对该系数进行处理，对于提高水力计算的准确性、收敛性、适用性都具有至关重要的作用。

对比《城镇燃气设计规范》（GB50028—93）和《城镇燃气设计规范》（GB50028—2006）中的燃气管网水力计算求解公式可知，《城镇燃气设计规范》（GB50028—2006）采用的是柯列勃洛克公式，其适用于低压和中高压燃气输配管道。公式如下：

公式（9）中：λ为摩擦阻力系数；K为管壁内表面的当量绝对粗糙度（mm）；d为管道内径（mm）；Re为雷诺数。

柯氏公式则适用于各种管材，既适用于湍流状态下摩擦阻力系数的计算，也可替代层流状态、临界状态摩擦阻力系数计算公式，适用范围非常广泛[5]。

3 管网水力工况模拟系统计算程序编制（Programmingof simulation system for hydraulic regime of pipelineNetwork）

本文以有限元节点法为基础，使用VS 2017 C++语言编写了管网水力工况仿真系统的计算程序。摩擦阻力系数依据《城市燃气规划规范》（GB50028—2006）中指定的Cole brook公式。通过遗传算法对当量粗糙度参数进行辨识，并将其真实值引入仿真系统的计算程序中，得到接近实际工况的水力计算结果。由此，获得了管网中各类气源的供气范围，确定了供气压力，为管网水力工况模拟系统研发工作奠定了基础。

3.1 有限元节点法模拟步骤

（1）根据收集到的数据，整理总结管网所需的基本数据，如管段数、节点数、管径、管材、途泄流量等，以Excel格式录入系统。

（2）确定环状管网最末管段终点位置及气流方向。默认气流方向与高压流向低压的方向相同。

（3）初始时，设管段流量q，求解途泄流量和转输流量。

（4）依次求解节点压力、管段压力降、管段流量。

（5）准确性校验。若所得精度满足要求，则输出计算结果；否则，将所得结果进行平差计算修正后，重复第（4）步骤，直到准确性达标，即第K+1次q的与q差的绝对值满足精度[6]。

工程计算中常使用高斯赛德尔迭代法和雅可比迭代法，本文程序编写采用的是基于高斯赛德尔迭代法求解节点压力。相比雅可比迭代法，高斯赛德尔迭代法节约的内存空间更多，收敛速度更快，效果更优越[7]。

3.2 当量粗糙度辨识流程

在天然气管网水力工况模拟系统中，一些参数是根据工程经验或理论计算得来的。由于日常使用时，受管道使用年限变化及管内气体的影响，管道数据参数可能会有偏差。基于此，本文采用管道过气能力系数替代容易出现偏差的参数，进一步保障管网安全稳定可靠的运行状况。管道过气能力系数包含多种影响因素，如摩擦阻力系数、摩擦阻力损失、当量粗糙度等，其中当量粗糙度是影响最大的因素。

鉴于遗传算法可视为由可行解组成的群体迭代进化的进程[8-10]，针对我国管网结构兼具复杂性和广泛性的特点，已有利用改进遗传算法进行燃气管网设计的研究[11-14]。本文采用的遗传算法对选择、交叉和变异三个步骤进行了改进：①本文所使用的选择运算有赌轮盘法、锦标赛选择法、精英保留法；②通过自适应的方式调整交叉概率P的大小，其取值可根据遗传算法的进化程度和后代个体的优化程度而定；③变异概率P也采用自适应的方法确定，其取值大小取决于遗传算法个体进化情况的好坏。参数辨识当量粗糙度K的算法流程如图1所示。

首先，获取管网所需的实测数据，包括管段压降、节点流量和节点压力等，推算出K值。如果K值符合准确性要求，则结束程序；否則，利用改进的遗传算法对参数进行辨识，使得其理论值与实际值的差值最小，从而获得管网中每一根管道当量粗糙度K的优化值。改进后的遗传算法在对K值寻优的过程中，迭代的稳定性好，最终结果逐渐收敛于定值。

4 燃气管网水力工况模拟系统及水力计算案例分析（Hydraulic regime simulation system of gas pipelinenetwork and case analysis of hydraulic calculation）

本文开发的燃气管网水力工况模拟系统主界面如图2所示，其数据包含管段、源点、节点处数据表。系统界面有四个功能按键：“数据确认”“流量预测计算”“当量粗糙度辨识”“CAD数据回显”。

模拟系统使用步骤如图3所示。

鉴于篇幅有限，本文按辨识值进行软件仿真，并对其产生的数据进行结果分析。以某城市中高压天然气管网为例，其为多气源环状和环枝状管网，由不同管材组成，同时压力级别不同。将具体信息以Excel格式录入，该城市燃气管网有100个管段、86个节点和6个气源厂，总环数为15个，管网具体参数设计如下：温度为293.15 K；运动黏度为0.000 015 m/s；气体密度为0.75 kg/m；压缩因子为1；中高压（表压）阈值为131.325 kPa；当量粗糙度为0.01—3 mm。

管网各管段的信息详见表1，其中管材1为PE管，管材2为新钢管，管材3为旧钢管。

当量粗糙度的辨识结果详见表2。

按K辨识值进行仿真的计算结果详见表3至表5。

对辨识值仿真结果进行分析可知，相较于按工程理论值仿真气源厂流量和节点压力，按辨识值仿真的结果更接近真实值。获得的气源厂相关数据对比结果详见表6至表7。

通过数据对比后发现，相较于按工程经验值或理论值对气源厂流量和节点压力进行仿真，采用辨识值得到的仿真结果更贴近真实值。案例中共迭代19次为0.02，运算时间约为3 s。实验表明，本文设计的管网水力工况模拟系统可对当量粗糙度进行合理辨识，适用于多环、多气源点、环状、枝状管网。

5 结论（Conclusion）

本文开发了一种天然气管网水力工况模拟系统，并介绍了该系统的数学模型。模型经案例验证，其运算速度快、迭代次数少，大大提高了计算精度和工作效率；可用于多环、多气源点、环状、枝状管网的水力计算，有效地解决燃气管网计算时出现的收敛速度慢或不收敛的问题。经实验模拟，先对当量粗糙度进行参数辨识，再将其带入水力计算公式得到的数据结果更精确。

鉴于本实验管道水力计算是在模拟环境中进行的，其对于管网运作的工况分析以及水力计算结果的可靠性还有待进一步的实践验证和理论研究。

作者简介：

姚先威（1994-），男，本科，助理工程师.研究领域：油气储运设计，自动化系统开发集成，软件开发.

史云怡（2000-），女，硕士生.研究领域：自动化系统开发集成，软件开发.