Development on the Hydraulic Calculation Software of Urban Gas Pipeline Network
-
摘要: 在城市燃气管网的设计过程中, 水力计算是最关键的环节。以往采用传统的手算平差法, 存在计算周期长、误差大、计算结果保守的缺点。采用Visual Basic5.0开发了城市燃气管网水力计算软件, 采用的节点线性逼近法比平差法的方程阶数增多, 收敛速度令人满意, 计算结果具有较高的经济性。Abstract: The hydraulic calculation in the design of urban gas pipeline network is a very important work. The traditional calculation method used before, for example, the integral square error, has disadvantages, such as long period, larger error and conservative. A new hydraulic calculation software for urban gas pipeline network is developed with Visual Basic 5.0, in which the lineal shrinkage at juncture is adopted. Some calculation cases are given. The calculation speed is greatly improved with a high accuracy and satisfactory results.
-
一. 水力计算软件开发背景
随着我国石油工业的高速发展, 我国的城市燃气事业近年来发展很快, 许多城市新建了液化石油气和天然气的供应设施。过去以人工煤气为主要气源的城市, 现已逐步使用人工煤气、液化石油气和天然气等多种气源。
在城市燃气管网的设计过程中, 燃气管网的水力计算是最重要的环节, 其计算过程是根据燃气的计算流量和允许的压力损失来计算管道直径, 以确定整个工程的管道投资和金属耗量。因此, 正确进行水力计算对整个城市燃气管网的设计尤为重要。
长期以来, 燃气管网的水力计算沿用的是传统的平差手算方法。这种方法需要假设初始流量和管径, 并需要进行多次校正, 在多气源情况下还需要增设虚环。不断重复繁琐、复杂的手工计算, 不仅延长了设计周期, 而且极易出错。尤其是多气源多环的大型管网, 计算一种工况就需要花一周的时间, 而且往往只能计算一、两种工况, 管径的选择趋于保守, 取值一般偏大, 在一定程度上增大了工程投资。在这种背景下, 开发了城市燃气管网的水力计算软件。
二. 软件编制方法与原理
在管网水力计算时, 常用一个由点、线和回路构成的计算草图来表达所计算的网络。草图中每根线有两个端点, 线上标有箭头表示方向, 并且假定线的正方向是由线的始端指向末端, 这样一个计算图在图论中称为有向线性图。图 1为一个简单的有向线性图。
一个有向线性图的全连接矩阵是以节点编号代表行, 枝的编号代表列, 用数值+1、-1、0的元素所排列的一个n×b阶的全矩阵(b为枝的根数, n为节点的个数)。它的各个元素aij是按节点和枝间的下列关系来确定的, 即
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2002/1/href="yqcy-21-1-25-FE1.png")
为了使图 1能表达一般管网水力计算所用的计算图, 选用气源节点作为压力基准点, 如图 1中的节点6, 并用其它节点上指向外向的箭头来表示节点流量qj, 在各管段上注有相应的阻耗值s, 和管段流量Qj。这样便得到如图 2所示的网络计算图。
从全连接矩阵划去基准点一行后所得到的矩阵称为连接矩阵, 简称A矩阵。再将A矩阵的行转置后变为列, 这样得到的矩阵为转置矩阵, 记作AT。这样可以得到矩阵代数表达式:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2002/1/href="yqcy-21-1-25-E1.png")
(1) 式中 A—连接矩阵;
Q—管段流量列向量(未知量);
q—节点流量列向量(已知量)。
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2002/1/href="yqcy-21-1-25-E2.png")
(2) 式中 AT—连接矩阵A的转置矩阵;
p—对应于基准点的节点压力平方差;
P—代表管段压力降列向量。
因此, 得到非线性方程组:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2002/1/href="yqcy-21-1-25-FE2.png")
采用线性逼近的方法来解此方程组。
首先, 将管段流量与管段压力平方差的关系式P=S·Qn改写成P=SQ|Q|n-1, 然后将式中的S·|Q|n-1作为已知量来处理, 用S’代替它的值, 因此P=S'·Q, 即管段压力降P和管段流量Q之间的关系由原来的非线性关系转化为线性关系。通过不断修正S'值来进行迭代求解Q, 使方程组前后两次解出的Q值逐步逼近, 直至满足所需要达到的精度为止。
关系式P=S’·Q还可进一步改写为Q=P/S’。1/S’在线性网络图中称为导纳, 用G代表管段的导纳, 这样Q=G·P。将Q=G·P代人上面得到的非线性方程组, 消去Q和P, 得到未知量p的线性方程组:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2002/1/href="yqcy-21-1-25-E3.png")
(3) 式(3)中, A·G·AT是一个n0×n0阶矩阵, 其中G是对角线矩阵, 称之为节点导纳矩阵。式(3) 是由n0个方程组成的线性方程组, 能够解出n0个未知值p。
从方程组解得p以后, 应用式(2)求出管段压力平方差P, 再从关系式Q=G·P得到管段流量Q, 计算S'=S·Qn-1, 组成新的节点导纳矩阵。这样经过多次求解(即节点线性逼近求解), 直至满足前后两次解出的Q值之差小于10-2, 最后得到计算结果(燃气管网各节点压力、管段流量、管段的压力平方差)。本软件计算流程框图见图 3。
三. 水力计算软件特点
(1) 水力计算软件采用Visual Basic 5.0开发而成, 在Window95或Window98操作环境下运行。
(2) 软件采用图形用户界面(GUI), 界面友好, 可实现人机对话, 使用户和软件之间的相互交流更直接、简捷。
(3) 利用开放式数据访问(ODBC)技术, 实现输入、输出数据与数据库的动态连接, 可以把输人数据、输出数据以数据库的形式保存起来。一般中小型城市燃气环状管网的输入数据达几百个, 数据只要输人一次后, 下次只需改动必要的数据, 即可再次进行计算。
(4) 计算软件在计算方法上采用节点线性逼近法, 同过去手算一直采用的各环逐个平差的传统方法(流量校正法)比较, 方程阶数增多, 收敛速度令人满意, 在反映管网水力工况方面更为直观。
(5) 该软件计算迅速、准确。对于80个节点、100根管段的中型管网, 全部计算时间(包括数据的输人及计算结果的输出)仅需5 min左右, 比手工计算快将近100倍, 且闭合差不超过1%(手算闭合差≤10%), 计算精度很高。这就有可能在较短的时间内迅速对精度较高的多种方案进行比较, 从中选择符合供气规划要求、技术可行、经济合理的最佳方案, 从而缩短工程设计周期, 提高工程设计的质量。
四. 应用情况及经济效益
本计算软件先后成功应用于骥阳市开发区经贸区天然气工程、兴平市天然气城市气化工程、山东禹城市天然气工程建设规划等项目, 应用效果良好。同手工计算比较, 设计周期大大缩短, 在较短的时间内完成了多种方案的对比, 确定了最经济可靠的管径, 节约了工程投资。以吐哈油田哈密基地液化气供气管网为例, 将该软件的应用与以往的手算进行了比较(见表 1)。
表 1 软件电算与手算工作效率的比较
从表 1中可以看出, 采用计算机电算后, 工作效率明显提高, 手工计算的时间约是电算的100倍, 而电算的工况增加了1倍, 计算精度同时也大大提高了。计算管径与工程投资的比较结果见表 2。
表 2 计算管径与工程投资的比较结果
从表 2可以看出, 软件电算的管径更加经济合理, 一次性节约工程投资约66×104元。本例燃气管网为中小型管网, 计算的燃气管网规模越大, 节约工程投资的效果将越明显。
下载:
计量
- 文章访问数: 2
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 0