（制冷及低温工程专业论文）基于scada系统的天然气管道瞬态仿真及负荷预测.pdf

中文摘要 瞬态模拟系统是天然气管网s c a d a 系统最重要最复杂的应用软件之一，瞬态 检漏能力是瞬态模拟仿真最重要的用途，天然气负荷预测及其体系的建立是 s c a d a 系统应补充完善的应用软件，而目前我国天然气管道s c a d a 系统应用软件 几乎都是由国外引进。因此，本课题是国内天然气行业亟待深入开展的前沿课题 之一。本文主要研究内容如下： 对天然气管道低压和中高压摩阻公式作了统一单位制的变换，指出了水力计 算传统平差法的缺点，并对其作了改进。以流体力学三大守恒方程和气体状态方 程为基础，建立天然气管道稳态和瞬态仿真理论模型，以有限差分发为基础，得 到上述模型求解方法，并开发了管网瞬态仿真软件。通过对天津市高压管网进行 实际应用和分析，得到出口压力和流量平均误差分别为o 5 4 和2 1 6 的仿真结 果。以瞬态仿真模型为基础建立了瞬态泄漏检测模型，并对影响泄漏位置的参数 泄漏量、管径、出口压力、摩阻系数等作了分析，得出泄漏量与管道出口压力对 泄漏位置影响较大。分析归纳了影响天然气负荷的因素和特性，把影响短期负荷 的特殊因素分为突发事故和节假日，并提出相应的解决方案。引入了经济增长率， 对动态等维灰色递补模型做了修正，编制了城市天然气中长期负荷预测软件，以 天津市1 9 9 5 2 0 0 5 年天然气负荷为依据，得到预测误差为一1 0 一3 ，然后探讨了 天然气负荷预测体系的建立。 最后，在瞬态模拟软件和负荷预测软件的基础上，展望了模拟软件在s c a d a 系统上的应用及其功能。 关键词：s c a d a ，水力计算，瞬态仿真，瞬态泄漏检测，预测负荷体系 a b s t r a c t 。i h et r a n s i e n ts i m u i a t i o ns y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m p l i c a t e d 印p li c a t i o n si n t h es c a d as y s t e mo fg a sp j p e l i n e a n dt h et f a n s i e n l e a k a g e d e t e c t i o ni sa m a j o rf u n c t i o no f t h et r a n s i e ms i m u l a t i o n p r e d i c t i o no fn a t u r a lg a sl o a d a n di t ss y s t e ma r ear e q u i r e ds u p p l e m e n t ，w h i l et h ep r o g r a m sa l m o s th a v eb e e n b r o u g h tf 幻ma b r o a d t h e r e f o r e ，i ti s ap r e s s i n gp r o b l e mt or e s e a r c ho na n a l y s j so f s i m u l a t i o no fg a sp i p e l i n ea n dn a t u r a lg a sd e m a n df o r e c a s ti nc h i n a t h em a i n c o n t e n t so fm i sp a p e ra r ef o i i o w s ： c a l c u l a t i o n so ff r i c t i o nr e s i s t a n c eo fl o wp r e s s u r ea n dh i 曲a n dm e d i u mp r e s s u r e w e r et r a n s f e r r e df o rc o n f o n n i t yi ns y s t e mo fu n i t t h ed e f e c to ft h et r a d i t i o n a l h y d l i a u l i cc a j c u l a t i o nw a si n d j c a t e d ，a n ds u g g e s t i o nw a sg i v e n b a s e do nt h e 乏h r 。e c o n s e r v a t i o nf u n c t i o n si nh y d r o m e c h a n i c sa n dt h es t a t ee q u a t i o n ，t h es t e a d ya n dt h e t r a n s i e n tm o d e l so fn a t u r a lg a sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d t bb a s i so f6 n i t ed i f f - e r e n c e m e t h o d ，t h er e s o l v i n gm e t h o dh a sb e e ng o t t h e ng a sn e t w o r ks i m u l a t i o ns o r w a r e w a sp r o g r a m m e da c c o r d i n g l y t h r o u 曲p r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nn a t u r a lg a sn e t 、o r ko f h 培hp r e s s u r e n e t w o r ki n t i a n j i n ， t h es t i m u i a t i o nr e s u i t s ，w h i c hv a ii d a t em e d e p e n d a b i l j t yo ft h i sm o d e la n di t sr e s o l v i n gm e t h o d ，h a v e0 5 4 a n d2 16 e 玎o r d i 行e r e n t i a t i n gf r o ma c t u a ld a t ao fp r e s s u r ea n dq u a l i t ys e p a r a t e l y t h et r a n s i e n t l e a k a g em o d e jh a sb e e n 蠡a m 矗o nt h eb a s i so ft h et f a n s i e n ts i f n u l a t i o n t h er e l a t i o n ， b e t 、v e e nl e a k1 0 c a “o na n dp i p e l i n eo u t l e tp r e s s u r e ，h a sb e e nr e s e a r c h e d e ：x p e r i m e n t s w e r ea l s oc a r r i e do u ta c c o r d i n gt od i f f e r e n tl e a k a g e t h er e s u l t ss h o wt h a tl e a k a g ea n d o u t l e tp r e s s u r ea r em o r ei m p o 砌n tp a r a m e t e r sc o m p a r e dt ot h ec o e 币c i e n to ff r i c t i o n a l r e s i s t a n c ea n dp i p e l i n ed i a m e t e r t h ep r o p e r t i e sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fc i t yg a s w e r ea n a l y z e da n dc i a s s i n e d t h es p e c i a if a c t o r so fi n f l u e n c i n gs h o r t t e mi o a dw e r e r a n g e dh o j i d a y sa n da c c i d e n t ，a n ds o l u t i o n sh a v eb e e np r o p o s e d t h ei m p r o v e m e n t w a sd o n et ot h em o d e lo fd y n a m i ce q u a l 一d i m e n s i o n a l 伊a y n u m b e r p r o 伊e s s i v e c o m p i e m e n t ，w h i c hi n t r o d u c e sp a r a m e t e re ，e c o n o m i cg r o w t h a c c o r d i n gt 0d a t ao f t i a n j i nf r o m1 9 9 5 - 2 0 0 5 ，t h ec i t yg a sl o a ds o f e w a r eh a sb e e nc o m p l e t e dw i t he r r o r s r a n g ef r o m 10 t 0 3 t h e nt h es y s t e mo fg a sl o a df o r e c a s tw a si n v e s t i g a t e d f i n a j l y ，b a s e do nt h e 把a n s i e n ts i m u l a t i o ns o m v a r ea n dd e m 8 n df o r e c a s s o 丘w a r e ， s i m u i a t i o ns o f t w a r eu s i n gi nt h es c a d a s y s t e mw e r el o o k e da h e a d k e yw o l m s ：s c a d a ，h y d r a u l i cc o m p u t a t i o l l ，胁n s i e n ts i m u l a t i o n ，l e a k a g e d e t e c t i o n ，t h es y s t e mo f o a sl o a df o r e c a s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。， 学位论文作者签名： 女9 日日劾 签字日期： 沙莎。年z 月广日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕壅态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：划d 胄衫导师签名： 签字日期：2 ，口，陴月厂日签字日期： 气 拗一 第一章综述 第一章综述 根据中华人民共和国气候变化初始国家信息通报，2 0 0 4 年中国温室气体 排放总量约为6 1 亿吨二氧化碳当量( 扣除碳汇后的净排放量约为5 6 亿吨二氧化 碳当量) ，其中二氧化碳排放量约为5 0 7 亿吨，甲烷约为7 2 亿吨二氧化碳当量， 氧化亚氮约为3 3 亿吨二氧化碳当量。从1 9 9 4 年到2 0 0 4 年，中国温室气体排放 总量的年均增长率约为4 ，二氧化碳排放量在温室气体排放总量中所占的比重 由1 9 9 4 年的7 6 上升到2 0 0 4 年的8 3 。随着中国的经济发展、人口增加、城市 化进程加速以及消费模式的改变，中国已经成为仅次于美国的世界第二大二氧化 碳排放国。为满足能源结构的优化调整需要，缓解我国面临的国际压力，适应天 然气消费快速增长的要求，我国正在加快构建覆盖全国的天然气基干管网，并呈 现出西气东输、北气南下、海气上岸、就地利用四大格局，新世纪的天然气管 道战略蓝图逐渐清晰。 1 1 天然气概况 1 1 1 天然气优势 天然气与煤炭、石油等化石燃料相比，有五大优势【2 】，如图卜1 所示： 图卜l 天然气优势 第一章综述 天然气是矿物燃料中最清洁的能源，而且是一次能源，其杂质含量极少，理 论上，它燃烧后没有污染，具有显著的环保性。与煤炭相比，其排放的二氧化碳 减少2 5 ，二氧化硫减少5 0 以上、氮氧化物减少4 0 9 6 左右；与石油相比，温室 气体排放减少l 3 左右。 天然气热值高达3 2 3 5 m j m 3 ，人工煤气大约为1 8m j m 3 ，液化石油气热值为 1 0 5m j m 3 ，是天然气热值的3 倍。但是，天然气价格便宜，价格不到液化石油气 的l 3 ，天然气性价比较高。 无论国内还是国外，天然气资源与石油相比，储量和可开采量都比较丰富。 据第三次石油资源评价初步结果表明：我国天然气资源总量为5 4 5 4 t c m ，中国常 规天然气的可采储量估算为1 2 4 1 3 6 t 傩，可采量为资源量的2 6 3 。世界天然 气资源量为5 0 0 t c m ，按现在探明率和潜在的可开采量约为2 6 0 t c m ，按目前的生产 水平，足可持续l o o 年。 天然气的成分主要是氢气和甲烷，没有毒性；而人工煤气( 如油制气) 则含有 一氧化碳等有毒气体，一旦发生泄漏将对人造成直接伤害。另外，天然气的燃点 也比液化石油气要高，相对不易起火燃烧。天然气比空气轻，而液化气则要比空 气重，一旦发生泄漏，前者极易随风飘散，不容易造成安全隐患；而后者则容易 积聚在低洼处，形成重大安全隐患；此外，引发天然气的爆炸极限也比引发液化 石油气的爆炸极限要窄得多，约为5 1 5 。 按照国际惯例，天然气的供应合同遵循2 5 年“照付不议”的原则，供应合同 期一般较长，合同规定了价格的上限和下限。在合同供应期限内，不管市场行情 如何变动，天然气的购销价格只在这两者之间波动。因此，使用天然气基本可以 免受国际石油市场价格频繁波动的影响。 在第2 1 届天然气大会上，把2 1 世纪称为天然气的黄金时代。“天然气一2 1 世 纪的能源 已经成为全人类的共识，可以预料天然气市场在全球范围内将得到较 大的发展l 川。 1 1 2 输气管道概况 管道输送是天然气的主要输送方式之一，从油气田井口到最终用户，历经矿 场集气、净化、管道、压气站、配气站及调压计量等，形成一个统一密闭的输气 系统。输气管道一般按其输送距离和经营方式及输送目的分为三类：一是属于油 气田内部管理的矿场输气管道，通常称为矿场集气管线：二是隶属管道输送公司 的干线输气管道，通常称为长距离输气管道：三是由城市煤气公司或其它燃气公 司投资建设并经营管理的城市输气管道，通常称为城市输配管网【3 】o 第一章综述 ( 1 ) 管道运输优点 随着油气管道运输的发展，各国注意到管道运输方式的诸多优点，因而促进 了天然气管道运输，加快了天然气的开发，降低了用输成本。管道运输方式特别 是长距离管道运输方式，与其他运输方式相比，具有下述优点【4 】，如图1 2 所示： 图1 2 管道运输优势 ( 2 ) 管道运输前景 根据石油商报报道，从2 0 0 5 年起到下一个l o 年，世界各地计划建设的石 油和天然气管道总长度约为9 6 万公里，其中6 2 是天然气管道；2 0 0 5 年 计划完成管道建设为2 4 万公里，投资超过2 7 5 亿美元，其中天然气管道占5 4 ：2 0 0 5 年实际完成的管道建设约为2 0 9 万公里。2 6 年计划完成2 8 5 万公里，投资2 7 6 亿美元，其中天然气管道约1 8 5 万公里，占5 6 ，比2 0 0 5 年的天然气管道计划所占份额增加2 个百分点；2 0 0 6 年计划的未来1 0 年的 管道计划约为1 0 万公里，其中天然气管道占7 4 。比较两年的全球油气管道 建设计划，天然气管道的份额从占6 2 提高到占7 4 。 我国在天然气发展总体规划中，确定在现有的6 0 多个巳通天然气城市的基 础上，计划在2 0 0 5 年将天然气发展到1 4 0 个城市，2 0 1 0 年将增加到2 7 0 个城市。2 1 第一章综述 世纪中叶，全国7 0 的城市将通上天然气i 纠。可见，在未来几十年中，我国天然 气管道会迎来飞速发展。 ( 3 ) 管道运输发展趋势 与世界输气管道技术相比，近十年来，我国天然气管道事业已经取得了长足 的进步，尤其是“西气东输”标志着我国天然气管道事业又上了一个新台阶。但 是，目前我国天然气管道以及原有城市燃气管网存在的问题剧2 】：分布不均、不 成系统；管线老化、技术水平落后；不能联网、供气可靠性和管道输气能力利用 低下等。为了克服这些问题，我们应该围绕干线建设，建立大型供气管网，以提 高供气的可靠性；提高人员素质水平，采用先进设备，以促进自动化水平的提高。 1 1 3 天然气输配工程 天然气为主要气源的燃气输配系统在中国的一些地方虽然积累了多年的经 验，但在全国范围一直都处于次要地位。在天然气工业大发展的时刻，输配工程 项目大量涌现，特别是形成了大系统的格局。输配工程在技术理论方面有下列内 容 2 】，如图1 3 所示： 图卜3 天然气输配工程 管网运行分析：包括水力计算、动态模拟，管网的优化设计、可靠性和供气 的有效性等。本文主要涉及水力计算和动态模拟仿真。 燃气负荷：燃气负荷规律性研究、分析和方法，各种指标的制定与负荷预测。 本文对天然气负荷预测特别是中长期负荷预测进行分析，并编写城市天然气中长 第一章综述 期负荷预测软件。 1 2 天然气管网仿真及负荷预测研究现状 1 2 1 天然气管网仿真 2 0 世纪4 0 6 0 年代，国外主要从事静态计算，其基本方法是采用连续性方程 和动量方程描述气体在管内流动。通过忽略流体介质随时间的变化，并在一定条 件下得到管道内流量随压力变化的水力计算公式【6 8 】。2 0 世纪6 0 年代一8 0 年代，开 始研究天然气管道不稳定流动仿真。主要采取两种方法：将天然气视为理想气体， 并忽略能量方程；不考虑温度的变化，也忽略能量方程，并把压缩系数看作常数。 但当压力较高、温度较高、管径加大时，误差较大【9 。10 1 。在动态仿真研究方面， y u l i ad u k h o v n a y a ，m i c h a e la a d e w u m i 【1 1 】， j o s i a d a c za n d r z e j 【1 2 】， s l k e ， h c t i 【l 引， w q t a o ，h c t i 【1 4 j 等作出了深入的研究。但这些大都主要集中在 对动态等温的研究中。j o s i a d a c za n d r z e j l l 5 】只是对管道动态非等温给予了初步 的探讨和分析。 2 0 世纪9 0 年代初期，许多公司开发的软件都是基于d o s 系统。如t g n e t 、s p s ， 其数据输入基于有特定格式的数据文件，使用很不方便。自9 0 年代中期开始，为 了适应w i n d 0 w s 操作系统日益普及的形势，各个仿真公司纷纷推出输气管仿真软 件的w i n d o w s 版本i l 引。国外管道仿真软件公司中最早介绍到中国的是美国的s s i 公司( s c i e n t i f i cs o f t w a r ei n t e r c o m ) ， 其仿真软件为t g n e t ( t r a n s i e n tg a s n e t w o r ka n a l y s i sp r o g r 锄) 。主要功能是进行管网中气体流动的稳态计算和瞬 态分析模拟，是较强的离线气体管线设计程序。s s i 公司开发的在线仿真软件称 为在线系统，其功能实现了模块化，主要包括实时模块、预测模块和自动预测模 块i j 川。美国s t o n e r 公司开发了用于气体稳态管网设计的软件s w s 和模拟长输管道 动态状况的软件s p s 。该仿真软件既可对管道系统水力、热力工况进行仿真，又 可以对管道系统进行控制调节。并且仿真的控制对象可以是实际管道系统，也可 以是在非实物下对其控制逻辑进行模拟，有利于实际应用、方案预定和职工培训。 仿真结果可以显示管路纵断面图的变化：同时也可以实时显示管道、设备，并对 仿真数据进行管理和多种形式的输出【9 10 1 。 在我国，李长俊，孙建国，江茂泽，袁宗明等人在文献 1 8 2 4 中对稳态和 动态仿真进行了大量的研究。我国在上个世纪8 0 年代也开始开发自己的仿真软 件。但客观地讲，我国燃气行业起步晚、水平低，西方国家无论在燃气工程还是 计算机水平都远高于我国。中国石油大学的孟伟等开发的g p t r a n 曾成功地应用于 第一章综述 8 0 年代规划的海南一深圳线，中国石油大学开发了g a s f l o w 天然气静态管网仿真软 件，哈尔滨建筑工业大学徐彦峰等也作了相应的研列2 5 1 。但与国外依然存在着较 大的差距。 1 2 2 天然气负荷预测 就全球而言，天然气资源量主要分布在东欧、北亚和中东地区，天然气消费 市场主要在西欧、北美等地：就我国而言，天然气资源量主要分布在西部四川、 塔里木盆地、柴达木盆地、准格尔盆地和渤海湾等，而天然气消费市场主要在京 津、长三角和珠三角。天然气资源分布和市场需求的矛盾要求对天然气消费进行 预测。 1 8 9 5 年【2 6 | ，原苏联专家c a 博布罗夫斯基在天然气管道输送中系统介 绍了天然气的消费量的分析和预报。1 9 9 6 年【2 7 】，门可佩把灰色系统预测引入能 源预测领域，建立g m ( 1 ，1 ) 模型，并对1 9 9 5 2 0 0 5 我国能源生产及消费总量 做了预测。1 9 9 9 年弘引，我国学者钱凯等在中国天然气资源中详细介绍了数 字模型和情境分析两个方面的各种天然气消费预测方法，通过具体实例比较各种 预测方法精度和效果。2 0 世纪9 0 年代末，人工神经网络作为一门新兴的学科得 到广泛的发展，并被人们引入能源预测领域。1 9 9 1 年，d c p a r k 等人首次用该 方法成功对负荷进行预测【2 9 1 。1 9 9 8 年【3 0 】，彭世尼等采用人工神经网络方法对天 然气消费量进行了预测。2 0 0 0 年1 3 ，赖晓平提出采用电力系统的混合模型神经 网络方法。2 0 0 1 年【皿j ，焦文玲、严铭卿等提出灰色系统算法的改进算法一动 态等维递补灰色预测模型。 对天然气负荷预测的准确性，主要依赖于历史数据收集、相关因素分析以及 对预测方法的正确选择。而历史数据的记录、收集、整理是一个长期的工作。 1 3 本文研究意义与研究内容 1 3 1 本文研究意义 天然气管网是天然气输配的主要载体，对天然气管网进行仿真有重要的意 义。管网仿真是管网优化、合理调度、可靠运行和管网自动监控系统的基础，同 时对降低操作费用也有重要的意义。近年来，随着我国大规模利用天然气时代的 来临，天然气输配工程也得到长足的发展，天然气管道s c a d a 系统更是发展迅速。 国内外学者在天然气管网仿真方面作了大量的工作，但以往对天然气管网瞬态仿 第章综述 真结果的应用探讨很少。充分利用瞬态仿真结果既可以使s c a d a 系统的功能得到 发挥，也有利于对s c d a 系统的完善。 天然气负荷预测是优化调度的基础，是决定建立地下储库的依据，是减少管 网投资的重要因素。2 0 世纪9 0 年代以来，国内外许多学者对天然气负荷预测方 法也作了大量的研究，并借鉴了很多领域成功的经验，引入了人工神经网络、灰 色模型及其改进模型等，但总得来说这些方法对西方燃气市场成熟的地区比较适 用。由于我国尚处于天然气工业发展的初期，有很多不确定的因素干扰着这些模 型，因此有必要对适应我国国情的预测方法进行选择和适当修正。 1 3 2 本文研究内容 针对国内外研究现状，本文主要工作如下： ( 1 ) 对水力计算中的低压和高中压阻力计算公式作了适当变化；指出传统平 差计算公式的不足，并提出了改进方法。 ( 2 ) 在对管网稳、瞬态仿真的基础上，编制天然气管网仿真及泄漏预警软件， 并以天津市天然气高压管网作了模拟分析。 ( 3 ) 探讨了管网仿真结果的应用，以流体力学三大守恒方程为基础，建立了 燃气管道瞬态泄漏检测理论模型，即瞬态仿真模型和体积流量平衡模型，探讨了 泄漏量、管径、出口压力等参数对泄漏位置的影响。 ( 4 ) 对天然气短期与中长期负荷预测影响因素作了分析归纳，并对影响短期 负荷预测的特殊因素的处理提出了解决思路。 ( 5 ) 在对长期负荷预测方法分析的基础上，提出了适应我国当前国情的预测 方法动态等维递补灰色预测模型，在引迸经济增长率的基础上对其进行了修 正。 ( 6 ) 在动态仿真和负荷预测的基础上，对s a c d a 系统上的应用软件作了展望。 1 4 本章小结 本章首先描述了天然气概况，包括了天然气优点、管道输送优势和天然气输 配工程，接着介绍了天然气管道仿真和负荷预测的国内外研究现状：最后指出了 本文要研究的工作及研究意义。 第二章燃气管网水力计算 第二章燃气管网水力计算 燃气管网水力分析在城市燃气管网的设计、改造、扩建和运行管理中起着十 分重要的作用。尤其实在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，正确的进行水力计算对整个城市 燃气管网的设计尤为重要p 3 1 。 管网水力计算的原理是基于质量守恒和能量守恒，由此得到节点的连续方程 和环的能量方程，再由压力损失和管段流量的关系列出压降方程，将连续方程、 能量方程、压降方程联立可求的管段流量或节点压力。因此，管网水力计算的实 质是求解上述联立方程组。 2 1 管网水力计算基础知识删 2 1 1 燃气用户及其用气指标 在进行天然气管网设计时，首先要确定年用气量，然后再根据年用气量和使 用不均匀情况，确定管网的通过能力和计算流量。 城市燃气主要包括居民生活用气、公共建筑用气、工业企业生产用气和建筑 物采暖用气。用气指标又称用气定额，是管网设计的基础数据。影响用气指标的 因素很多，很难精确计算。“城镇燃气设计规范”g b5 0 0 2 8 9 3 推荐各种类型用 气定额，如表2 1 所示。设计时可参照表2 1 制定本地区的用气定额，也可以先 对本地区用户即有的能源消耗做一个调查，然后再换算成用气量。换算公式如 2 1 所示： q 产掣 ( 2 1 ) 9 r = 荔卫 q j 式中：q 。年用气量，m 3 年； g ，其它燃料年用量，t 年： 其它燃料低发热值，k j k g ； h 本地区燃气低发热值，k j k g ； 刁其它燃料热效率； ，7 本地区燃气设备热效率。 第二章燃气管网水力计算 在计算居民生活及公共建筑用气量时，需要确定用气人数。居民用气人数取 决于城镇居民入口数及气化百分率；对于公共建筑，用气量取决于城市居民的人 口总数和公共设施的标准。根据用气量指标、居民数、气化百分率，可计算出居 民年用气量。再根据用气量指标、居民数及公共设施标准和规模，就可计算出公 共建筑的年用气量。 工业企业用气量可以利用各种工业产品用气定额及年产量来计算。工业产品 的用气定额可根据有关设计资料，或者参照已用气企业的产品用气定额选取。在 缺乏产品用气定额资料的情况下，可以利用公式2 1 进行换算。 建筑物采暖用气量与建筑面积、耗热指标及采暖时闯长短有关，其计算公式 2 2 如下： q ，：笔 ( 2 2 ) n ；| l 式中：q 。年用气量，m 3 年； 卜建筑面积，m ； q 耗热指标，k j m 2 h ； 且燃气低热值，k j m 3 ； ，7 燃气燃烧热效率； n 采暖最大负荷利用小时数，h ，如式2 3 所示。 姐：强丝 2 3 ) f 3 式中：琏采暖期： 厶采暖室内计算温度，。c ； 厶采暖室外平均温度，。c ； 毛采暖室外计算温度，。c 。 城镇年用气量中还应计入未预见量。它包含管网的燃气漏损和将来发展中未 预见的供气量。一般未预见量按总用气量的5 计算。 第二章燃气管网水力计算 2 1 2 燃气小时流量 燃气管道的通过能力都应按照计算月的小时最大流量进行计算。其计算方法 有两种：不均匀系数法和同时工作系数法。这两种方法各有其特点和使用范围。 ( 1 ) 均匀系数法 居民生活用气和公共建筑用气的管道燃气小时计算流量是按照计算月最大 用气量来计算的，其计算公式如2 4 所示： 1 q = 二q ( 2 4 ) 刀 式中：q 燃气小时计算流量，m 3 h ； q 年燃气用量，m 3 年； n 燃气最大负荷利用小时数，h ，如式2 5 所示。 3 6 5 x 2 4 n = 一 r 2 5 、 k m k d k h 、。 式中：蟛分别为月、日、小时高峰系数。居民生活和公共建筑用气高 峰系数缺乏用气量实际资料时，选择范围为：如取1 1 1 3 ；巧取1 0 5 1 2 ； k 取2 2 3 2 。 ( 2 ) 同时工作系数法 对于独立小区和庭院的燃气支管计算流量，应根据燃气具的额定流量及同时 工作系数决定，计算公式如2 6 所示： q = k ( 睨) ( 2 - 6 ) 式中：q 燃气小时计算流量，m 3 h ； k 不同类型用户的同时工作系数，当缺乏资料时，取值为1 ； q 燃具额定流量，m 3 h ； 卜同一类型燃具数量； k 燃具同时工作系数。 2 1 3 燃气管道压力 ( 1 ) 气管道的压力分级 城镇燃气管道按输送压力分为5 级，并应符合表2 2 的要求。 ( 2 ) 压力级制 城镇燃气输配系统采用下列压力级制：一种压力的一级系统；两种压力的 1 0 第二章燃气管网水力计算 两级系统；三种压力的三级系统；四种压力的多级系统。 表2 2 城镇燃气输送压力( 表压) 名称压 力( m p a ) 高压燃气管道 中压燃气管道 ( 3 ) 压降 低压管道 低压管道从调压站到最远燃具的管道允许压降按下式计算： 嵋= 0 7 5 e + 1 5 0 ( 2 - 7 ) 式中：蝎从调压站到最远燃具的管道允许阻力损失，p a ； e 低压燃具的额定流量，p a 。 中压管道 中压燃气管道的允许压降可由设计决定。 附加压力 计算低压燃气管道阻力损失时，应该考虑因高程差而引起的燃气附加压力。 燃气的附加压力按式2 8 计算： 胆= 1 0 ( 凤一成) ( 2 - 8 ) 式中：胡燃气的附加压力，p a ： a 空气的密度，k g m 3 ； 岛燃气的密度，k g m 3 ； h 燃气管道起点、终点的高程差，m 。 2 2 燃气管网阻力损失计算 根据城镇煞气设计规范( g b5 0 0 2 8 9 3 ) ，燃气管道水力计算公式有低 压和中高压之分，而低压水力计算按气体的流动状态( 层流、临界状态和湍流) 分为三个不同的计算公式。对于管内壁粗糙程度不同的管道材质( 钢管、铸铁管 和p e 管) ，计算公式也相应不同。 石墨4 叱 o 0 阁间间眯 反同相相；向向上方方h 的的 路i i 回路路在回回 不与写 jjj段段段管管管 l 仉 一 k 厂0、【 = u _ l u 第二章燃气管网水力计算 分重要的关系，就是矩阵a 的行向量和矩阵b 的行向量内积总是等于0 。这说明， 矩阵b 与矩阵a 之间存在正交性。用矩阵代数式来表示，则为 a b = 0 或 b a 。= 0( 2 1 5 ) 由式2 1 5 可知，只要知道管网系统的关联矩阵或回路矩阵，就能够很容易得到 另外一个待求的矩阵，这样，就节省了对管网矩阵的生成准备工作。 2 3 2 基尔霍夫定律在管网中的应用 根据基尔霍夫第一定律 3 8 1 ，管网中任一节点的流量代数和为零，即各节点的 流量连续性方程，称为节点方程。 我们把节点与管网外部的流量交换称为载荷，见图2 1 中的g 愈= 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 为载荷，而q ( f 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 为管段流量。载荷可以为正、负或零。正载荷表示 从管网向外供应燃气，负载荷表示从外部气源向管网供气。图2 1 包含两个回路， 即回路l 和2 ，规定回路方向顺时针为正，逆时针为负。 根据基尔霍夫第一定律，我们可以得到如下关于节点流量和管段流量的一组 线性方程组： f 蜴一鲛一级= 镉 l q 2 一q 3 = g ： jq ，一幺= 9 3 l 一包+ g + q = 9 4 ( 2 - 1 6 ) i q 5 + q 7 = 9 5 iq l + q 7 = g l + 9 2 + 9 3 + 9 4 + 9 5 方程组2 1 6 称为节点方程组，其中最后一个方程为前五个方程之和，所以是多 余的，同时可以看出代表这个方程的节点正是“压力基准点”，因此可以把该方 程剔除。 将方程组2 3 0 表示成矩阵的乘积形式，如式2 1 7 所示： 11 o 1 0o o 0 00 一l0 00 - 10 l1 o1 00 0o 10o 0 00 00o 1 l o 101 001 q ， q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 q ， q l q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 ( 2 1 7 ) 根据式2 一1 7 的形式，我们可以将其表示成下式2 1 8 ： a q = g ( 2 一1 8 ) 第二章燃气管网水力计算 式中：a 节点一管段关联矩阵( n m 阶矩阵) ； q 管段流量，m 3 h ； g 节点流量，m 3 h 。 根据基尔霍夫第二定律【3 9 】，回路中各管段压力降的代数和等于零，即 罗p = o ，也称回路方程。 由图2 1 ，我们可以得到： 卜只+ e 只+ b = o 【一一只+ 只+ 圪= o 将方程组2 1 9 表示成矩阵的乘积形式： r 1oo fo一1 一l 0111 l o1 o j b p 2 p 3 只 p 5 p 6 p 1 ( 2 1 9 ) = 0 ( 2 2 0 ) 根据式2 2 0 的形式，我们可以将其表示成下式： b p = o 式中：卜回路一管段关联矩阵( s m 阶矩阵) ： 尸管段压降，p a 。 2 3 3 管网平差计算公式3 4 】 ( 2 2 1 ) 现行管网系统水力计算公式的数学表达式基本上可以归纳为式2 2 2 ： p = 靼”= s i q r lq ( 2 2 2 ) 式中：尸管段压力降，低压p = p 。一p 。，高压p = p 2 一p 2 2 ； s 管段阻耗，它与物理常数有关； q 管段流量。 因为n 1 ，所以燃气管道与流量之间是非线性的。把s l 剑”1 用s 表示，则 尸= s 。q ( 2 2 3 ) 这样可以把原来管道压力降与管道流量之间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 值，使前后两次的值不断接近，直到满足精度 要求。这就是管网平差的基本要点。 管段压降与节点压力之间存在如下关系式2 2 4 ： 尸= a p ( 2 2 4 ) 第二章燃气管网水力计算 式中，p 为管段压降向量；p 为节点相对压力向量。 将式2 2 2 改写成下面形式： 妒卉雎卯 q 。2 5 舯6 奇滞艚聃纨 于是，管段流量和管段压降之间的关系可以利用下面的矩阵表达式2 2 6 ： q = g p ( 2 2 6 ) 根据以上推导，节点法管网平差计算，就可以归结为以下方程组2 2 7 ： la q = g a p = 尸 ( 2 2 7 ) 【g p = q 由方程组2 2 7 ，我们可以得式2 2 8 成立： a g a 。p = 9 ( 2 2 8 ) 令】，= a g a ，于是上式被转化为：场= g ( 2 2 9 ) 式中q 是常数项，是已知数。y 称为导纳矩阵( 也称系数矩阵) ，有以下特点： y 矩阵是一个对称矩阵； 对角线上的元素y i i 为与节点i 有关的管段导纳之和； 非对角线上的元素y i 为连接节点i 和节点j 的管段导纳( 负值) ，若节点i 和节点j 没有连接管段，则为零。 节点导纳矩阵不能保证严格的主对角元素占忧，但至少有一行( 与基准点 在同一管段上的另一节点所在的行) 的主对角元素是占优的，它是一个不可约对 称矩阵，且y 矩阵具有带状稀疏的特点f 2 4 】。 利用y 矩阵的这些特点，在求解方程组2 2 9 的过程中可直接生成y 的元素， 并进行压缩存储。压缩存储的具体做法是用一个一维数组依次存储y 中各行的下 三角非零元素( 包括主对角线元素) ，这样可以减少存储规模，提高计算效率f 删。 2 4 传统管网平差计算的问题及其改进 通常，在对管网进行仿真研究时，每个节点都会被确定一个已知参数( 压力 或载荷) 【4 0 1 。节点分为气源节点和用户节点，载荷为零的节点看作是不用气的用 户节点。气源一般是给定压力或者给定载荷。用户的节点载荷可以通过用户的需 求分析得到。已知气源的供气压力以及其余节点的载荷是最常见的问题。求解在 第二章燃气管网水力计算 上述问题下的管网运行情况可为管网的设计和运行管理提供有力的工具。 对于给定节点压力和节点流量这两种不同的已知条件，其计算顺序也略有不 同，采用节点方程进行管网平差计算的程序框图如图2 2 所示。 图2 2 管网平差法计算流程 2 4 1 传统管网平差计算存在的问题 对管网的n 节点进行编号，其中编号为1 ( n h ) 的节点，其相对压力向 量p ，是未知的，而载荷向量q 是已知的；编号为( n h + 1 ) n 的节点，其相 对压力向量p ：是已知的，而载荷向量q ：是未知的。则根据式2 2 9 ，可得到如下 分块矩阵： 第二章燃气管网水力计算 雕弛h 翻 将式2 3 0 展开，可得到下面两个方程组： y l l p l + y 1 2 p 2 = q l y 2 1 p l + y 2 2 p 2 = q 2 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 由式2 - 3 1 和式2 3 2 可分别求出未知的相对压力向量p 和未知的载荷向量q ，。进 一步将整个管网的节点相对压力向量p 代入方程组2 2 7 ，即可求解。 对上述矩阵进行分块的前提条件是采用特定的节点编号规则，以保证编号 为1 ( n h ) 的节点具有已知载荷和未知压力，而编号为( n h + 1 ) n 的节 点具有已知压力和未知载荷。实际上，如果与每个节点相关的两个参数( 压力和 载荷) 中都刚好有一个已知量，即使节点编号不符合上述规则，只需重新排列方 程组2 2 9 中方程的次序，仍然可以采用上述分块矩阵的处理方法【4 1 4 2 1 。 2 4 2 对传统管网平差计算的改进4 1 】 传统的管网仿真方法要求给管网的每个节点分配一个参数( 压力或载荷) 的 值，但在工程上可能存在部分节点的压力和载荷都是已知的，而一些节点的压力 和载荷都是未知的。因此，就需要对传统的管网平差计算方法进行改进，寻找一 种更具一般性的求解方法。 管网有n 个节点，设其中n ，个节点( 编号为l n 。) 的节点流量( 用向量q ，表 示) 已知，节点相对压力( 用向量p 。表示) 未知；n 2 个节点( 编号为n 。+ l n 。+ n 2 ) 的节点流量( 用向量q ：表示) 和节点相对压力( 用向量p ，表示) 未知；n 。个节点( 编 号为n 1 + n 。+ 1 n 。+ n ：+ n 。) 的节点流量( 用向量q ，表示) 未知，节点相对压力( 用 向量p ，表示) 已知；n 。个节点( 编号为n 1 + n 2 + m + 1 n ，+ n 2 + n 。+ n 4 = n ) 的节点 流量( 用向量q 。表示) 和节点相对压力( 用向量p 。表示) 已知。则方程组2 2 9 可 以写成如下分块矩阵的形式： y l 。y l ： 场场 巧 场 y 4 。y 4 ： 将上式展开成下面方程组： 鹾 y l ，y l 。 y 2 ，y 2 ； y 3 ，y 3 。 y 4 ，k p l p 2 p 3 p 4 q 1 q 2 q 3 q 4 + y 1 2 p 2 + y 1 3 p 3 + y 1 4 p 4 = q i + y 2 2 p 2 + y 2 3 p 3 + y 2 4 p 4 = q 2 + y 3 2 p 2 + y j 3 p 3 + y j 4 p 4 = q 3 + y j 2 p 2 + y 4 3 p ，+ y 0 p 4 = q 4 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 第二章燃气管网水力计算 将方程组2 3 4 中的第一式和第四式组成矩阵的形式，得到 陵城 _ 0 二麓二泌 亿3 5 ， 根据式2 3 5 ，可以求得未知的相对压力向量p 。和p ：；把p 。p 2 代入2 3 6 y 2 ：y 2 ， y 3 ：y 3 ； p l p 2 p 3 p 4 r - q 2 2 削 ( 2 _ 3 6 ) 求出未知的节点载荷向量q ，和q ，；最后，将求得的节点相对压力向量代入方程 组2 2 7 ，即可求出