燃氣管網水力計算研究進展

李小玲，王金巖

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

燃氣管網水力計算研究進展

李小玲，王金巖

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

城市燃氣管道輸配系統水力計算結果關系到輸配系統經濟性和可靠性的問題，是城鎮燃氣規劃與設計中的一項重要工作。較為詳細地論述了燃氣管網水力計算研究進展情況。在現有研究基礎上應加大研究力度，進一步研究燃氣管網系統的優化、各種算法在燃氣管網系統中的合理應用、復雜管網系統計算精度以及水力計算軟件的開發等問題。

燃氣管道輸送；水力計算；優化

我國燃氣事業迅速發展，采用管道輸送燃氣的城市占多數，燃氣管道的設計是燃氣工程建設中一項不可忽視的重要內容。在燃氣管道設計中，離不開管道的水力計算。

城鎮燃氣管網水力計算的目的是在管網布線和供氣量已知的前提下，確定管段的管徑和節點壓力，對多種方案進行比較，確定符合供氣規劃、技術可行、經濟合理的最佳方案。

燃氣管道水力計算的任務主要有兩個，一是根據計算流量和規定的壓力損失來計算管徑，進而決定管道投資和金屬消耗，另外是對已有管道進行流量和壓力損失的驗算，以充分發揮管道的輸氣能力，或決定是否需要對原有管道進行改造。因此，正確地進行水力計算，是關系到輸配系統經濟性和可靠性的問題，是城鎮燃氣規劃與設計中的一項重要工作。一般情況下，進行燃氣管道水力計算時，普遍采用《城鎮燃氣設計規范》（GB50028-2006）[1]中規定的燃氣管道基本水力計算公式。

近些年燃氣行業的研究人員做了一些管網水力計算的研究工作，主要體現在水力計算方法、水力計算精度及其影響因素、水力計算程序和軟件開發等幾個方面。筆者在總結和學習同行研究內容和研究進展的基礎上提出了個人對燃氣管網水力計算研究的看法。

1 水力計算方法研究

燃氣管網水力分析數值計算迭代法主要有三種，分別是解環方程法、節點法、解管段方程法。解環方程法是滿足連續方程組的基礎上，用求解各環校正流量的方法間接解出各管段流量。節點法是滿足節點連續方程的基礎上，把管段流量通過管段壓降計算公式轉化為用管段兩端的節點壓力表示，使連續方程轉化為滿足能量方程和以節點壓力為變量的方程組，通過求解方程組得出各節點壓力。解管段方程法是把節點連續方程和環能量方程聯立，并轉化為以管段流量為變量的方程組，通過線性化進行迭代逼近求解。

清華大學田貫三等[2-4]研究了數值計算方法存在的主要問題：（a）定壓多氣源點管網水力計算的虛平衡問題（用解環狀方程法進行水力計算時，結果出現由A點推算2節點的壓力不等于由B節點推算2節點的結果，如圖1）。引入開環能量方程后，再用解環方程法進行水力計算將消除虛平衡問題，同時也使得解管段方程法能計算多源點定壓水力問題。（b）疊代計算中的不收斂問題。當管網中的某些管段管徑過大或流量過小時，疊代計算過程中就會存在不收斂或收斂精度低的問題，將影響水力計算的準確性。解決不收斂問題的方法是用插值法，即在分界點處兩側各劃出一定范圍，在該范圍內的摩擦阻力系數用兩個公式進行插值計算。（c）壓縮機供氣管網水力計算沒有把壓縮機的實際工作狀態結合到水力計算過程中去，水力結果與管網實際運行狀況不符，水力結果不可靠。可以通過引入虛管段和虛氣源點的方法來解決這一問題。

圖1 定壓多氣源點管網示意圖Fig.1 The sketch map of constant pressure pipe network with multiple gas sources

李悅敏等人[5]研究了遺傳算法在燃氣管網優化中的應用。遺傳算法是一種全局搜索算法，以決策變量的編碼為運算對象，操作簡單，搜索效率較高，而且直接以適應度作為搜索信息，不需要其他信息，已被廣泛應用于給水管網優化。遺傳算法在燃氣管網水力計算中應用是借鑒了給水管網的先例[6-8]。遺傳算法首先可以應用于燃氣管網布局優化設計，如文獻[9]以枝狀管網為研究對象，以管道長度最短為優化目標，設計了燃氣管網優化布局的搜索過程。其次，遺傳算法可以應用與優化燃氣管網的管徑。如文獻[10]以管網的造價和管網的運行費用為目標函數，建立了以滿足燃氣管網的水力平衡和最低壓力為約束條件的數學模型，求解出了優化的管徑，并進行了水力計算。遺傳算法得出的優化管徑不但經濟，而且滿足管網水力平衡的要求。此外，目前國內還很少有研究將遺傳算法應用于燃氣管網優化調度和管網現狀分析方面。可以嘗試著把遺傳算法應用在燃氣管網優化問題中，建立適合于燃氣管網優化問題的數學模型并以實例加以驗證。

黃葵等[11]研究了瞬態模擬計算方法在城市燃氣高壓輸送管網中的應用。以往設計中通常采用某一瞬時管道內介質的穩定工況代替非穩定工況近似計算，計算結果與實際運行結果存在較大偏差。瞬態模擬計算方法可以確定各級管網的調峰能力、與不同壓力級制管網連接的調壓站的通過能力，并進行設計優化；可以根據瞬態模擬結果向上游提出滿足城市供氣和調峰要求的來氣條件，在經濟合理的前提下，使上游更好地滿足城市用戶的用氣需求；可以對高壓管道可能發生的事故工況和管道存氣進行動態模擬，為管道的安全性和事故工況的分析提供依據。

2 水力計算精度及其影響因素研究

彭繼軍等[12]研究了壓縮因子Z對水力計算的影響。燃氣管網水力計算時，通常考慮城市管道的壓力小于1.6 MPa，因此取壓縮因子Z=1，以此推導出的高中低壓燃氣管道水力計算公式基本能滿足精度要求。然而，隨著近年來我國西氣東輸、川氣東送及沿海各地LNG工程的實施，城市燃氣的供氣范圍和輸氣壓力范圍相應擴大，出現了高壓、超高壓管網，使得現有的燃氣管道水力計算公式已不適合新的情況，因此，研究人員研究采用計算精度較高的方程，應用與城市燃氣管網的水力計算。

研究得到高壓或超高壓管網的計算公式（1）：

篩選出精度較高的BWR狀態方程用于高壓天然氣管網水力計算中的物性計算，以解決原有城市高壓天然氣管網水力計算公式不能滿足高壓低溫時精度要求的問題。對整個管網，若供氣點壓力要求條件相同，那么如果考慮燃氣的可壓縮性，管段的沿程阻力就會減小，從而可以通過減小來氣點壓力達到減少運行費用的目的。此外，如果仍保持來氣點的壓力不變，則各供氣點的作用半徑就會增大；在進行管網設計計算時，如果保持相同的來氣點壓力和供氣點壓力，則可以減小管徑，從而可以達到減少初投資的目的。

張寧等[13]研究了流量折算系數a對中壓輸配管網水力計算的影響。研究結果表明,（a）中壓管網采用0.55的流量折算系數進行簡化,會造成節點壓力的相對誤差偏大,甚至超過5%的工程精度要求，對于更大型的管網這種偏差還會更大。研究給出了推薦的流量折算系數可提高計算精度。（b）應該盡量在遠離氣源的支管段上簡化節點，減少在靠近氣源的干管段上簡化節點的個數。因為簡化節點處于遠離氣源的支管段比處于氣源附近的干管段對水力計算結果的影響要小。表1給出了工程中適用的流量折算系數a值。

此外，胡吉士等[14]研究了摩阻系數對燃氣管網水力計算的影響。任熾明等[15]研究了低壓管網計算壓力降的分配對管網水力計算的影響。廣宏等[16]研究了高原氣候對管網水力計算的影響。俞善東、董正遠等[17,18]研究了高程差對高壓燃氣管線水力計算結果的影響。在城市燃氣管網中，當標高的差值不太大時，運動方程中的重力相一般忽略不計。俞善東利用管道仿真軟件Pipeline studio中氣體模擬器TGNET對忠縣至豐都的高壓燃氣管線分別進行了按水平管和按實際高程計算通過能力的穩態模擬。

表1 工程中適用的流量折算系數aTable 1 Applicable flow conversion coefficient a in Engineering projects

高原地區海拔高，特殊的高原氣侯之一就是低氣壓(即當地大氣壓比標準大氣壓低)。低氣壓對管網水力計算是存在影響的。在高原低氣壓地區進行燃氣管道設計時應考慮當地的氣壓影響，在進行水力計算時乘以壓力損失系數。公式（2）適用于高原低氣壓地區計算低壓燃氣分配管段。

3 水力計算程序和軟件開發的研究

丁國玉等[19]以AutoCAD為平臺，采用VB二次開發技術實現燃氣管網管段節點坐標的讀取，自動生成燃氣管網水力計算圖；采用VC++可視化編程語言，編制了城市燃氣管網水力計算軟件，核心程序是基于節點法。該研究方便了復雜燃氣管網系統水力計算的工作量，提高了工作效率。張寧等[20]利用解節點方程法開發了多氣源燃氣管網水力計算程序并通過實例進行驗證。該程序能夠在可視化界面中繪制管網計算圖，對管段和節點自動編號。胡小龍[21]開發的水力計算算法是在形成管網圖及水力計算所需參數后，用深度優先搜索遍歷算法及線性化流量平衡方法進行多氣源（同一種燃氣，多個供氣點)、多環復雜管網的水力計算，此算法穩定，系統運算時初值變化(主要指初始阻力系數、流量、壓力)、運算結果變化很小，可用于中壓、低壓管網設計型問題及操作型問題計算(實際管網最大負荷計算)。劉成等[22]研究了利用著名的地理信息系統套裝軟件ArcGIS管理燃氣管網數據，以特殊方式直接讀取ArcMap的燃氣管網圖形數據，并完成整個管網的水力計算。水力計算模塊運行穩定，執行效率較高，計算724個有效節點的中壓燃氣管網時，求解60次（迭代15 s）后即可得到穩定的管段流量和節點壓力。

4 結 論

城市燃氣管道輸配系統水力計算結果關系到輸配系統經濟性和可靠性的問題，是城鎮燃氣規劃與設計中的一項重要工作。盡管研究人員已開展了一些這方面的研究，但仍須加大研究力度。進一步研究燃氣管網系統的優化、各種算法在燃氣管網系統中的合理應用、復雜管網系統的水力計算精度和水力計算軟件的開發等問題。

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[22] 劉成,李笑眉.基于ArcGIS的燃氣管網水力計算的設計與實現[J].沈陽航空工業學院學報,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，青海西寧人，講師，博士在讀，研究方向：從事燃氣儲存與輸配技術工作。E-mail：lingzi_1015@163.com，電話：13591565286。