燃氣管網水力工況模擬系統的研究與開發

關鍵詞：燃氣管網；水力計算；當量粗糙度；遺傳算法

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

隨著我國發展軌跡逐步實現低碳化，人們對作為清潔能源的天然氣需求量也不斷增加。天然氣的開發與利用是與管網建設相輔相成的。為滿足人們對天然氣的使用需求，輸配氣網絡的規模和結構越來越大且越來越復雜。近年來，管網系統已不再是簡單的枝狀或環狀管網，而是呈現出點多、面廣、線長的發展趨勢[1-2]。國內城市輸配燃氣系統的管網形態，大多采用多氣源的復雜結構，即由環狀和環枝狀管網組成。

天然氣是一種安全性高、環保清潔、價格優勢明顯的優質能源[3]，其成分中含有85%的甲烷和少量的硫化氫等有毒物質，若對其管理或使用不當，易引發爆炸、氣體中毒等安全隱患，因此對天然氣輸配管網系統的安全性和可靠性的要求將更加嚴格。此外，由于天然氣輸配管網通常集中在人口或公共設施密集處，若發生燃氣泄漏事故，將極大地影響周邊居民的生命財產安全。考慮到燃氣管網的復雜性、測試成本、環境保護等因素，開發城市燃氣輸配管網水力工況模擬系統具有一定的應用價值。應用該仿真系統，用戶可以更好地掌握管道泄漏的風險程度，如泄漏點、泄漏事故范圍等；可作為燃氣供應商優化管網系統及其運行調度管理的理論依據，具有實際指導意義。

2 燃氣管網水力計算數學模型（Mathematical modelof hydraulic calculation of gas pipeline network）

天然氣管網水力計算是天然氣管網規劃設計的基礎。水力計算的目的是求解合適的管道口徑、長度和截面壓力，確保供氣計劃在技術上可行、經濟上合理。環形燃氣管網由各種氣源組成。本文將復雜的管網系統簡化為一系列節點和管段。管網有多個節點，而節點處可由不同管段進行連接，因此一個節點的供氣，可由多種不同的氣源組合而成。為了滿足居民的供氣需求，要求保證同一節點的燃氣進出量保持平衡。當燃氣管網的一段內徑發生變化時，不僅相應段內的氣流分布方式會發生變化，而且每個節點的壓力也會發生變化。本文所提模擬系統按需設置三個初始變量：管段流量、壓力降、管徑。

設環狀燃氣管網的管段數為N、節點數為m、環數為n，三者符合關系式：

2.2 摩擦阻力系數的確定

管道摩擦阻力系數受多種因素影響，如管段材質、內徑、管內氣體組成、管道安裝方式等，它是影響燃氣管網水力計算精度的主要因素。對該系數進行處理，對于提高水力計算的準確性、收斂性、適用性都具有至關重要的作用。

對比《城鎮燃氣設計規范》（GB50028—93）和《城鎮燃氣設計規范》（GB50028—2006）中的燃氣管網水力計算求解公式可知，《城鎮燃氣設計規范》（GB50028—2006）采用的是柯列勃洛克公式，其適用于低壓和中高壓燃氣輸配管道。公式如下：

公式（9）中：λ為摩擦阻力系數；K為管壁內表面的當量絕對粗糙度（mm）；d為管道內徑（mm）；Re為雷諾數。

柯氏公式則適用于各種管材，既適用于湍流狀態下摩擦阻力系數的計算，也可替代層流狀態、臨界狀態摩擦阻力系數計算公式，適用范圍非常廣泛[5]。

3 管網水力工況模擬系統計算程序編制（Programmingof simulation system for hydraulic regime of pipelineNetwork）

本文以有限元節點法為基礎，使用VS 2017 C++語言編寫了管網水力工況仿真系統的計算程序。摩擦阻力系數依據《城市燃氣規劃規范》（GB50028—2006）中指定的Cole brook公式。通過遺傳算法對當量粗糙度參數進行辨識，并將其真實值引入仿真系統的計算程序中，得到接近實際工況的水力計算結果。由此，獲得了管網中各類氣源的供氣范圍，確定了供氣壓力，為管網水力工況模擬系統研發工作奠定了基礎。

3.1 有限元節點法模擬步驟

（1）根據收集到的數據，整理總結管網所需的基本數據，如管段數、節點數、管徑、管材、途泄流量等，以Excel格式錄入系統。

（2）確定環狀管網最末管段終點位置及氣流方向。默認氣流方向與高壓流向低壓的方向相同。

（3）初始時，設管段流量q，求解途泄流量和轉輸流量。

（4）依次求解節點壓力、管段壓力降、管段流量。

（5）準確性校驗。若所得精度滿足要求，則輸出計算結果；否則，將所得結果進行平差計算修正后，重復第（4）步驟，直到準確性達標，即第K+1次q的與q差的絕對值滿足精度[6]。

工程計算中常使用高斯賽德爾迭代法和雅可比迭代法，本文程序編寫采用的是基于高斯賽德爾迭代法求解節點壓力。相比雅可比迭代法，高斯賽德爾迭代法節約的內存空間更多，收斂速度更快，效果更優越[7]。

3.2 當量粗糙度辨識流程

在天然氣管網水力工況模擬系統中，一些參數是根據工程經驗或理論計算得來的。由于日常使用時，受管道使用年限變化及管內氣體的影響，管道數據參數可能會有偏差。基于此，本文采用管道過氣能力系數替代容易出現偏差的參數，進一步保障管網安全穩定可靠的運行狀況。管道過氣能力系數包含多種影響因素，如摩擦阻力系數、摩擦阻力損失、當量粗糙度等，其中當量粗糙度是影響最大的因素。

鑒于遺傳算法可視為由可行解組成的群體迭代進化的進程[8-10]，針對我國管網結構兼具復雜性和廣泛性的特點，已有利用改進遺傳算法進行燃氣管網設計的研究[11-14]。本文采用的遺傳算法對選擇、交叉和變異三個步驟進行了改進：①本文所使用的選擇運算有賭輪盤法、錦標賽選擇法、精英保留法；②通過自適應的方式調整交叉概率P的大小，其取值可根據遺傳算法的進化程度和后代個體的優化程度而定；③變異概率P也采用自適應的方法確定，其取值大小取決于遺傳算法個體進化情況的好壞。參數辨識當量粗糙度K的算法流程如圖1所示。

首先，獲取管網所需的實測數據，包括管段壓降、節點流量和節點壓力等，推算出K值。如果K值符合準確性要求，則結束程序；否則，利用改進的遺傳算法對參數進行辨識，使得其理論值與實際值的差值最小，從而獲得管網中每一根管道當量粗糙度K的優化值。改進后的遺傳算法在對K值尋優的過程中，迭代的穩定性好，最終結果逐漸收斂于定值。

4 燃氣管網水力工況模擬系統及水力計算案例分析（Hydraulic regime simulation system of gas pipelinenetwork and case analysis of hydraulic calculation）

本文開發的燃氣管網水力工況模擬系統主界面如圖2所示，其數據包含管段、源點、節點處數據表。系統界面有四個功能按鍵：“數據確認”“流量預測計算”“當量粗糙度辨識”“CAD數據回顯”。

模擬系統使用步驟如圖3所示。

鑒于篇幅有限，本文按辨識值進行軟件仿真，并對其產生的數據進行結果分析。以某城市中高壓天然氣管網為例，其為多氣源環狀和環枝狀管網，由不同管材組成，同時壓力級別不同。將具體信息以Excel格式錄入，該城市燃氣管網有100個管段、86個節點和6個氣源廠，總環數為15個，管網具體參數設計如下：溫度為293.15 K；運動黏度為0.000 015 m/s；氣體密度為0.75 kg/m；壓縮因子為1；中高壓（表壓）閾值為131.325 kPa；當量粗糙度為0.01—3 mm。

管網各管段的信息詳見表1，其中管材1為PE管，管材2為新鋼管，管材3為舊鋼管。

當量粗糙度的辨識結果詳見表2。

按K辨識值進行仿真的計算結果詳見表3至表5。

對辨識值仿真結果進行分析可知，相較于按工程理論值仿真氣源廠流量和節點壓力，按辨識值仿真的結果更接近真實值。獲得的氣源廠相關數據對比結果詳見表6至表7。

通過數據對比后發現，相較于按工程經驗值或理論值對氣源廠流量和節點壓力進行仿真，采用辨識值得到的仿真結果更貼近真實值。案例中共迭代19次為0.02，運算時間約為3 s。實驗表明，本文設計的管網水力工況模擬系統可對當量粗糙度進行合理辨識，適用于多環、多氣源點、環狀、枝狀管網。

5 結論（Conclusion）

本文開發了一種天然氣管網水力工況模擬系統，并介紹了該系統的數學模型。模型經案例驗證，其運算速度快、迭代次數少，大大提高了計算精度和工作效率；可用于多環、多氣源點、環狀、枝狀管網的水力計算，有效地解決燃氣管網計算時出現的收斂速度慢或不收斂的問題。經實驗模擬，先對當量粗糙度進行參數辨識，再將其帶入水力計算公式得到的數據結果更精確。

鑒于本實驗管道水力計算是在模擬環境中進行的，其對于管網運作的工況分析以及水力計算結果的可靠性還有待進一步的實踐驗證和理論研究。

作者簡介：

姚先威（1994-），男，本科，助理工程師.研究領域：油氣儲運設計，自動化系統開發集成，軟件開發.

史云怡（2000-），女，碩士生.研究領域：自動化系統開發集成，軟件開發.