一种燃气管网的仿真系统实现方法

本发明涉及燃气管网仿真，特别是涉及一种燃气管网的仿真系统实现方法。

背景技术：

1、随着城市化进程的加速，燃气管网建设也日益扩大，但其建设和运营面临着诸多挑战，如安全性、可靠性、效率等方面的问题。面对庞大复杂的管网，仅靠人员管理很难掌握管网的实际运行情况，对于事故的发生很难做出及时、有效的处理，还有很多情况需要依靠人员的经验来判断，对于人员水平依赖较高，这无疑增加了维护成本和提高了风险。通过天然气管网仿真技术，计算机能够准确再现管道内部气体压力、流量等参数，可为管网运营管理提供重要的参考依据，是复杂城市燃气供应系统中必不可少的核心技术。但是尽管目前燃气管网仿真系统在精度、速度方面有了一定程度的发展，但其价格成本高、计算过程复杂，难以普及。

技术实现思路

1、本发明针对现有燃气管网监测过程中，采用人工监测对人员水平依赖性较高、效率及准确率均较低；采用燃气管网仿真系统监测成本高、计算过程复杂、难以普及的技术问题，提供一种不需要依赖人员巡检、计算过程简单、成本较低、监测效率及准确的均有明显提高的燃气管网的仿真系统实现方法。

2、为此，本发明的技术方案是，一种燃气管网的仿真系统实现方法，具体步骤为：

3、步骤1：对管网中所有节点和管段进行编号；

4、步骤2：描述管网或管段的数据结构；

5、步骤3：将矩阵初始化；

6、步骤4：选取中高压燃气管段的水力计算公式进行计算；

7、步骤5：对水力计算公式进行线性化处理；

8、步骤6：自动列方程计算；

9、步骤7：对结果进行验证；

10、步骤8：对参数进行优化。

11、优选的，步骤1具体为：设管网中节点数为n，源点数为ns，汇点数为nc，管段数为b，设计以下编号方法：

12、(1)节点编号从1→n连续编号；

13、(2)源点从(n+1)→(n+ns)连续编号；

14、(3)汇点从(n+ns+1)→(n+ns+nc)连续编号；

15、(4)管段编号从1→b连续编号。

16、优选的，步骤2具体为：设管段k的始节点为i，终节点为j，管段参数包括管段编号k、管长l、管段的内直径d、管段的绝对粗糙度k，始节点编号nf，终节点编号nt。

17、优选的，步骤3具体为：

18、(1)定义(ns+nc)×1矢量并清零，用于存储各源和汇的压力，系统运行时读入实时数据；

19、(2)定义n×(n+1)阶矩阵并清零，用于存储增广矩阵，即线性方程；

20、(3)定义2个b×1阶数组用于存储管段压降及流量；

21、(4)定义2个n×1数组用于存储节点压力初猜值和最终的节点压力结果。

22、优选的，步骤4中水力计算公式为：

23、

24、优选的，步骤5中具体为采用管段线性方程分析管网，步骤如下：

25、(1)令k＝0，k记录迭代次数，每循环一次自动加1；

26、(2)计算前自动填入初猜值e(0)；

27、(3)令e(k)＝e(0)，根据e(k)将非线性管段线性化，构造相应线性方程ln(k)；

28、(4)求解线性管网ln(k)→e(k+1)，并且每次迭代中间结果需要进行存储，具体求解方法如下所示：

29、线性方程组的形式是：yn×nen×1＝qn+1，

30、其中，e＝[e1，e2，…，en]t为列向量存各节点的压力平方值，先定义n×(n+1)的增广矩阵并清零，根据前面推导的公式；第k条管段在第(k+1)次迭代时：

31、

32、则得

33、(5)判断是否超过最大迭代次数，如果超过最大迭代次数并且误差值大于规定误差值则返回失败；如果迭代次数超过最大迭代次数并且误差小于规定误差值则返回计算结果；如果没超过最大迭代次数并且误差值大于规定误差值，则返回步骤(3)继续计算。

34、优选的，将非线性管段线性化的具体方法为：

35、首先先将公式化简，令则得到其中：

36、

37、对于第k条管段，其始节点为i，终节点为j，令把δpk＝ei-ej代入得使用牛顿迭代法将第k段管段的线性化得

38、

39、此式是与的线性方程，其中，下角标k是管段编号，上角标(k)是迭代次序，其中：

40、

41、将上式合并得到统一公式将每个管段用统一公式表示，然后联立方程组，并带入初始值即可求解出管网各节点压力和各管段的流量。

42、优选的，步骤7具体为：引入电路相关知识，利用基尔霍夫第一定律，即流出任一节点的流量代数和为零；基尔霍夫第二定律，即任一闭合回路的压力差的代数和为零；管道中的流量相当于电流，管道中的压降相当于电路中的压降；最后验证结果是否符合第一和第二定律，如果不符合我们的精度则系统显示计算有误，进行重新计算。

43、优选的，步骤8具体为：燃气管段的水力计算公式中求各管段导纳公式如下：

44、

45、其中，d为管段的内直径、l为管段的长度、λ为管段的摩擦阻力系数、ρ为燃气的密度、t0为标准状态下的燃气温度、燃气的温度t＝t0+t℃、燃气压缩因子z。

46、优选的，摩擦阻力系数λ管段的有两个计算公式，分别是柯列勃克公式和阿里特苏里公式其中，k为管段内表面当量绝对粗糙度，d为管段内直径，re为雷诺数；

47、先用经验值λ＝0.0195计算流量，然后每次迭代得到新的流量后用工程公式

48、

49、计算λ值，λ会进行多次计算，达到不断地优化参数的目的。

50、本发明有益效果是，本发明只要已知源点和汇点压力即可计算出整体的压力和流量，并提出了管段线性化算法，解决了非线性方程计算机自动列写和求解的难题；计算机直接列写方程，克服了现有系统需要关联矩阵计算列方程的问题，而且有利于将来引进稀疏矩阵技术。

技术特征：

1.一种燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，具体步骤为：

2.根据权利要求1所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，所述步骤1具体为：设管网中节点数为n，源点数为ns，汇点数为nc，管段数为b，设计以下编号方法：

3.根据权利要求2所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，所述步骤2具体为：设管段k的始节点为i，终节点为j，管段参数包括管段编号k、管长l、管段的内直径d、管段的绝对粗糙度k，始节点编号nf，终节点编号nt。

4.根据权利要求3所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

5.根据权利要求4所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，所述步骤4中水力计算公式为：

6.根据权利要求5所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，所述步骤5采用管段线性方程分析管网，步骤如下：

7.根据权利要求6所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，将非线性管段线性化的具体方法为：

8.根据权利要求7所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，所述步骤7具体为：引入电路相关知识，利用基尔霍夫第一定律，即流出任一节点的流量代数和为零；基尔霍夫第二定律，即任一闭合回路的压力差的代数和为零；管道中的流量相当于电流，管道中的压降相当于电路中的压降；最后验证结果是否符合第一和第二定律，如果不符合我们的精度则系统显示计算有误，进行重新计算。

9.根据权利要求8所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，所述步骤8具体为：燃气管段的水力计算公式中求各管段导纳公式如下：

10.根据权利要求9所述的燃气管网的仿真系统实现方法，其特征在于，所述摩擦阻力系数λ管段的有两个计算公式，分别是柯列勃克公式和阿里特苏里公式其中，k为管段内表面当量绝对粗糙度，d为管段内直径，re为雷诺数；

技术总结
本发明提供一种燃气管网的仿真系统实现方法，具体步骤为：步骤1：对管网中所有节点和管段进行编号；步骤2：描述管网或管段的数据结构；步骤3：将矩阵初始化；步骤4：选取中高压燃气管段的水力计算公式进行计算；步骤5：对水力计算公式进行线性化处理；步骤6：自动列方程计算；步骤7：对结果进行验证；步骤8：对参数进行优化。其解决了现有燃气管网监测过程中，采用人工监测对人员水平依赖性较高、效率及准确率均较低；采用燃气管网仿真系统监测成本高、计算过程复杂、难以普及的技术问题。本发明可广泛应用于燃气管网监测中。

技术研发人员：蒋思尧,王小利,于长松,翟晗凯
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23