[發明專利]一種燃氣管網水力計算方法

在審

• 申請號: 201611219260.3
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106777731A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 劉克江;肖蕾;莊鑫財;姜允志;羅國娟;李麗;康慧
• 申請（專利權）人: 廣東技術師范學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州市越秀區海心聯合專利代理事務所(普通合伙)44295
• 代理人: 羅振國

技術領域

本發明涉及水力計算領域，尤其是一種燃氣管網水力計算方法。

背景技術

燃氣管網水力計算是城市燃氣管網設計中的一項重要工作，而且也是各個城市燃氣公司完善管網、優化管網運行管理和保障安全供氣的必要手段。經過多年的研究實踐，國內已形成了許多較為成熟的穩態燃氣管網的計算方法和程序，但目前存在的大多數水力計算程序普遍存在下列主要問題：

一、原始數據的準備和錄入不方便，目前原始數據的準備和錄入多為手工繪制管網拓撲結構圖、手工錄入管道物理參數等管網信息、人工統計管網各節點流量并錄入數據資料；

二、缺乏原始輸入數據的檢查功能，往往需要花費設計人員大量的數據檢查時間；

三、只能計算由單一管材構成的管網，對多種材料組成的混合管網不適用；

四、設計人員主要依賴于計算結果，缺乏對水力計算過程的跟蹤，一旦迭代過程出現震蕩，設計人員往往只能憑借經驗；

五、無法解決大管徑或小流量時存在不收斂或收斂精度低的問題；

六、普遍采用雅克比法解水力計算線性方程組，收斂速度慢，而且不便于處理多氣源管網。

七、現有計算方法中，一種是分為層流狀態、臨界狀態和湍流狀態三種流態來計算摩擦阻力系數λ；另一種是分為水力光滑區、過渡區和阻力平方區三種狀態，分別給出了新鋼管、新鑄鐵管、舊鑄鐵管和塑料管等不同管材的計算公式。這兩種計算摩擦阻力系數λ的公式均為顯函數公式，方便手算，因此工程技術人員多采用該公式進行水力計算。但是，這兩種管道摩擦阻力計算方法存在下面問題：流態不連續，在不同流態的分解點，雷諾數Re在分解點兩測振蕩，摩擦阻力系數λ是不連續的，存在一定的誤差，從而造成大管徑或小流量管網采用現有大部分水力計算軟件存在不收斂或收斂緩慢的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種燃氣管網水力計算方法，能夠真正實現精確計算燃氣管網水力的方法。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種燃氣管網水力計算方法，其包括

步驟一、采用柯列勃洛克公式計算燃氣管道摩擦阻力系數λ，即

其中：Re為雷諾數；ρ為燃氣密度(kg/m³)；K為管道內壁的當量絕對粗糙度(mm)；d為管道內徑(mm)；

步驟二、對柯列勃洛克公式進行形式變換，得

步驟三、求解f(λ)對λ的一階導數f'(λ)，得

步驟四、進行迭代運算，并用有限元節點法判斷迭代精度，至達到迭代精度要求。

在步驟四中的迭代運算采用牛頓迭代，其迭代公式為,

在步驟四中的有限元節點法具體為，

節點流量連續方程組Aq+Q＝0；管段壓力降方程組A^TP＝Δp；管段流量方程組q＝C·Δp；由上述三式可得求解節點壓力的方程組：

其中：A為由元素a_ij組成的節點關聯矩陣；C為由元素組成的節點對角矩陣；P為節點壓力向量；Q為節點流量向量；q為管段流量向量；Δp為管段壓降向量；A^T為矩陣轉置矩陣。

在計算節點壓力時采用高斯賽德爾迭代。

在步驟四中，每次的迭代結果都輸入AutoCAD或者Excel表中，以形成管網圖。

本發明采用上述方法后，

1、本計算方法可用于多環、多氣源點、環狀、枝狀管網的水力計算；

2、適用于由不同管材組成的燃氣管網水力計算；

3、運算速度快，迭代次數少，并且能夠有效地解決目前市面上的各種水力計算方法對于大管徑和小流量管網收斂速度緩慢或不收斂的問題。

附圖說明

圖1為本發明的計算方法流程圖。

圖2為本發明由燃氣管網水力計算仿真系統、GIS系統和客戶服務系統構成的系統圖。

圖3為本發明燃氣管網水力工況尋優的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明：

如圖1所示，一種燃氣管網水力計算方法，其包括

步驟一、采用柯列勃洛克公式計算燃氣管道摩擦阻力系數λ，即

其中：Re為雷諾數；ρ為燃氣密度(kg/m³)；K為管道內壁的當量絕對粗糙度(mm)；d為管道內徑(mm)；

步驟二、對柯列勃洛克公式進行形式變換，得