·燃 气·
城镇燃气管网的水力计算
燃气室 向廷海
[摘 要] 介绍了燃气管网水力计算的数学模型和求解方法，对求解过程的速度、稳定性和计算精度等问题经分析后给出了解决方案，同时提出了一种管网优化设计方法。
[关键词] 数学模型 矩阵计算 城镇燃气管网
1 序言
城镇燃气管网水力计算是城市煤气设计的主要工作之一，设计时要求燃气管网既要满足使用的需要，投资又省，又要对运行中的燃气管网能保证合理的生产调度、管网事故模拟及建立处置预案和管网事故的紧急处理。管网水力计算常用的方法为回路分析法和节点流量法（又称为水力计算法）。回路分析法只适用于小型的枝状管网，节点流量法具有在不知道管段流量的情况下通过迭代逼近真解的特点，适用于各种大型复杂管网，但该法计算工作量大，手工计算非常困难，通常在计算机上进行。本文介绍作者在编制燃气管网水力计算程序时对数学模型、求解方法的分析和解决的方案。
2 城镇燃气管网水力计算的数学模型
2.1 燃气在管内流动的阻力损失计算
燃气在管内流动的阻力损失，即燃气流过某一管段后的压力损失或压差的计算依据是《城镇燃气设计规范》（GB50028-93,1998年版）中的规定，对中、高压管道（定性压力不小于5kPa）：
5210
222110271T T ρd Q λ.L P P ×=? （1）
对低压管道（定性压力小于5kPa ）：
527
1026.6T T d Q l P ρλ×=? （2）
2.2 管段导纳及管网导纳矩阵
将方程（1）和方程（2）改写成如下形式：
Q Q f )(=δ （3）
式中δ为管道的压差或压力平方差，f(Q)定义为管道的线性流量阻力损失系数。上式将管段压差与流量简化成线性关系，管内流动压力损失的所有影响因素归结到系数f(Q)。
燃气管网与电路是可以比拟的，因此与电路中导纳的定义相似，定义线性流量阻力损失系数的倒数为管段导纳G。如此方程（3）可以改写为：
δG Q = （4）
对任一管段j，其导纳为g(j)，并按如下方式定义管网的导纳矩阵，它是b 阶对角方阵（b 为管段的数量）：
[]0),(),(j g j i G = （5）
其中当j=i时，G(j,j)=G(i,j)=g(j)；
当j不等于i时，G(i,j)=0。
2.3 连接矩阵
连接矩阵A是以节点为行，管段为列组成的矩阵，它是n×b阶矩阵（n是除定压力节点外的节点数）。物理意义是对任一管段j，如果节点i为管段j的起点，则A(i,j)=-1；如果节点i为管段j的末点，则A(i,j)=1；如果节点i不在管段j上，则A(i,j)=0。
]1
,0,1[
)
,(?
=
j
i
A（6）
2.4 节点流量与管段流量的关系
节点流量和管段流量之间存在如下关系：
q
AQ=（7）
上式中Q是管段流量的列矩阵，q是节点流量的列矩阵。上式体现了管网水力计算的要求之一，即管网中各个节点流量的代数和为零，水力计算就转化为求解方程（7）。如果Q与δ呈线性关系，上述方程是容易求解的，但多数工程问题中δ与Q的1.75到2次方成正比，不能一次求出。
2.5 节点压差与管段压差的关系
节点相对于基准点的压力差和管段压差之间存在如下关系：
δ
＝
?T A（8） 式中Δ为除定压力节点以外的其它节点与基准点的压力差或压力平方差的列矩阵，δ为管段压力差或压力平方差的列矩阵。 2.6 节点流量与压差
将（4）式和（8）式代入（7）式，得到如下方程：
q
AGA T=
?（9）
方程（9）称为节点压力方程，它建立了节点流量与节点相对于基准点的压力差或压力平方差之间的关系。
定义节点导纳矩阵Y=AGA T，可以证明它是n×n阶对称方阵，其元素满足如下关系：
)
,
,2,1
,(
)
,
(
)
,
(
)
,(
)
,(
1
n
j
i
k
j
A
k
k
G
k
i
A
j
i
Y b
k
L
=
=∑
=（10）3 管网水力模型的求解
3.1 求解过程
管网水力计算的核心就是求解节点压力方程，由于管段流量与压力差或压力平方差之间的非线性关系，必须通过迭代的方法逼近，其过程如下：
① 将估算的流量值或前次迭代的流量值（旧值）的修正值，作为迭代计算的初值；
② 根据方程（1）或（2）计算管道的导纳，构造管网的导纳矩阵；
③ 解方程（9）求出各节点相对于基准点的压力差或压力平方差；
④ 计算各节点的压力和管段的压降；
⑤ 计算各管段流量（新值）；
⑥ 比较各管段流量的新值与旧值的相对误差，若不满足精度要求则用新值的修正值替换旧值后重复以上过程，若满足精度要求则计算结束。
3.2 节点导纳矩阵的求解
3.2.1 节点导纳矩阵的特点
在每一次流量迭代过程中，CPU时间主要是耗费在求解Y矩阵上，因此根据Y矩阵的特点选择恰当的求解方法，对提高求解过程的速度和保证求解过程的稳定性是非常重要的。
节点导纳矩阵不能保证严格的主对角元素占优，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，其半带宽为所有管段两端编号之差的最大值。
3.2.2 Y矩阵求解的速度和稳定性分析
通常矩阵的求解方法有直接消元法、LD 分解法和迭代法等，前两种解法也称为直接法。一般m阶非奇异矩阵用直接消元法求解的乘法运算次数为m3/3次；LD分解法的乘法运算次数为m3/6次；迭次法则不确定，取决于迭代格式、迭式精度和设定的迭代初值。直接消元法不仅计算次数多，而且是最不稳定的算法，现在已不被采用。LD分解法和迭代法的稳定性相对较好，但后者的计算次数可能更多。
采用LD分解法对方程（9）快速求解是可行的，由于数学上还不能证明它是严格稳定的，所以有必要寻求更稳定的解法。数学上已经证明Causs-Sidel迭代法和SQR（超松驰迭代）法在求解不可约对称矩阵时是严格收敛的。这点对确定解法是至关重要的，它意味着无论管网多么复杂，至少有种算法能保证对Y矩阵求解时不会失败。
3.2.4 矩阵求解方法
由于Gauss-Sidel迭代法和SQR迭代法的求解速度比起直接法要慢得多（特别迭代精度要求较高时更加明显）。较好的做法是在求解速度和稳定性方面找到一个平衡点，既要发挥直接法快速的特点，又要保证求解的过程是稳定的。根据这种思路，我们采用的算法是把速度快而又比较适合求解对称矩阵的Cholesky分解法（又称平方根法）和能保证求解过程稳定的Gauss-Sidel迭代法组合在一起。求解时首先用速度较快的Cholesky分解法，当该方法失败时则自动转向Gauss-Sidel迭代法。同时考虑Y矩阵带状稀疏的特点，在编程时对解法进一步加以改进，带宽以外的零元素不参与运算，大大节省了运算次数。 3.3 流量迭代的实施与精度控制
3.3.1 收敛判据
定义如下两个迭代序列：
∑
∑
=
=
?
=
=
b
i
k
b
i
k
k i
T
i
T
i
M
M
1
)
(
1
)
(
)
()]
(
)(
[
)(（11）
∑
∑
=
=
?
=
=
b
i
k
b
i
k
k i
T
i
T
i
P
P
1
2
)
(
1
)
(
)
()]
(
)(
[
)(（12）
其中T(i)为各管段流量的真解，T(k)(i)为第k次迭代后各管段流量的误差解。M(k)(i)为在第k次迭代后各管段流量与真解的误差，M(k)则为各管段流量误差的代数和；P(k)(i)为各管段流量与真解的方差，P(k)则为方差之和。
经过有限次迭代后满足精度要求的迭代过程被称为是收敛的，否则是发散的。迭代过程收敛的数学表述是M(k)和P(k)的迭代序列的极限同时趋近于零，这是一个充分必要条件。
由于在迭代过程收敛之前，我们并不知道真解，无法构造上述序列，因此它没有实用价值。实际采用的是上述主要条件的推论，即在经过若干次迭代后，当两次迭代过程的相对误差小于任意给定的无穷小正数时，则称迭代过程收敛。因此定义如下迭代序列：
∑
∑
=
?
=
?
=
′
=
′b
i
k
k
b
i
k
k i
T
i
T
i
M
M
1
)
(
)1
(
1
)
(
)
()]
(
)(
[
)(（13）
∑
∑
=
?
=
?
=
′
=
′b
i
k
k
b
i
k
k i
T
i
T
i
P
P
1
2
)
(
)1
(
1
)
(
)
()]
(
)(
[
)(（14）
)(
)
(i
M
Max
S k
k′
=（15）
可以证明，当迭代序列M(k)和P(k)收敛时，M'(k)、P'(k)和S(k)也一定收敛。上述三个迭代序列均可作为收敛的判据，在程序中采用的是式（15），即在每次迭代后对各管段的流量误差（新值与旧值的差值）的绝对值进行
比较，取其中最大的作为本次迭代的流量误
差，因此当S (k)
小于设定值ε（任意小的正数）时就认为最后迭代过程已经收敛，此时的解就是真解。
3.3.2 流量迭代过程的实施
管段流量收敛的速度不仅与管段流量的初值设定有关，而且与采用的迭代方法有关。在3.1所述的流量迭代过程中，第①步所采用的管段流量新值，对迭代过程是否收敛的收敛速度有着明显的影响。较早期程序采用最简单的做法，即直接代入前次迭代的结果，实际证明该方法的收敛速度很慢，而且多数情况下会发散。因此为加快管段流量收敛的速度且保证迭代过程不会发散，必须考虑更有效的迭代方法。
注意到管网水力计算是基于特定工况进行的，管网的总输气是恒定的，方程(9)实际上是一个平衡方程，管段流量的分布应该只取决于管网的流体动力特性。平衡方程组中任何一个扰动（这个扰动实际上就是迭代过程中的误差），必然引起一个或数个反向的扰动来补偿，这表明在每次迭代过程中的误差解总要围绕着真解波动。随迭代过程的进行，波动的峰值有可能扩大，从而造成迭代过程的失败。解决这种波动现象的较好方法是欠松驰迭代法，这固有的阻尼特性能使波动的幅值随迭代过程的进行而衰减。欠松驰迭代在数学上可以描述为：
[])()()()()1()()1()(i T i T i T i T k k k k ???+=ω （16）
欠松驰迭代法的关键问题是找出松驰因子ω（它的值介于0和1之间）。经筛选后，取阻尼因子ω=0.5，实际证明效果很好。 3.3.3 迭代过程的精度控制
迭代过程精度控制有两重含义，一方面是两次计算的管段流量的相对误差大小的控制，另一方面是迭代过程中的相关变量由于计算机存数字的位数限制而产生的截断误差
的控制。对前者，在计算时通过人机对话方式，根据需要确定和调整计算精度。对后者，在迭代过程中循环变化的量，如管段的流量、导纳、压力差或压力平方差、节点压力等参数，采用双精度数据类型（计算机中保留有效数字位数最多的一种数据类型）以减小截断误差。 4 管径的优化
管网水力计算的前提条件之一是必须知道各个管段的直径，而大多数实际问题却是要求通过水力计算确定管径，因此管径的优化是管网水力计算中不可缺少的部分。那些无管径优化的程序，只能进行验算而不能进行设计，实用性会受到很大限制。优化过程的好处更主要体现在不需要设计者盲目地确定管道直径，使水力计算真正起到设计的作用。早期的解决方案是凭经验假设（要求设计者必须具有丰富的相关工程经验）各管段直径，然后分析计算结果加以调整。由于各个管段相互影响，人工调整很难达到满意的程度。
4.1 管径优化方法
管径的优化计算，要求的已知条件为管网的最高压力[PH]和允许的最低压力[PL]及用户的分布情况。首先用回路分析的方法对管段流量和压差进行预估，进而估量出管道的直径，然后经多次调整，在满足如下两个条件的情况下，认为管径优化达到要求。 （1）所有节点的压力P>[PL]（严格的限制条件）； （2）压力最低点的压力PL>1.2[PL]（不严格的限制条件）； （3）各管段单位长度压力损失绝对值最大与最小值之比小于 2.8（不严格的限制条件）。
4.2 管段直径的预估
管道直径的预估实际上是先预估管段的流量和压力差，然后由式（1）或式（2）反
算出管段直径，预估过程按以下步骤进行： ① 管段流量用回路分析法进行，分枝管道流量简单的按算术平均分配；
② 计算各节点到设定的压力最低点的距离，按相同的单位长度压差计算各节点压力；
③ 根据方程（1）和方程（2）用Newton 迭代法计算各管段直径；
④ 将计算值调整到最接近的标准规格。
4.3 管径优化的实施
管径优化的目标有很多，如材料最省、造价最低、压差最均匀等，这些优化目标本质上不矛盾，在程序中我们采用的是单位长度压力损失最均匀的优化目标。
基于这种原则，如果PL<[PL]，则增大单位长度压力损失绝对值最大的管段的直径；如果PL>1.2[PL]，则缩小单位长度压力损失绝对值最小的管段的直径，直到4.1条中的条件均得到满足。
由于管道规格的阶跃变化，无论采用何种优化目标，其结果都是不完全的。从工程应用的角度看，相对较优方案计算出的管径，却不一定适用，因为过多的管道规格（在管径较小时表现得相当明显）会给施工准备带来一定的困难。此外，在管径优化时，必须考虑另一个重要的因素，即管网在事故工况下的供气能力。在充分考虑事故工况时管网输气能力后再实施管网优化才是稳妥的，或者在优化管网后辅之以事故工况验算。
在实施管网优化计算后，管网的事故工况验算是很容易进行的，只要在输入文件中将数个可能断开的管道直径改为任意小的正数（但不能为零），再进行水力计算即可。
5 程序的功能与特点
本程序是基于Windows平台的应用程序，其核心模块是用Visual Basic 3.0开发的，遵守Windows操作界面的各种约定，使稍有Windows操作经验的用户即可轻松使用。
程序充分利用了Windows强有力的图形界面，设计了下拉式、弹出式菜单和执行常用功能的操作按钮，窗体底部有显示各菜单项或按钮功能的说明或操作指导，当鼠标指向按钮时附近能显示其功能说明。菜单项和按钮的有效性根据过程的进行逐渐释放以防止误操作。
程序采用动态数组设计，不限制节点和管段数量，增强了对管网的适应能力；管道直径优化功能使管网设计更加合理。
程序能以DDE方式与Excel进行数据交换，通过数据文件和LSP程序与AUTOCAD进行数据交换。程序丰富的输入输出功能使用户操作更加灵活方便，有对话框、文本文件、电子表格三种格式的数据输入和文本文件、电子表格两种格式的数据输出方式供用户选择，并且可根据需要将计算结果传送到AUTOCAD自动绘制管网水力计算图。程序附带的小型文本编辑器可在不退出本程序的情况下对数据文件进行在线编辑。
6 结论
燃气管网水力计算的数学模型为一非线性方程组，其系数矩阵Y是一个不可约对称矩阵，在求解时采用快速稳定的Cholesky分解法和Gauss-Sidel迭代法相结合的算法，使求解过程高效可靠。对管段流量采用欠松驰迭代格式能确保迭代过程的收敛且能加快收敛速度。管网的优化计算不仅使设计结果更为客观合理，而且用户不需要更多的专业知识，易学易会，使用方便快捷。
本文所建立的数学模型，只要将其中管内流动阻力损失计算公式加以改动，即选择合适的公式替换文中的公式（2）和公式（3），对城市供水和供热管网计算也是完全适用的。
低压燃气管道水力计算 公式 -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
燃气管道输送水力计算 一、适用公式 燃气的管道输配起点压力为10KPa，按《城镇燃气设计规范》，应纳入中压燃气管道的范围。 但本设计认为，虽然成套设备的输出压力为10KPa，出站后，压力即降至10KPa以下。整个管网系统都在10KPa以下的压力状态下工作，因此，在混空轻烃管道燃气输配过程的水力计算，应采取低压水力计算公式为宜。 二、低压燃气管道水力计算公式： 1、层流状态 R e≤2100 λ＝64/R e R e＝dv/γ ΔP/L＝×1010（Q0/d4）γρ0（T/T0） 2、临界状态 R e＝2100~3500 λ＝＋（R e－2100）/（65 R e－1×105） ΔP/L＝×106［1＋（ Q0－7×104dγ）/（－1×105dγ）］ （Q02/d5）ρ0（T/T0） 3、紊流状态 R e≥3500 1）钢管λ＝［（Δ/d）＋（68/ R e）］ ΔP/L＝×106［（Δ/d）＋（dγ/ Q0）］（Q02/d5）ρ0（T/T0） 2）铸铁管λ＝［（1/d）＋4960（dγ/ Q0）］ ΔP/L＝×106［（1/d）＋4960（dγ/ Q0）］（Q02/d5）ρ0（T/T0）注：ΔP——燃气管道的沿程压力降（Pa） L——管道计算长度（m）λ——燃气管道的摩阻系数 Q0——燃气流量（Nm3/h） d——管道内径（mm）ρ0——燃气密度（kg/Nm3）γ——0℃和时的燃气运动粘度（m2/s） Δ——管壁内表面的绝对当量粗糙度（mm） R e——雷诺数 T——燃气绝对温度（K） T0——273K v——管内燃气流动的平均速度（m/s） （摘自姜正侯教授主编的《燃气工程技术手册》——同济大学出版社1993版P551）
城市燃气输配管网系统的水力计算分析 摘要：本文主要介绍了城市燃气输配管网水力计算的意义和计算方法并以实例分析运用和验证了方法的使 用。 关键词：燃气输配管网、水力计算。 1水力计算分析的意义 管网的水力分析是城市管网科学管理的基础,其任务是在输入节点流量及管长、管材、管径的情况下了解管网各管段的实际流量分配,各节点的压力,以及气源的工作情况,即了解整个管网的实际运行工况,从而得到科学、精确的信息.这样既为改建!扩建管网设计提供准确的数据资料,避免工程的盲目性。同时,也为城市管网的科学管理提供数据信息,以便有关部门对管网突发事件作出快速反应、能否正确地进行水力计算,直接影响到输配系统的经济性和可靠性。 2水力计算 2.1燃气管网的水力计算基本公式 2.1.1气体管段流量的基本方程 天然气在管内流动时，沿着气体流动方向，压力下降，密度减少，流速不断增大，温度同时也在变化，决定燃气流动状态的参数有：压力p 、密度ρ、流速v 。为求解这些参数有三个基本方程:连续性、运动方程和气体状态方程。气体流动方程如下。 利用牛顿运动方程、质量连续性方程、气体状态方程,并假设： a 地下燃气管道的温度变化不大,可以假定燃气在管内等温流动。 b 地下燃气管道的标高变化较小,可以不计算管道纵轴方向的重力作用分力。 得可压缩气体的不稳定流动方程组 运动方程 （2.1） 连续性方程 气体状态方程P zg RT ρ= τ---时间； x---离管道始端的距离； v---τ时刻x 处燃气的速度； P---τ时刻x 处燃气的压力； () () 22 2P x x d ρυρυλυρτ???+++=???()0x ρυρτ??+=??
1．高压、中压燃气管道水力计算公式： Z T T d Q L P P 0 5 210 2 2 2 110 27.1ρ λ ?=- 式中：P 1 — 燃气管道起点的压力（绝对压力，kPa ）； P 2 — 燃气管道终点的压力（绝对压力，kPa ）； Q — 燃气管道的计算流量（m 3/h ）； L — 燃气管道的计算长度（km ）； d — 管道内径（mm ）； ρ — 燃气的密度（kg/m 3）；标准状态下天然气的密度一般取0.716 kg/m 3。 Ｚ — 压缩因子，燃气压力小于1.2MPa （表压）时取1； Ｔ — 设计中所采用的燃气温度（K ）； Ｔ0 — 273.15（K ）。 λ— 燃气管道的摩擦阻力系数； 其中燃气管道的摩擦阻力系数λ的计算公式： 25 .06811.0??? ? ??+ =e R d K λ K — 管道内表面的当量绝对粗糙度（mm ）；对于钢管，输送天然 气和液化石油气时取0.1mm ，输送人工煤气时取0.15mm 。 R e — 雷诺数（无量纲）。流体流动时的惯性力Fg 和粘性力(内摩擦 力)Fm 之比称为雷诺数。用符号Re 表示。层流状态，R e ≤ 2100；临界状态，R e =2100～3500；紊流状态，R e >3500。 在该公式中，燃气管道起点的压力1P ，燃气管道的计算长度L ，燃气密度ρ，燃气温度T ，压缩因子Z 为已知量，燃气管道终点的压力2P ，燃气管道的计算流量Q ，燃气管道内径d 为参量，知道其中任意两个，都可计算其中一个未知量。 如燃气管道终点的压力2P 的计算公式为： ZL T T d Q P P 0 5 210 2 1210 27.1ρ ?-= 某DN100中压输气管道长0.19km ，起点压力0.3MPa ，最大流量1060 m 3/h ，输气温度为20℃,应用此公式计算，管道末端压力2P =0.29MPa 。
燃气管网水力计算数学模型及水力计算程序的编制 摘要：利用VisualC++6。0和有限元节点法编制了燃气管网水力计算程序，水力计算全部实现界面化。数学模型中采用了前苏联谢维列夫的摩阻系数公式.采用高斯——赛德尔迭代法解线性方程组，提高了收敛速度。探讨了利用矩阵调行技术解决多气源管网水力计算问题。 关键词：燃气管网水力计算 1引言 随着我国燃气事业的发展,用气城市越来越多,用气量也越来越大,燃气管网相应的变得越来越普及和庞大，其结构也越来越复杂。在管网的新建和扩建中,准确、迅速的燃气管网水力计算是实现高质量的管网设计、施工以及运行调度的必要条件.目前国内存在的大多数水力计算程序，原始数据的准备以文本形式为主，管网的编号也是人工操作，非常麻烦，容易出错；解水力计算线性方程组以雅克比法占多数，收敛速度慢,而且在处理多气源管网时也不是十分方便。 本文从水力计算模型出发,采用有限元节点法，利用VisualC++6.0编制燃气管网水力计算程序。管网初始数据的准备通过界面直观输入；利用高斯-—
赛德尔求解管网线性方程组；通过矩阵调行的方法处理所选基准点不位于最大编号的问题；同时对于多个给定压力的气源点，通过调行和对方程组进行常数项修正来解决。 2数学模型 在使用以下燃气管道水力计算公式时有如下假设条件:燃气管道中的气体运动是稳定流；燃气在管道中的流动时的状态变化为等温过程;燃气状态参数变化符合理想气体定律。 2。1燃气管道水力计算公式 2.1.1对于低压燃气管道 （1） 2。2.2对于中高压燃气管道 （2） （1）、（2)式中： ——压力降（Pa），（注意:在高压管网中表示2次方量）；
Excel 在燃气管道水力计算中的应用 摘要：利用Excel 的控件和函数功能，制作了枝状燃气管道的计算程序。 关键词：Excel 燃气管道 水力计算 0引言 在燃气管道设计中，水力计算是非常重要的一部分，它不仅能保证我们的设计安全合理，同时可使我们的设计更为经济。但手工计算必须需要经过预选管径、判别流动状态、选择计算公式和校核压力降这几步来反复试算，过程极其烦琐和复杂，效率低下，也容易出错。很多同行使用各种计算机语言编写了水力计算程序，大多采用VB 、VC 等高级语言。但以上程序制作过程复杂，需要懂得专业的计算机编程知识，而且定制和更改过程复杂，一般设计人员难以操作。本文介绍了一种利用公办软件Excel 制作水力计算程序的方法，过程简单，界面友好，定制和更改方便。 1制作思路 1.1水力计算依据 燃气管道水力计算的流程见图一： 图一 燃气管道水力计算流程 根据《城镇燃气设计规范》(GB50028-93)（以下简称“规范”），低压燃气管道的水力计算公式如下： 05271026.6T T d Q l p ρλ?=? （1） 由上式可以看出影响压降的参数有： L -燃气管道的计算长度，km ； Q -燃气管道的计算流量，m 3/h ； d -管道内径，mm ； ρ-燃气的密度，kg/m 3；
λ-燃气管道的摩擦阻力系数； T-设计中采用的温度（K）；T0=273.15K。 其中λ按流动状态分为以下三种计算公式： a.当Re≤2100时，属层流状态：λ=64/Re； b.当Re=2100～3500时，属临界状态：λ=0.03+(Re-2100)/(65Re-100000) c.当Re>3500时，属湍流状态， 对于钢管和PE管λ=0.11(K/d+68/Re)0.25 对于铸铁管λ=0.102236（1/d+5158dv/Q）0.284 =0.102236（1/d+1824.9Re）0.284 可见λ又与以下参数有关 ν-标准状态下燃气的运动粘度，m2/s； K -管壁内表面的当量绝对粗糙度，mm。 在计算低压燃气管道阻力损失时，还应考虑因高程差而引起的燃气附加压力。规范中给出低压管道附加压力的计算公式为： ΔH=10×(ρk-ρ)×h 式中： △H-燃气的附加压力，Pa； 可见影响压降的参数还有 ρk -空气的密度，kg/m3；取1.29kg/m3 ρ-燃气的密度，kg/m3；h -管道的终、起点高程差，m。 综上所述，影响压降的参数有L、Q、d、ρk、ρ、ν、K。将这些参数分类，其中ρk、ρ、ν、K这些是与气体性质及管材不同而变化的物性参数；而L、Q、d 是跟管段相关的参数，不同管段有不同的L、Q、d值。那么由公式可以知道，当物性参数ρk、ρ、ν、K固定即选定气体及管材后，压降只与L、Q、d的值不同而不同；当管段的L、Q、d值不变时，换用不同气种或选用不同管材会得到不同压降。基于以上分析，我们的程序也应该做成参数驱动的参数化的程序，即计算结果随着参数的改变而自动改变。 1.2程序制作 1.2.1界面制作 图2为水力计算程序的界面：
燃气工程庭院户内水力计算 重庆市川东燃气工程设计研究院 齐海鸥 2010.01
= 6.26 ?10λ 5ρ dv 0.25 Q 2 ) Q d 1 一、水力计算基础知识 水力计算的目的：树立“成本意识”，合理的确定管网的管径、流量、压力 （压力降）。 由于项目公司所做设计多为小区内的燃气管道，因此这里主要介绍小区庭 院燃气管道水力计算、户内燃气管道水力计算、商业用户燃气管道水力计算。 1、水力计算步骤 （1）选择一条最不利管路（离已知压力点最远的一条管路），标好节点及 管道长度； （2）确定节点流量； （3）初选管径，再进行校核并修改； （4）完善水力计算图（标管径，压力降，节点压力）。 2 、水力计算的基本公式 （1）总压力降=局部压力降+沿程压力降 （简化计算：总压力降=1.05~1.1 倍沿程压力降） （2）压力降计算公式： A 、低压管道计算公式 ?P l 7 Q 2 d T T 0 B 、中压管道计算公式 P 2 - P 22 L = 1.4 ?109 ( K d + 192.2 5 ρ T T 0 C 、速度控制 低压管道流速控制在 5m-8m （经济流速为 6m ）,中压管道流速控制在 10- 16m 。 3、燃气小时计算流量的确定 燃气管道及设备的通过能力都应按燃气计算月的小时最大流量进行计算。 小时计算流量的确定，关系着燃气输配系统的经济性和可靠性。确定燃气小时 计算流量的方法有两种：不均匀系数法和同时工作系数法。
（1）不均匀系数法 适用于城镇燃气分配管道计算流量，对于整个城市管网的水力计算一般用此方法。计算公式如下： Q h＝（1／n）·Q a 式中：Q h—燃气小时计算流量（m3／h）； Q a—年燃气用量（m3／a）； n—燃气最大负荷利用小时数（h）；其值n＝（365×24）／K m K d K h K m—月高峰系数。计算月的日平均用气量和年的日平均用气量之比； K d—日高峰系数。计算月中的日最大用气量和该月日平均用气量之比； K h—小时高峰系数。计算月中最大用气量日的小时最大用气量和该日小时平均用气量之比； 居民生活和商业用户用气的高峰系数，应根据该城镇各类用户燃气用量（或燃料用量）的变化情况，编制成月、日、小时用气负荷资料，经分析研究确定。当缺乏用气量的实际统计资料时，结合当地具体情况，可按下列范围选用。月高峰系数取1.1～1.3；日高峰系数取1.05～1.2；小时高峰系数取 2.2～ 3.2。 工业企业和燃气汽车用户燃气小时计算流量，宜按每个独立用户生产的特点和燃气用量（或燃料用量）的变化情况，编制成月、日、小时用气负荷资料确定。 采暖通风和空调所需燃气小时计算流量。可按国家现行的标准《城市热力网设计规范》CJJ34有关热负荷规定并考虑燃气采暖通风和空调的热效率折算 确定。 （2）同时工作系数法 在设计庭院燃气支管和室内燃气管道时，燃气的小时计算流量，应根据所有燃具的额定流量及其同时工作系数确定。计算公式如下： Q h＝K t（∑KNQ n）（公式1）式中Q h—燃气管道的计算流量（m3／h）；
燃气管道水力计算 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
1．高压、中压燃气管道水力计算公式： 式中：P 1 —燃气管道起点的压力（绝对压力，kPa）； P 2 —燃气管道终点的压力（绝对压力，kPa）； Q —燃气管道的计算流量（m3/h）； L —燃气管道的计算长度（km）； d —管道内径（mm）； ρ—燃气的密度（kg/m3）；标准状态下天然气的密度一般取0.716 kg/m3。 Ｚ—压缩因子，燃气压力小于1.2MPa（表压）时取1； Ｔ—设计中所采用的燃气温度（K）； Ｔ — 273.15（K）。 λ—燃气管道的摩擦阻力系数； 其中燃气管道的摩擦阻力系数λ的计算公式： K —管道内表面的当量绝对粗糙度（mm）；对于钢管，输送天然气和液化石油气时取0.1mm，输送人工煤气时取0.15mm。 R e —雷诺数（无量纲）。流体流动时的惯性力Fg和粘性 力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re表示。层流状态，R e 2100；临界状态，R e =2100～3500；紊流状态，R e >3500。 在该公式中，燃气管道起点的压力 1 P，燃气管道的计算长度L，燃气密度ρ，燃气温度T，压缩因子Z为已知量，燃气管道终点的压力2 P，燃气管道的计算流量Q，燃气管道内径d为参量，知道其中任意两个，都可计算其中一个未知量。
如燃气管道终点的压力 P的计算公式为： 2 某DN100中压输气管道长0.19km，起点压力0.3MPa，最大流量1060 m3/h，输气温度为20℃,应用此公式计算，管道末端压力 P=0.29MPa。 2 2．低压燃气管道水力计算公式： 式中：P —燃气管道的摩擦阻力损失（Pa）； Q —燃气管道的计算流量（m3/h）； L —燃气管道的计算长度（km）； λ—燃气管道的摩擦阻力系数； d —管道内径（mm）； ρ—燃气的密度（kg/m3）； Ｚ—压缩因子，燃气压力小于1.2MPa（表压）时取1； Ｔ—设计中所采用的燃气温度（K）； — 273.15（K）。 Ｔ
《现代燃气工程》结课论文 ------------------------------------------------------------------------ 题目：燃气管网水力计算 姓名：王朋飞 学号：S2******* 教师：范慧方
引言 随着能源结构的不断改变，燃气开发规模和应用规模的不断扩大。城市燃气管网是现代化城市人民生活和工业生产的一种主要能源配送方式，燃气输配管网的设计和运行要求对系统进行水力计算，获取必要的参数。 燃气输配管网系统由高度整体化的管网所组成，在系统内燃气压力和流量变化很大，需要通过水力计算来确定管网中每一管段的尺寸（如管径、管径）、材质等参数以及压缩机的台数功率以保证既向用户合理地供应天然气，又能降低操作管理费用。[1] 同时，考虑在满足用户用气量的前提下，当某一条或几条管道的使用有一定的压力要求时，水力计算数据可确定在这种最大承受压力下管道各个节点的压力，从而保证管网的正常运行。另外，水力计算也用于调整各个调压阀的出口压力来适应事故工况下输送压力的要求。 随着燃气事业的发展，燃气输配管网系统也日趋庞大和复杂，为了掌握燃气在管道内的运行规律，合理地确定管道系统的设计和改造方案，保证管道系统的优化运行，提高管道系统的调度管理水平，解决管网流动的动态特性，在一些比较大型的城市燃气管网的水力计算分析中，必须要依靠相关的计算分析软件进行，以减少手工量和人工误差。
1燃气管网水力计算 燃气是可压缩流体，一般情况下管道内燃气的流动是不稳定流，由压送机站开动压缩机不同台数的工况以及用户用气量变化的工况，这些因素都导致了燃气管道内燃气压力和流量的变化。管内燃气沿程压力下降会引起燃气密度的减小。但是在低压管道中燃气密度变化可以忽略不计。所以，除了单位时间内输气量波动大的超高压天然气长输管线要用不稳定流进行计算外，在大多数情况下，设计燃气管道时都将燃气流动按稳定流计算。此外，很多情况下，燃气管道内的流动可认为是等温的，其温度等于埋管周围土壤的温度。燃气管网按照敷设形式可分为两大类：枝状管网和环状管网。[2]下面就分别介绍两种形式的管网的水力计算特点和方法。 1.1枝状管网水力计算 1.1.1枝状管网水力计算特点 枝状管网是由输气管段和节点组成。任何形状的枝状管网，其管段数P 和节点数m 的关系均符合： 1P m =- 燃气在枝状管网中从气源至各节点只有一个固定流向，输送至某管段的燃气只能由一条管道供气，流量分配方案也是唯一 的，枝状管道的转输流量只有一个数值，任意 管段的流量等于该管段以后（顺气流方向）所 有节点流量之和，因此每一管段只有唯一的流 量值，如图1所示。 管段3-4的流量为： 10985443q q q q q Q ++++=- 管段4-8的流量为： 109884q q q Q ++=-
目录 目录 (1) 常用水力计算Excel程序使用说明 (1) 一、引言 (1) 二、水力计算的理论基础 (1) 1.枝状管网水力计算特点 (1) 2.枝状管网水力计算步骤 (2) 3.摩擦阻力损失,局部阻力损失和附加压头的计算方法 (2) 3.1摩擦阻力损失的计算方法 (2) 3.2局部阻力损失的计算方法 (3) 3.3附加压头的计算方法 (4) 三、水力计算Excel的使用方法 (4) 1.水力计算Excel的主要表示方法 (5) 2.低压民用内管水力计算表格的使用方法 (5) 2.1计算流程： (5) 2.2计算模式： (6) 2.3计算控制： (6) 3.低压民用和食堂外管水力计算表格的使用方法 (7) 3.1计算流程： (7) 3.2计算模式： (7) 3.3计算控制： (7) 4.低压食堂内管水力计算表格的使用方法 (8) 4.1计算流程： (8) 4.2计算模式： (8) 4.3计算控制： (9) 5.中压外管水力计算表格的使用方法 (9) 5.1计算流程： (9) 5.2计算模式： (9) 5.3计算控制： (10) 6.中压锅炉内管水力计算表格的使用方法 (10) 6.1计算流程： (10) 6.2计算模式： (10) 6.3计算控制： (11) 四、此水力计算的优缺点 (11) 1.此水力计算的优点 (11) 1.1.一个文件可以计算不同气源的水力计算 (11) 1.2.减少了查找同时工作系数，当量长度的繁琐工作 (12) 1.3.进行了计算公式的选择 (12) 1.4.对某些小细节进行了简单出错控制 (12) 2.此水力计算的缺点 (12) 2.1不能进行环状管网的计算 (12)
燃气管道输送水力计算 一、适用公式 燃气的管道输配起点压力为10KPa，按《城镇燃气设计规范》，应纳入中压燃气管道的范围。 但本设计认为，虽然成套设备的输出压力为10KPa，出站后，压力即降至10KPa以下。整个管网系统都在10KPa以下的压力状态下工作，因此，在混空轻烃管道燃气输配过程的水力计算，应采取低压水力计算公式为宜。 二、低压燃气管道水力计算公式： 1、层流状态R e≤2100 λ＝64/R e R e＝dv/γ ΔP/L＝1.13×1010（Q0/d4）γρ0（T/T0） 2、临界状态R e＝2100~3500 λ＝0.03＋（R e－2100）/（65 R e－1×105） ΔP/L＝1.88×106［1＋（11.8 Q0－7×104dγ）/（23.0Q0－1×105dγ）］（Q02/d5）ρ0（T/T0） 3、紊流状态R e≥3500 1）钢管λ＝0.11［（Δ/d）＋（68/ R e）］0.25 ΔP/L＝6.89×106［（Δ/d）＋192.26（dγ/ Q0）］0.25（Q02/d5）ρ0（T/T0）2）铸铁管λ＝0.102［（1/d）＋4960（dγ/ Q0）］0.284 ΔP/L＝6.39×106［（1/d）＋4960（dγ/ Q0）］0.284（Q02/d5）ρ0（T/T0）注：ΔP——燃气管道的沿程压力降（Pa）L——管道计算长度（m）λ——燃气管道的摩阻系数Q0——燃气流量（Nm3/h） d——管道内径（mm）ρ0——燃气密度（kg/Nm3） γ——0℃和101.325kPa时的燃气运动粘度（m2/s） Δ——管壁内表面的绝对当量粗糙度（mm）R e——雷诺数 T——燃气绝对温度（K）T0——273K v——管内燃气流动的平均速度（m/s） （摘自姜正侯教授主编的《燃气工程技术手册》——同济大学出版社1993版P551）
12.3燃气用气量和计算流量 12.3.1燃气用气量 民用建筑燃气用气量包括：居民生活用气量、商业用气量、采暖及通风空调用气量。 1用户的燃气用气量，应考虑燃气规划发展量，根据当地的用气量指标确定。 2居民生活和商业的用气量指标，应根据当地居民生活和商业用气量的统计数据分析确定。当缺乏实际统计资料时，结合当地情况参考选用附录D中附表D.1-1、附表D.1-2、附表D.1-3、附表D.1-4数据。 3采暖用气量，可根据当地建筑物耗热量指标确定（方案和初步设计阶段也可按附录D中附表D.1-5中数据估算）。 4通风空调用气量，取冬季热负荷与夏季冷负荷中的大值确定（方案和初步设计阶段也可按附录D中附表D.1-6中数据估算）。 5居住小区集中供应热水用气量，参照《建筑给水排水设计规范》GB50015中的耗热量计算。 12.3.2燃气计算流量 1燃气管道的计算流量，应为小时最大用气量。 2居民生活和商业用户 1）已知各用气设备的额定流量和台数等资料时，小时计算流量按以下方法确定：
①居民生活用燃气计算流量： Q h=∑kNQ n(12.3.2-1) 式中Q h——居民用户燃气计算流量（m3/h）; k——用气设备同时工作系数，可参照附录E中附表E.1-1、附表E.1-2的数据； N——同种设备数目； Q n——单台用气设备的额定流量（m3/h）。 ②商业用户（包括宾馆、饭店、餐馆、医院、食堂等）的燃气计算流量，一般按所有用气设备的额定流量并根据设备的实际使用情况确定。 2）当缺乏用气设备资料时，可按以下方法估算燃气小时计算流量（0℃，101325Pa，以下同）： Q hl=（1/n）Q a (12.3.2-2) n=(365×24)/K m K d K h (12.3.2-3) 式中Q hl——燃气小时计算流量（m3/h）； Q a——年燃气用量（m3/a）； n ——年燃气最大负荷利用小时数（h）; K m——月高峰系数，计算月的日平均用气量和年的日平均用气量之比； K d——日高峰系数，计算月中的日最大用气量和该月日平均用气量之比；
1． 高压、中压 燃气管 道水力 计算公式： Z T T d Q L P P 0 521022211027.1ρλ?=- 式中：P 1 — 燃气管道起点的压力（绝对压力，kPa ）； P 2 — 燃气管道终点的压力（绝对压力，kPa ）； Q — 燃气管道的计算流量（m 3/h ）； L — 燃气管道的计算长度（km ）； d — 管道内径（mm ）； ρ — 燃气的密度（kg/m 3）；标准状态下天然气的密度一般取0.716 kg/m 3。 Ｚ — 压缩因子，燃气压力小于1.2MPa （表压）时取1； Ｔ — 设计中所采用的燃气温度（K ）； Ｔ0 — 273.15（K ）。 λ— 燃气管道的摩擦阻力系数； 其中燃气管道的摩擦阻力系数λ的计算公式： 25.06811.0???? ??+=e R d K λ K — 管道内表面的当量绝对粗糙度（mm ）；对于钢管，输送天然 气和液化石油气时取0.1mm ，输送人工煤气时取0.15mm 。 R e — 雷诺数（无量纲）。流体流动时的惯性力Fg 和粘性力(内摩 擦力)Fm 之比称为雷诺数。用符号Re 表示。层流状态，R e ≤ 2100；临界状态，R e =2100～3500；紊流状态，R e >3500。 在该公式中，燃气管道起点的压力1P ，燃气管道的计算长度L ，燃气密度ρ，燃气温度T ，压缩因子Z 为已知量，燃气管道终点的压力2P ，燃气管道的计算流量Q ，燃气管道内径d 为参量，知道其中任意两个，都可计算其中一个未知量。 如燃气管道终点的压力2P 的计算公式为： ZL T T d Q P P 05210 2 121027.1ρ?-= 某DN100中压输气管道长0.19km ，起点压力0.3MPa ，最大流量1060 m 3/h ，输气温度为20℃,应用此公式计算，管道末端压力2P =0.29MPa 。
城市中低压燃气管网水力计算软件的开发 【摘要】以AutoCAD为平台，采用AutoCADObjectARX的二次开发技术实现对燃气管网水力计算图的数据自动化处理，包括建立管网节点和管段信息的拓扑关系、读取Excel表中的管网数据并显示到图中，以获得管网的可视化；采用C#语言，编制了中低压燃气管网水力计算软件。 【关键词】AutoCADObjectARX;水力计算软件 前言 随着天然气在城市燃气的大力推广应用，城市燃气管网的规模越来越大，在进行规划、设计和管网运行时，水力计算需要处理的数据越来越多。准确、快速地生成水力计算图，实现水力计算与管网AutoCAD图形的无缝结合成为提高燃气管网水力计算效率的重要途径[1-4]。为准确、快速的生成水力计算图及进行水力计算，本文开发了城市中低压燃气管网水力计算软件GASNET。软件包含了两个模块，以AutoCAD为平台开发的ARX模块和采用C#语言开发的水力计算模块。 1 燃气管网图的ObjectARX二次开发 本文采用ObjectARX技术针对AutoCAD进行二次开发，目的是开发一个ARX模块，当AutoCAD载入该模块后，仅需人工输入管网图上所有节点的节点号，即可实现对燃气管网图的数据自动化处理。 ObjectARX是AutoDesk公司针对AutoCAD平台上的二次开发而推出的一个开发软件包，能真正快速的访问AutoCAD图形数据库。使用ObjectARX编程的函数的执行速度可以大大提高。（1）管网节点数据的处理 ARX模块功能需求：对于水力计算图中的管网节点，一般有三个信息需要在图中显示：节点号、节点流量和节点压力。将这些节点信息保存在一个Excel表中，通过ARX模块可把Excel 表中的节点信息显示到管网图中相应的节点上。 算法：打开管网图后，运行MLeader命令对管网图上的节点进行标识，添加相应的节点号。提取管网图中每个节点的节点号，判断是否有重复的节点号，如有，则报错，提醒操作人员修改；如无，则读取Excel表中的节点信息，并依次绘制到管网图中的相应节点上。 （2）管网管段数据的处理 ARX模块功能需求：对于水力计算图中的管网管段，一般有6个信息需要在图中显示：管段号、管材、管径、管段长度、管段流量和管段压力降。将这些信息保存在Excel表中，通过ARX模块可把Excel表中的管段信息显示到图中相应的管段上。 算法：为方便管段数据的处理，ARX模块要为图中所有的节点和管段建立拓扑关系。①找到图中所有的节点和管段，为每个节点找到与其相连接的管段，并保存信息；②为每个管段找到与其连接的管段，并保存信息；③给定任意两个节点，查找其相连的路径，如果此路径上的管段路线上还有其他的节点，则这两个节点之间定义为没有相连管段；否则，此路径上的管段定义为相连管段。 ARX模块可实现的功能：遍历管网图中所有节点，找出所有节点之间的相连管段并编制管段号；记录连接管段的两个节点号和自动测量管段长度；将管网的管段号、管段长度、管段起点号及管段终点号等数据保存到Excel表中，以备水力计算软件调用；将水力计算软件生成的Excel表中的数据绘制到管网图的相应管段上，以生成水力计算图。
12.3 燃气用气量和计算流量 12.3.1 燃气用气量 民用建筑燃气用气量包括：居民生活用气量、商业用气量、采暖及通风空调用气量。 1 用户的燃气用气量，应考虑燃气规划发展量，根据当地的用气量指标确定。 2 居民生活和商业的用气量指标，应根据当地居民生活和商业用气量的统计数据分析确定。当缺乏实际统计资料时，结合当地情况参考选用附录D中附表D.1-1、附表D.1-2、附表D.1-3、附表 D.1-4 数据。 3 采暖用气量，可根据当地建筑物耗热量指标确定（方案和初步设计阶段也可按附录D中附表D.1 -5中数据估算）。 4 通风空调用气量，取冬季热负荷与夏季冷负荷中的大值确定（方案和初步设计阶段也可按附录 D 中附表 D.1-6 中数据估算）。 5 居住小区集中供应热水用气量，参照《建筑给水排水设计规范》GB50015 中的耗热量计算。 12.3.2 燃气计算流量 1 燃气管道的计算流量，应为小时最大用气量。 2 居民生活和商业用户 1 ）已知各用气设备的额定流量和台数等资料时，小时计算流量按以下方法确定：
①居民生活用燃气计算流量： (12.3.2-1) Q h=E kNQ n 式中Q h——居民用户燃气计算流量（m3/h） k――用气设备同时工作系数，可参照附录E中附表E.1-1、 附表 E.1-2 的数据； N ――同种设备数目； Q n――单台用气设备的额定流量（m3/h）。 ②商业用户（包括宾馆、饭店、餐馆、医院、食堂等）的燃气计算流量，一般按所有用气设备的额定流量并根据设备的实际使用情况确定。 2）当缺乏用气设备资料时，可按以下方法估算燃气小时计算流量（O C, 101325Pa,以下同）： Q hl=（1/n）Q a （12.3.2-2） n=（365 WK m K d K h （12.3.2-3） 式中Q hi ----------- 燃气小时计算流量（m3/h）; Q a――年燃气用量（m3/a）； n ――年燃气最大负荷利用小时数（h）; K m――月高峰系数，计算月的日平均用气量和年的日平均用气量之比； K d――日高峰系数，计算月中的日最大用气量和该月日平均用气量之比；
·燃 气· 城镇燃气管网的水力计算 燃气室 向廷海 [摘 要] 介绍了燃气管网水力计算的数学模型和求解方法，对求解过程的速度、稳定性和计算精度等问题经分析后给出了解决方案，同时提出了一种管网优化设计方法。 [关键词] 数学模型 矩阵计算 城镇燃气管网 1 序言 城镇燃气管网水力计算是城市煤气设计的主要工作之一，设计时要求燃气管网既要满足使用的需要，投资又省，又要对运行中的燃气管网能保证合理的生产调度、管网事故模拟及建立处置预案和管网事故的紧急处理。管网水力计算常用的方法为回路分析法和节点流量法（又称为水力计算法）。回路分析法只适用于小型的枝状管网，节点流量法具有在不知道管段流量的情况下通过迭代逼近真解的特点，适用于各种大型复杂管网，但该法计算工作量大，手工计算非常困难，通常在计算机上进行。本文介绍作者在编制燃气管网水力计算程序时对数学模型、求解方法的分析和解决的方案。 2 城镇燃气管网水力计算的数学模型 2.1 燃气在管内流动的阻力损失计算 燃气在管内流动的阻力损失，即燃气流过某一管段后的压力损失或压差的计算依据是《城镇燃气设计规范》（GB50028-93,1998年版）中的规定，对中、高压管道（定性压力不小于5kPa）： 5210 222110271T T ρd Q λ.L P P ×=? （1） 对低压管道（定性压力小于5kPa ）： 527 1026.6T T d Q l P ρλ×=? （2） 2.2 管段导纳及管网导纳矩阵 将方程（1）和方程（2）改写成如下形式： Q Q f )(=δ （3） 式中δ为管道的压差或压力平方差，f(Q)定义为管道的线性流量阻力损失系数。上式将管段压差与流量简化成线性关系，管内流动压力损失的所有影响因素归结到系数f(Q)。 燃气管网与电路是可以比拟的，因此与电路中导纳的定义相似，定义线性流量阻力损失系数的倒数为管段导纳G。如此方程（3）可以改写为： δG Q = （4） 对任一管段j，其导纳为g(j)，并按如下方式定义管网的导纳矩阵，它是b 阶对角方阵（b 为管段的数量）： []0),(),(j g j i G = （5）
城市中低压燃气管网水力计算软件的开发 发表时间：2016-11-14T15:21:45.960Z 来源：《低碳地产》2016年8月第16期作者：高华伟[导读] 以AutoCAD为平台，采用AutoCADObjectARX的二次开发技术实现对燃气管网水力计算图的数据自动化处理。 深圳中燃哈工大燃气技术研究院有限公司广东深圳 518033 【摘要】以AutoCAD为平台，采用AutoCADObjectARX的二次开发技术实现对燃气管网水力计算图的数据自动化处理，包括建立管网节点和管段信息的拓扑关系、读取Excel表中的管网数据并显示到图中，以获得管网的可视化；采用C#语言，编制了中低压燃气管网水力计算软件。 【关键词】AutoCADObjectARX;水力计算软件 前言 随着天然气在城市燃气的大力推广应用，城市燃气管网的规模越来越大，在进行规划、设计和管网运行时，水力计算需要处理的数据越来越多。准确、快速地生成水力计算图，实现水力计算与管网AutoCAD图形的无缝结合成为提高燃气管网水力计算效率的重要途径[1-4]。为准确、快速的生成水力计算图及进行水力计算，本文开发了城市中低压燃气管网水力计算软件GASNET。软件包含了两个模块，以AutoCAD为平台开发的ARX模块和采用C#语言开发的水力计算模块。 1 燃气管网图的ObjectARX二次开发 本文采用ObjectARX技术针对AutoCAD进行二次开发，目的是开发一个ARX模块，当AutoCAD载入该模块后，仅需人工输入管网图上所有节点的节点号，即可实现对燃气管网图的数据自动化处理。 ObjectARX是AutoDesk公司针对AutoCAD平台上的二次开发而推出的一个开发软件包，能真正快速的访问AutoCAD图形数据库。使用ObjectARX编程的函数的执行速度可以大大提高。 （1）管网节点数据的处理 ARX模块功能需求：对于水力计算图中的管网节点，一般有三个信息需要在图中显示：节点号、节点流量和节点压力。将这些节点信息保存在一个Excel表中，通过ARX模块可把Excel表中的节点信息显示到管网图中相应的节点上。 算法：打开管网图后，运行MLeader命令对管网图上的节点进行标识，添加相应的节点号。 提取管网图中每个节点的节点号，判断是否有重复的节点号，如有，则报错，提醒操作人员修改；如无，则读取Excel表中的节点信息，并依次绘制到管网图中的相应节点上。 （2）管网管段数据的处理 ARX模块功能需求：对于水力计算图中的管网管段，一般有6个信息需要在图中显示：管段号、管材、管径、管段长度、管段流量和管段压力降。将这些信息保存在Excel表中，通过ARX模块可把Excel表中的管段信息显示到图中相应的管段上。 算法：为方便管段数据的处理，ARX模块要为图中所有的节点和管段建立拓扑关系。①找到图中所有的节点和管段，为每个节点找到与其相连接的管段，并保存信息；②为每个管段找到与其连接的管段，并保存信息；③给定任意两个节点，查找其相连的路径，如果此路径上的管段路线上还有其他的节点，则这两个节点之间定义为没有相连管段；否则，此路径上的管段定义为相连管段。 ARX模块可实现的功能：遍历管网图中所有节点，找出所有节点之间的相连管段并编制管段号；记录连接管段的两个节点号和自动测量管段长度；将管网的管段号、管段长度、管段起点号及管段终点号等数据保存到Excel表中，以备水力计算软件调用；将水力计算软件生成的Excel表中的数据绘制到管网图的相应管段上，以生成水力计算图。 2 水力计算模块的开发 水力计算模块是在.net平台上，采用C#语言开发设计，算法基于节点方程法[8]编制，由参数编辑、参数输入、预估节点流量、管网计算及结果输出板块组成。水力计算模块的特点如下： 数据可直接调用ARX模块生成的数据文件进行计算； 水力计算公式采用规范推荐的公式，算法是基于节点方程法编制的，计算稳定，收敛速度快，精度高； 采用.NET技术开发，使用.NET技术开发的系统与Windows操作系统具有很好的兼容性，有微软的强大技术支持，能够很顺利的完成系统的移植； 以商业应用为目标，提供良好的人机对话界面和个性化界面设置，操作方便，采用统一的单一版本，通用性强。 3 水力计算实例 某城市中压管网，共有10个节点、11条管段、1个气源。在进行水力计算时，首先打开管网图，在节点处人工标识节点号，再调用ARX模块的命令生成管网数据Excel表格文件（文件样式见图1），水力计算模块调用生成的管网数据Excel表格文件即可计算出结果文件（文件样式见图2），最后调用ARX模块的命令可将结果数据绘制在管网图上生成水力计算图。 利用GASNET软件进行水力计算，操作人员仅需熟悉AutoCAD与Excel的操作命令即可，简便易懂。本文采用的这种水力计算图的计算机生成方法，不局限于管线是垂直和水平的情况，它能依管线的倾斜而以相同角度的倾斜度标注数据、文字说明及管段流向。利用GASNET软件进行水力计算的详细操作步骤见图3，生成的水力计算图见图4。
小区燃气管网系统 设计示例
目录 1.设计条件 (3) 1.1工程概况 (3) 1.2燃气供应对象 (3) 1.3接入点位置 (3) 1.4燃气的设计参数及计算公式 (4) 1.5用户灶具配备 (6) 2.设计计算 (7) 2.1用户用气量确定 (7) 2.2 小区管道设计 (7) 2.3调压设备选择 (12) 2.4水力计算 (13) 2.5确定允许压力降 (18) 2.6校核 (18) 2.7 举例对管段进行水力计算并核算小区管段总压降 (18) 3.管道附属设备 (25) 3.1阀门 (25) 3.2凝水器 (25) 3.3放散管 (26) 3.4 护罩 (26) 3.5阀门井 (26) 3.6金属示踪线和警示带 (26) 4.设计图纸 (27) 5.参考文献 (28)
1.设计条件 1.1工程概况 本设计为某小区燃气管网系统设计。该小区位于华东某平原区域，属亚热带南缘季风气候区，冬夏长，春秋短，温暖潮湿，雨量充沛，年平均气温16度，极限冻土深度≧0.3m。接入点市政燃气管网的压力等级为中压，设计压力均为0.2MPa，小区内末端压力≦0.15MPa，低压管网设计压力为0.01MPa，煤气表前压力≦3000Pa。管道坡度≦3‰； 1.2燃气供应对象 该小区为一新建社区，小区内地势平坦，本设计的范围仅包括小区平面图中虚线划定区域内的1#～6#楼房，共6栋，各栋楼房居民户数分配方案如表1.1所示。 表1.1 居民户数分配表 方案1#楼2#楼3#楼4#楼5#楼6#楼合计 H2 22 24 18 20 30 24 138 1.3接入点位置 该小区燃气管网的市政批准接入点位置为B方案，详见小区平面图。