[发明专利]一种燃气管网水力计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及水力计算领域，尤其是一种燃气管网水力计算方法。

背景技术

燃气管网水力计算是城市燃气管网设计中的一项重要工作，而且也是各个城市燃气公司完善管网、优化管网运行管理和保障安全供气的必要手段。经过多年的研究实践，国内已形成了许多较为成熟的稳态燃气管网的计算方法和程序，但目前存在的大多数水力计算程序普遍存在下列主要问题：

一、原始数据的准备和录入不方便，目前原始数据的准备和录入多为手工绘制管网拓扑结构图、手工录入管道物理参数等管网信息、人工统计管网各节点流量并录入数据资料；

二、缺乏原始输入数据的检查功能，往往需要花费设计人员大量的数据检查时间；

三、只能计算由单一管材构成的管网，对多种材料组成的混合管网不适用；

四、设计人员主要依赖于计算结果，缺乏对水力计算过程的跟踪，一旦迭代过程出现震荡，设计人员往往只能凭借经验；

五、无法解决大管径或小流量时存在不收敛或收敛精度低的问题；

六、普遍采用雅克比法解水力计算线性方程组，收敛速度慢，而且不便于处理多气源管网。

七、现有计算方法中，一种是分为层流状态、临界状态和湍流状态三种流态来计算摩擦阻力系数λ；另一种是分为水力光滑区、过渡区和阻力平方区三种状态，分别给出了新钢管、新铸铁管、旧铸铁管和塑料管等不同管材的计算公式。这两种计算摩擦阻力系数λ的公式均为显函数公式，方便手算，因此工程技术人员多采用该公式进行水力计算。但是，这两种管道摩擦阻力计算方法存在下面问题：流态不连续，在不同流态的分解点，雷诺数Re在分解点两测振荡，摩擦阻力系数λ是不连续的，存在一定的误差，从而造成大管径或小流量管网采用现有大部分水力计算软件存在不收敛或收敛缓慢的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气管网水力计算方法，能够真正实现精确计算燃气管网水力的方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种燃气管网水力计算方法，其包括

步骤一、采用柯列勃洛克公式计算燃气管道摩擦阻力系数λ，即

其中：Re为雷诺数；ρ为燃气密度(kg/m³)；K为管道内壁的当量绝对粗糙度(mm)；d为管道内径(mm)；

步骤二、对柯列勃洛克公式进行形式变换，得

步骤三、求解f(λ)对λ的一阶导数f'(λ)，得

步骤四、进行迭代运算，并用有限元节点法判断迭代精度，至达到迭代精度要求。

在步骤四中的迭代运算采用牛顿迭代，其迭代公式为,

在步骤四中的有限元节点法具体为，

节点流量连续方程组Aq+Q＝0；管段压力降方程组A^TP＝Δp；管段流量方程组q＝C·Δp；由上述三式可得求解节点压力的方程组：

其中：A为由元素a_ij组成的节点关联矩阵；C为由元素组成的节点对角矩阵；P为节点压力向量；Q为节点流量向量；q为管段流量向量；Δp为管段压降向量；A^T为矩阵转置矩阵。

在计算节点压力时采用高斯赛德尔迭代。

在步骤四中，每次的迭代结果都输入AutoCAD或者Excel表中，以形成管网图。

本发明采用上述方法后，

1、本计算方法可用于多环、多气源点、环状、枝状管网的水力计算；

2、适用于由不同管材组成的燃气管网水力计算；

3、运算速度快，迭代次数少，并且能够有效地解决目前市面上的各种水力计算方法对于大管径和小流量管网收敛速度缓慢或不收敛的问题。

附图说明

图1为本发明的计算方法流程图。

图2为本发明由燃气管网水力计算仿真系统、GIS系统和客户服务系统构成的系统图。

图3为本发明燃气管网水力工况寻优的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种燃气管网水力计算方法，其包括

步骤一、采用柯列勃洛克公式计算燃气管道摩擦阻力系数λ，即

其中：Re为雷诺数；ρ为燃气密度(kg/m³)；K为管道内壁的当量绝对粗糙度(mm)；d为管道内径(mm)；

步骤二、对柯列勃洛克公式进行形式变换，得