燃氣管網分析系統的開發

摘 要

摘要：結合AutoCAD的相關控件功能，開發出一套燃氣管網分析系統。該系統具有自動讀取GIS信息，可對AutoCAD格式文件靈活操作等特點，實現對燃氣管網進行輸配模擬和優化設計方面的計
摘要：結合AutoCAD的相關控件功能，開發出一套燃氣管網分析系統。該系統具有自動讀取GIS信息，可對AutoCAD格式文件靈活操作等特點，實現對燃氣管網進行輸配模擬和優化設計方面的計算分析。
關鍵詞：燃氣管網；分析系統；地理信息系統；水力計算；輸配模擬；優化設計
Development of Gas Network Analysis System
FENG Weicheng，LIANG Jinfeng，JIAO Gang，WU Weihua，ZHAO Xin
Abstract：A gas network analysis system is developed with control functions of AutoCA D.The system is characterized by automatic reading of GIS information.flexible manipulation of AutoCAD format files and so on.The calculation and analysis can be achieved in terms of transportation and distribution simulation and optimization design of gas network.
Key words：gas network；analysis system；GIS；hydraulic calculation；transportation and distribution simulation；optimization design
1 概述
    燃氣輸配系統隨著城市燃氣的大規模使用逐步發展起來，但其面臨的問題很多，比如：管網設計采用人工選擇管徑和計算機進行水力計算相結合的方法，未深入考慮管網造價等經濟因素；在管網的擴建改造方面，對其供氣可靠性的研究也很少。隨著城市燃氣管網規模的不斷擴大，對燃氣管網投入的資金也越來越多，在保證用戶用氣壓力的前提下進行燃氣管網優化，降低燃氣管網的建造費用、運行費用以及提高供氣系統的安全可靠性，已成為各燃氣企業急需解決的重要問題。嚴銘卿等[1]采用支點負荷模式進行管網水力計算，顯著克服了傳統節點負荷模式的缺點，對于管網水力計算方面的研究有明顯的意義。黃紅祥等[2]提出了按控制零點壓力進行管徑優化，彭世尼等[3]建立了城市燃氣管網優化模型，并將遺傳算法應用到了管網優化模型當中，取得了很好的效果。
    管網分析還有許多熟知的名稱，如管網模擬、管網平差。名詞雖然不同，實際上都是指通過真實系統的模型進行實際系統的分析和處理，其目的在于了解真實系統在不同條件下的運行情況，以及增加或刪掉一些條件后系統可能發生的變化[4]。已有不少學者在這方面進行了相關研究[5～10]，值得借鑒。考慮目前燃氣企業普遍使用SCADA、GIS等系統進行數據采集，并結合AutoCAD的相關控件功能，開發出了一套燃氣管網分析系統，對燃氣管網進行輸配模擬和優化設計方面的計算分析。
2 系統工作流程
管網分析系統采用統一的用戶界面，實現燃氣管網數據的導入、繪制修改、計算分析、成果顯示、文件管理等功能。系統的工作流程見圖1。
 

    系統的工作流程分為模型創建和模型分析兩個主要步驟：
    ① 模型創建：既可以從地理信息系統導入現有的管網拓撲數據和管網基本屬性信息，也可以由用戶手動繪制管網，填入相關數據。
   ② 模型分析：是模型修正、模型計算、結果顯示的一個循環過程，根據現有模型進行分析計算并檢查計算結果，如果結果不能滿足要求，則重新修正模型并進行計算，直到符合要求為止。
3 系統基本功能
   ① 系統平臺
   通過AutoCAD控件組態成一體化圖形用戶界面，所有相關管網分析和操作管理等均在此界面下進行，并采用多文檔界面設計，可同時打開多個文件進行操作。
   ② 數據共享
   自動導入GIS的相關管網數據，為分析計算提供數據源。用戶可通過圖形界面進行配置和修改需要導入的設備及管道類型等，并進行顯示：
   a. 動態標注管道的流向、流量、管徑、管材，節點的壓力、名稱、類型等。
   b. 按照元素類別進行圖形顯示，不同級別的管道按不同顏色顯示，不同類型的節點和設備按不同的符號顯示。
   c. 按照壓力和流量進行圖形顯示，管道根據其流量所在的范圍，顯示不同的顏色；節點根據壓力顯示不同的顏色。
   d. 管道根據其管徑顯示不同的顏色。
   e. 管道根據其管材類型顯示不同的顏色。
   ③ 數據錄入
   用戶可將AutoCAD格式文件在該系統中打開作為底圖，在系統界面中進行管網相關數據的錄入，例如管網及其附屬節點、管道、調壓柜、氣源等信息，進行模型創建。用戶可以任意修改管道和節點的空間位置，修改方法包括復制、延長、打斷、刪除、剪切、旋轉、移動、放大等，通過添加這些功能，可以方便地進行管網拓撲關系的編輯。
   ④ 檢驗工具
   為保證模型分析計算的有效性，增加了對管網基本拓撲關系的校驗功能，可對創建的模型進行適當修正，主要包括：
    a. 管道合并：將屬性相同或符合規則的管道合并成一條管道。
    b. 連通性檢查：檢查管道之間的拓撲或連通關系是否正確。
    c. 重疊管道檢查：檢查是否有重疊或重合的管道。
    d. 管道長度統計：統計所有管道的長度。
    e. 設備數量：分類統計各類設備和節點的數量。
    f. 屬性檢查：檢查導入數據的缺失情況，使計算用數據完整。
    ⑤ 分析計算
   本系統的核心就是實現燃氣管網輸配模擬和優化設計兩大功能。
    a. 輸配模擬：根據管網管徑、管長、氣源及用戶用氣量等信息，對管網進行模擬計算，模擬出各節點的壓力及各管段的流量，以發現管網存在的壓力或流量瓶頸，由此確定管網系統改建的最優方案，提高管網運行效率。
    b. 優化沒計：根據給定的管網運行要求，確定最優的管網結構設計，利用遺傳算法[3]尋求最優解，以得到最合理、經濟的管徑配置方案。
4 系統應用實例
   ① 輸配模擬
   通過對某一中等城市管網主要節點的壓力、管段流量進行模擬計算，不斷校核設計參數，提高模擬精度，使其達到工程需求。
   ② 優化設計
   將遺傳算法引入到城市燃氣管網結構優化中，以此來解決管網規劃設計中管徑選擇與水力計算不能統一用計算機處理，以及管網管徑的優化問題。采用文獻[3]中的工程實例進行計算，結果表明：應用遺傳算法解決燃氣管網優化設計問題可行有效，求解結果符合實際。管網結構的優化設計，對管網工程的卓越運營及規劃投資都起到重要作用。
5 結論
    燃氣管網分析系統不但能最大限度地利用GIS已有數據形成計算數據源，也可以通過圖形界面，進行數據的錄入與更改，方便用戶操作，使管網分析計算圖形化。通過該系統，可對城市現有燃氣管網進行計算，綜合分析管網輸配的薄弱點、現有管網的供氣能力和可擴建余地，以及擴建改造后對整個城市管網供氣系統的影響，并給出改建管網管徑的最優配置方案，節約管網的建造費用。
參考文獻：
[1] 嚴銘卿，何淑靜，袁樹明.燃氣管網水力分析的負荷分布模式[J].煤氣與熱力，2004，24(2)：80-82.
[2] 黃紅祥，姜東琪，段常貴.城市燃氣管網的優化設計[J].煤氣與熱力，2004，24(10)：539-541.
[3] 彭世尼，冷婷婷，鄭利平，等.基于遺傳算法的城市燃氣管網優化[J].煤氣與熱力，2004，24(12)：653-656.
[4] 李猷嘉.燃氣輸配系統的設計與實踐[M].北京：中國建筑工業出版社，2006：226.
[5] 嚴銘卿.燃氣輸配工程分析[M].北京：石油工業出版社，2006：107-124.
[6] 姜東琪，杜建梅，崔建華，等.燃氣管網水力計算及水力計算圖的繪制[J].煤氣與熱力，2001，21(5)：453-455.
[7] 潘大為，劉文俊.燃氣管網水力計算與實測數據的擬合[J].煤氣與熱力，2005，25(10)：33-35.
[8] 魯國文，馮良.基于AUTOCAD的燃氣管網水力計算和自動繪圖系統的研究[J].上海煤氣，2006(1)：26-29
[9] 彭繼軍，田貫三，劉燕.燃氣管網水力計算圖的計算機生成[J].山東建筑工程學院學報，2003，18(1)：58-62.
[10] 丁國玉，田貫三.AutoCAD VB(VBA)二次開發在燃氣管網水力計算中的應用[J].城市燃氣，2008(1)：15-18.
 
(本文作者：馮偉程 梁金鳳 焦崗 吳衛華 趙鑫 新奧能源控股有限公司 河北廊坊 065000)