燃氣管網(wǎng)分析系統(tǒng)的開發(fā)

摘 要

摘要：結(jié)合AutoCAD的相關控件功能，開發(fā)出一套燃氣管網(wǎng)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(xiàn)對燃氣管網(wǎng)進行輸配模擬和優(yōu)化設計方面的計
摘要：結(jié)合AutoCAD的相關控件功能，開發(fā)出一套燃氣管網(wǎng)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(xiàn)對燃氣管網(wǎng)進行輸配模擬和優(yōu)化設計方面的計算分析。
關鍵詞：燃氣管網(wǎng)；分析系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)；水力計算；輸配模擬；優(yōu)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(tǒng)隨著城市燃氣的大規(guī)模使用逐步發(fā)展起來，但其面臨的問題很多，比如：管網(wǎng)設計采用人工選擇管徑和計算機進行水力計算相結(jié)合的方法，未深入考慮管網(wǎng)造價等經(jīng)濟因素；在管網(wǎng)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(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，對燃氣管網(wǎng)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(wǎng)優(yōu)化，降低燃氣管網(wǎng)的建造費用、運行費用以及提高供氣系統(tǒng)的安全可靠性，已成為各燃氣企業(yè)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(wǎng)水力計算，顯著克服了傳統(tǒng)節(jié)點負荷模式的缺點，對于管網(wǎng)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(yōu)化，彭世尼等[3]建立了城市燃氣管網(wǎng)優(yōu)化模型，并將遺傳算法應用到了管網(wǎng)優(yōu)化模型當中，取得了很好的效果。
    管網(wǎng)分析還有許多熟知的名稱，如管網(wǎng)模擬、管網(wǎng)平差。名詞雖然不同，實際上都是指通過真實系統(tǒng)的模型進行實際系統(tǒng)的分析和處理，其目的在于了解真實系統(tǒng)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(tǒng)可能發(fā)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(yè)普遍使用SCADA、GIS等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合AutoCAD的相關控件功能，開發(fā)出了一套燃氣管網(wǎng)分析系統(tǒng)，對燃氣管網(wǎng)進行輸配模擬和優(yōu)化設計方面的計算分析。
2 系統(tǒng)工作流程
管網(wǎng)分析系統(tǒng)采用統(tǒng)一的用戶界面，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)的導入、繪制修改、計算分析、成果顯示、文件管理等功能。系統(tǒng)的工作流程見圖1。
 

    系統(tǒng)的工作流程分為模型創(chuàng)建和模型分析兩個主要步驟：
    ① 模型創(chuàng)建：既可以從地理信息系統(tǒng)導入現(xiàn)有的管網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)和管網(wǎng)基本屬性信息，也可以由用戶手動繪制管網(wǎng)，填入相關數(shù)據(jù)。
   ② 模型分析：是模型修正、模型計算、結(jié)果顯示的一個循環(huán)過程，根據(jù)現(xiàn)有模型進行分析計算并檢查計算結(jié)果，如果結(jié)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(tǒng)基本功能
   ① 系統(tǒng)平臺
   通過AutoCAD控件組態(tài)成一體化圖形用戶界面，所有相關管網(wǎng)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(shù)據(jù)共享
   自動導入GIS的相關管網(wǎng)數(shù)據(jù)，為分析計算提供數(shù)據(jù)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(tài)標注管道的流向、流量、管徑、管材，節(jié)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(jié)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(jù)其流量所在的范圍，顯示不同的顏色；節(jié)點根據(jù)壓力顯示不同的顏色。
   d. 管道根據(jù)其管徑顯示不同的顏色。
   e. 管道根據(jù)其管材類型顯示不同的顏色。
   ③ 數(shù)據(jù)錄入
   用戶可將AutoCAD格式文件在該系統(tǒng)中打開作為底圖，在系統(tǒng)界面中進行管網(wǎng)相關數(shù)據(jù)的錄入，例如管網(wǎng)及其附屬節(jié)點、管道、調(diào)壓柜、氣源等信息，進行模型創(chuàng)建。用戶可以任意修改管道和節(jié)點的空間位置，修改方法包括復制、延長、打斷、刪除、剪切、旋轉(zhuǎn)、移動、放大等，通過添加這些功能，可以方便地進行管網(wǎng)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(wǎng)基本拓撲關系的校驗功能，可對創(chuàng)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(guī)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(tǒng)計：統(tǒng)計所有管道的長度。
    e. 設備數(shù)量：分類統(tǒng)計各類設備和節(jié)點的數(shù)量。
    f. 屬性檢查：檢查導入數(shù)據(jù)的缺失情況，使計算用數(shù)據(jù)完整。
    ⑤ 分析計算
   本系統(tǒng)的核心就是實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)輸配模擬和優(yōu)化設計兩大功能。
    a. 輸配模擬：根據(jù)管網(wǎng)管徑、管長、氣源及用戶用氣量等信息，對管網(wǎng)進行模擬計算，模擬出各節(jié)點的壓力及各管段的流量，以發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)存在的壓力或流量瓶頸，由此確定管網(wǎng)系統(tǒng)改建的最優(yōu)方案，提高管網(wǎng)運行效率。
    b. 優(yōu)化沒計：根據(jù)給定的管網(wǎng)運行要求，確定最優(yōu)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設計，利用遺傳算法[3]尋求最優(yōu)解，以得到最合理、經(jīng)濟的管徑配置方案。
4 系統(tǒng)應用實例
   ① 輸配模擬
   通過對某一中等城市管網(wǎng)主要節(jié)點的壓力、管段流量進行模擬計算，不斷校核設計參數(shù)，提高模擬精度，使其達到工程需求。
   ② 優(yōu)化設計
   將遺傳算法引入到城市燃氣管網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，以此來解決管網(wǎng)規(guī)劃設計中管徑選擇與水力計算不能統(tǒng)一用計算機處理，以及管網(wǎng)管徑的優(yōu)化問題。采用文獻[3]中的工程實例進行計算，結(jié)果表明：應用遺傳算法解決燃氣管網(wǎng)優(yōu)化設計問題可行有效，求解結(jié)果符合實際。管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，對管網(wǎng)工程的卓越運營及規(guī)劃投資都起到重要作用。
5 結(jié)論
    燃氣管網(wǎng)分析系統(tǒng)不但能最大限度地利用GIS已有數(shù)據(jù)形成計算數(shù)據(jù)源，也可以通過圖形界面，進行數(shù)據(jù)的錄入與更改，方便用戶操作，使管網(wǎng)分析計算圖形化。通過該系統(tǒng)，可對城市現(xiàn)有燃氣管網(wǎng)進行計算，綜合分析管網(wǎng)輸配的薄弱點、現(xiàn)有管網(wǎng)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(wǎng)供氣系統(tǒng)的影響，并給出改建管網(wǎng)管徑的最優(yōu)配置方案，節(jié)約管網(wǎng)的建造費用。
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(本文作者：馮偉程 梁金鳳 焦崗 吳衛(wèi)華 趙鑫 新奧能源控股有限公司 河北廊坊 065000)