燃气管网阀门配置研究

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燃气管网阀门配置研究
a.管网阀门配置状况
长期以煤制气为主要气源,管网一般 为中低压两级系统,中压管网压力不 高于0.2MPa,且管网规模不大
大量的低压管网几乎不配置截断阀门。 中压管网配置数量有限的阀门,并无
一定之规。
b.配置阀门无一致的方法
20世纪80年代初哈尔滨建成气源为高压气 化煤气的大型城市中压管网系统(管段数 1700);以及进入21世纪后,以天然气为 气源,各地大量建设中压管网为主体的城 市燃气系统,都面临了各级管网如何配置 阀门的问题
组内无需阀门,仍有h个阀门可以取消,即为 余阀,管段组中的环即为通环。
规则减阀及余阀
(B=m=7,J= m+H-1=7+2-1=8, J m=6, J m=H=2)
─组外规则配置阀门 ─规则减阀 ─余阀
③余阀数
余阀数等于通环数
Jm Hm
可由通环数获知余阀数
④未取消的阀门数
规则配置相对于完全规则配置 未取消的阀门数
管网阀门理论配置
节点 1 2 3 4 5 6 7
nv fv 节点 nv fv 32 8 1 1 21 9 1 1 4 3 10 1 1 3 2 11 1 1 3 2 12 1 1 2 1 13 1 1 32
理论配置定理
对某一级燃气管网,管段数为B,环数为H, 进行阀门理论配置,则阀门数量为:
J=B+H -1
1.5
Section Average Lenth L (km)
Valve Density on Loop k
LP
④ 管网规模
kLP Set/km
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
0
m=3
100 144 256 324
361 H=400
50
100
150
200
250
300
1
0.5
0
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Loop Density H/B
③ 管段平均长度
Valve Density on Loop k
LP
Valve Density on Loop k
LP
4
3
H/B=0.15
2
m=1~6
1
0
0.5
1
1.5
源自文库
Section Average Lenth L (km)
Z
BT m
实际产生ZE个m级管段组,所以m级 管段组组数少:
Z Z ZE
Ri / m
①规则减阀数
完全规则配置相对于理论配置的干管减阀数
Jmm1Bm T
(B-T)是干管数
②孤立管段组减阀数
n
JR Ri 1 i1
余阀
出现管段组中可取消的无隔离作用的阀门, 称为余阀
出现包含环的管段组。在进行规则配置时, 某个 m级(m≥3)管段组存在h个环时, 可以看为是从组内恰有m+h-1个阀门的理 论配置开始,取消(m-1)个阀门,形成 规则配置;
有 J ´-(B´+ H ´-1)=J-(B+H-1) =0
J ´ = B´+ H ´-1
b)B´=B+1,H ´=H+1, 需用J ´ =J+2个阀门将各管段隔离
J ´-(B´+ H ´-1) =(J+2)-[(B+1)+(H+1)-1]
有 J ´-(B´+ H ´-1)=J-(B+H-1)
=0 J ´ = B´+ H ´-1 定理得证||

JZ (m 1 ) Z (m 1 ) Σ R i/m ( 4 1 ) (3 1 1 1 1 1 1 )/4 6
总减阀数
J m J m J R J Z
管网配置阀门数
Jm=42-(24+0+2-6)=22
Jm /J2/2 4 2 0 .52
管网m级规则配置方法
0.5
枝状管网
0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Arangment Level
Valve Density k set/km
② 管网环密度
考察方环形管网,有同样大小的敷设面积但有不同的环密度(H/B)
2.5
2
配置级别m=1到m=6
1.5
Valve Density k LP
“理论配置”模式 :阀门按逐管段隔离原 则配置
理论配置可以实现逐管段用阀门将故障管 段有效地从管网的其他部分隔离
理论配置
理论配置模式的数量表达式
fv=nv-1
(1)
fv——管网节点在相关管段上设置的阀门数;
nv——节点的度数(图论概念),
即与节点相连的管段数
对管网支管端点:
fv=nv
(1a)
经验的方式 只注意到影响阀门配置的单一
因素 缺乏明确的拓扑规则
燃气管网的阀门配置原则 阀门配置定理 阀门规则配置模式 规则配置阀门计数公式 阀门配置公式 燃气管网阀门配置方法
1. 燃气管网的管段与阀门
定义:燃气管网的管段定义为管径、 材质不变以及其上无分流或合流的一 段管道。这是严格定义的管段概念
LR km
⑤ 配置级别
配置级别愈多,阀门密度愈小 1、2级之间相差较大,但在4级以后这种变
化即不显著
4. 燃气管网阀门的现行配置
kLP
4 3.5
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
ΣL km
5. 结论
① 燃气管网阀门理论配置定理是解决燃气管 网阀门配置问题的科学基础。
定义:限定其上无分流或合流的一段 管道,这是管段的宽泛定义
“水力计算管段”的定义 忽略管段被细分的情况 :配气支管用 于分配途泄流量
支管、支阀、端阀
支管:只有一根管段的枝形管道 支阀:支管连向干管的阀门 端阀:支管端点的阀门
2. 阀门的理论配置与理论配置定理
“逐管段隔离原则” :管网的任一管段发生 故障时,都能用与其相关的阀门将其与管 网的其他部分隔离
J=B+H-1

J-(B+H-1)=0
考察管段数为B´=B+1,环数为H ´, 需要阀门数为J ´的情况。
对管网增加一根管段, 即管段数B´=B+1的型式只有a),b) 两类
a)B´=B+1,H ´=H+0, 需用J ´=J+1个阀门将各管段隔离
J ´-(B´+ H ´-1) =(J+1)-[(B+1)+(H+0)-1]
③由此,该管段组(管网)理论配置的阀门数为:
区域隔离配置的设计指标,例如按(1~2 万户/区域)配置阀门
阀门密度=0.5~1.0个/km作为配置指标
c.高压燃气阀门及阀门井综合单价
Cost Yuan
4
x 10 18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
4050 80 100 150 200 250 300
400
Pipe Diameter mm
d.阀门配置方式的共同不足点
分为3步进行 : -全管网进行理论配置
-对干管,取消管段组内(m-1)个阀门
-取消余阀 ,取消孤立管段组内阀门
例:管网(B=67, H=14,T=18)
(支管全设支阀)
不同级别的阀门配置
配置级别m
J
ΔJm δJm ΔJm+δJm Jm Jm/ J
2 4 8 16
80 80 80 80
24 36 42 45
级别不大于4级(m≤4),一般余阀数为 0。
规则配置改进为完全规则配置
调整某些节点的阀门在管段上的位置 调整管段组划分 变为完全规则配置,可减少阀门
比较:(充分的)完全规则配置
JZ 0, JRR 13-12,Jm ( 12)
Jm 4 2 2 4 2 ( 12 ) 1 ( 1 5 ) 4
4.阀门规则配置公式
由阀门密度定义,按配置阀门计数公式,
忽略 J m J R
得到阀门密度与相应配置级别的关系:
BT H1
kLP
m BL
阀门规则配置级别
1 T
m
k LP L
B H 1
B
配置级别m的适用指标值
它可用于指导实际的管网阀门配置设计
5.规则配置的各因素分析 ① 管网形状
1.5
1
方形环网 长形环网
002
6
24 36 44 51
56 44 36 29
0.70 0.55 0.45 0.36
规则配置性质
① 规则配置不是唯一的,能有多种型式; ② 形成规则配置,可以按任意自然数
2,3,…,(B-T)级的数目隔离; ③ 对一个管网可以采用混合级别的
规则配置。 ④ 实际管网,一般配置成规则配置,且配置
(2)
J——某一级燃气管网阀门理论配置, 除端阀外的阀门总数
B——某一级管网管段数
H——某一级管网环数
(对管网的全部管道)
J=B+H -1=13+1-1=13 包括端阀:
JS=B+H+TE -1=13+1+6-1=19
3. 燃气管网阀门的规则配置与 阀门计数公式
从工程实际出发考虑管网阀门配置
① 采取“区域隔离原则”, 即划定一 定区域、将若干管段作为一个隔离对 象
JZ (m1)Z
(m1)ΣRi/m
阀门计数公式
包括支阀:
J 不m 包B 括 支H 阀 :1 m 1 B m T J m J R J Z
JLPJmT
包括端阀:
JSJmTE
例:
管网B=33,H=10,T=0。
进行m=4级配置,
Z=
33 4
8组
理论配置阀门数
J3 3 1-0 142
②规则配置的管网可能存在n个剩余组 ③各剩余组 i 中分别有Ri根管段 ④因而规则配置的管网有∑Ri根孤立管道
例:按3级规则配置的管网
管网: 管段数B=67,环数H =14, 支管数T =18 本管网配置了多少阀门? 下面分析此问题,进行定量的讨论
完全规则配置可以产生的管段组数 (不包括支管)
(B=m=7),J= m+H-1=7+2-1=8,
J m =6, J m =Hm=2)
─规则减阀;
─组外规则配置阀门;
─余阀
【证明】
①理论配置的管网中,两相邻管段组之 间最多只有一个相邻环,该相邻环只 属于其中一个管段组;
②对含有环的管段组,可将其与邻组的 阀门调整到该管段组外,该管段组成 为只有一个管段组的管网;
⑤ 配置阀门的注意点
配置的优先原则:对一节点各相关管段, 优先在较小管径的管段上设阀门;
使管段组尽量靠近为一小区进行阀门配置, 以便于管理;
可对实际的配置方案作若干调整,以接近 充分的完全规则配置。
阀门理论配置定理证明
用数学归纳法。对2根管段(B=2,H=0) 的管网系统,需用1个阀门与另1管段隔离
4
3
H/B=0.3
2
m=1~6
1
0
0.5
1
1.5
Section Average Lenth L (km)
Valve Density on Loop k
LP
4
3
H/B=0.2
2
m=1~6
1
0
0.5
1
1.5
Section Average Lenth L (km)
4
3
H/B=0.4
m=1~6
2
1
0
0.5
1

Jmm1Bm T
Jm41343024
②,③
JR R i1
有7个小于m的孤立管段组 (管段旁伴有虚线) 有一个m=3的管段组减阀2个∴
ΔJR =2
余阀数为0 Jm 0
规则配置时,未实现的m级管段组数
ZmRi 942

(规则配置管段组数为ZE=6 组)
JZ(m 1) Z = (4-1)× 2=6
② 阀门有较高的故障率
③ 截断阀出现故障,其影响范围将会是 隔离管段数影响范围的两倍
阀门规则配置
-从理论配置模式出发 -对干管减少截断阀,变为“每m根管段
隔离” 形成区域隔离(称为m级配置) -保留支阀
完全规则配置(1) m=3
完全规则配置(2) m=3
规则配置 m=3
孤立组
①组中管段数少于级数m的管段组称为 孤立组
关于余阀的引理
定义:对管段组中的环,取消其上余阀 后,成为无阀门的环,称为通环。
由通环定义可知,对一个管段组,余阀 与通环是一个对应。
对实际管网,阀门配置级别高于3级时, 有可能出现包含环的管段组。
在进行规则配置时, 某个 m级(m≥3)管段组存在h个环时, 可以看为是从组内恰有m+h-1个 阀门的理论配置开始, 取消(m-1)个阀门, 按管段组的定义,组内无需阀门, 此时必定仍有h个阀门可以取消, 此仍可取消的阀即为余阀, 管段组中的环即为通环。参见图3。
J=B+H-1=2+0-1=1
对3根管段的管网有两种型式a),b)
a)B=3,H=0,需用2个阀门将各管段 隔离:
J=B+H-1=3+0-1=2 b)B=3,H=1,需用3个阀门将各管
段隔离:
J=B+H-1=3+1-1=3
若对管段数为B,环数为H,为使每一 管段都可与整个管网隔离,需要的阀 门数为J,且符合定理的计算,有:
② 规则配置方法及其阀门配置公式可作为工 程设计原理及实用方法。
③ 区别对待不同规模的管网,按设定的管网 管段平均长度L,管网的结构特征(H-1)
/B、T /B,考虑采用的经济性的阀门密度kLP,
可得到应采用的相应配置级别m的适用指 标值。
④ 从规则配置可以看到,阀门故障一般会影 响到2m根管段。因此规则配置级别不能太 大。
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