【精品】燃气管网水力计算数学模型及水力计算程序的编制
城市燃气输配燃气管网水力计算
P＝P( x, )
＝ ( x, )
＝ ( x, )
解决问题的思路：
为了求得P、ρ及W必须借助于三个方程：
运动方程
连续性方程
状态方程
两点说明：
管道内燃气的流动为一维流动；
管道内燃气的流动为等温流动。
（一）、运动方程
物体动量的改变等于作用于该流体上所有力的冲量之和
dI N i d
燃气管道阻力损失计算图表
计算示例 附加压头 局部阻力
一、低压燃气管道水力计算公式
P
Q0 T 1.13 10 0 4 L d T0
10
层流区(Re<2100)： 临界区(Re=2100~3500) 紊流区(Re>3500)
4 2 11 . 8 Q 7 10 d Q P T 0 0 1.88 106 1 23.0Q 1 105 d d 5 0 T L 0 0
2 L 3； Q 16 T Z d 管道内径， m ； ρ -----燃气的密度， kg/Nm 0 0 PdP 5 0 P0 dx 2 P 0 1 T Z 2 d 0 0 P 标准大气压，P =101325 Pa； T 燃气绝对温度，K； P2
0
1
T0燃气标准状态绝对温度，T0=273K；Z压缩系数，K； Z0标准状态下的压缩系数； L 管道长度，m；
i
I
Ni d
—微小体积燃气动量的向量 —作用力冲量的向量
1、动量的变化
动量随时间的变化：
指气体微元Fdx，由于在dτ时间内过程的不稳定所发生的改 变量，可表示为：
[( Fdx )W ] ( W ) d Fdxd
燃气输配技术燃气管网的水力计算教材
QN
Q1=0 L (a) Q1
Q2
QN L (b) Q1 QN L (c)
Q2=0
Q2
图5-9 燃气管道的计算流量 图5— 9 燃气管道的计算流量
（a）只有转输流量的管段；（b）只有途泄流量的管段； （c）有途泄流量和转输流量的管段
二、变流量低压分配管段计算流量的 确定
1.途泄流量Q1的确定 2.变负荷管段的计算流量的确定
一、燃气分配量为QN；沿程输出的 流量
流经管段，由始端送 至末端，始终恒定不 变的流量
转输流量Q2
按照所具有的途泄流量和转输流量不 同，燃气分配管道可分为以下几类： 1.只有转输流量的管段 （沿程流量 不变） 2.只有途泄流量的管段 （沿程流量 变化） 3.既有途泄流量又有转输流量的管段 （沿程流量变化）
注 意 修 正
4 6 8106 Q（m3 /h）
图5 2 人工干燃气高、中压钢管水力计算图 ρ 0=1kg/m 3 γ 0=25×10 m 2 /s
-6
三、低压燃气管网压力降及压力降分配 在计算低压燃气管网时，需要控制管 道的阻力损失，低压燃气管网压力降分 配应根据经济技术条件确定，详见第六 章。
5.确定各管段中的燃气流向，气流方向总是流离 供气点，不应逆向； 6.计算管网各管段的途泄流量、转输流量和计算 流量； 7.由已知的管网计算压力降和供气点至零点的管 道长度，求得单位长度沿程阻力平均压力降 ，选 择各管段的管径。 8.进行校正计算（即水力平差计算），使所有封 闭环网压力降的代数和等于零或接近于零， 直至 达到工程允许的误差范围。
ΔH=10×（ρk－ρm）×h 附加压力计算结果可正、可负， 当附加压力为正值时，有助于燃气流 动。而当附加压力为负值时，阻碍燃 气流动。
城市燃气课件第六章燃气管网水力计算
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定管网的运行状态。
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05
CATALOGUE
燃气管网水力计算案例分析
案例一：某城市燃气输配管网的水力计算
总结词
复杂管网模型、多种气源、多级压力
详细描述
该案例针对某城市的燃气输配管网，建立了复杂的水力计算模型，考虑了多种 气源和多级压力的情况，通过计算和分析，确定了管网的输送能力和压力分布 。
案例二：某大型工业园区燃气管网的水力计算
目的
确保管网正常运行，优化燃气分 配，降低运营成本，预防潜在问 题。
计算原理
01
02
03
流体动力学原理
依据流体动力学的基本原 理，分析燃气在管网中的 流动状态和规律。
质量守恒定律
确保管网中燃气质量守恒 ，即流入和流出的燃气量 相等。
能量守恒定律
根据能量守恒定律，分析 燃气在管网中压力和流速 的变化。
混合模型的局限性
模型建立较为复杂，需要具备丰富 的专业知识和经验，同时对于某些 特定场景的适用性仍需进一步验证 。
03
CATALOGUE
燃气管网水力计算方法
节点法
01
节点法是一种基于管网节点压力 平衡的算法，通过求解管网中各 节点的压力和流量，计算出管网 的流量分配和压力损失。
燃气管网水力计算
第6章 燃气管网水力计算
第一节 燃气管网设计计算
水力计算的任务
➢ 设计计算：根据计算流量（Q）和允许压力损失 （△P）计算管径（D），进而决定管网投资与金属 消耗量等
➢校核计算：对已有管道进行流量（Q）和压力损失 （△P）的验算，已充分发挥管道的输气能力，或决 定是否需要对原有管道进行改造
➢意义：关系到输配系统经济性和可靠性，是城镇 燃气规划与设计中的一项重要工作
• 转输流量：流经燃气管段，并转送给后续管段的流量 Q2称为转输流量
燃气供应
第6章 燃气管网水力计算
第一节 燃气管网设计计算
（一）燃气分配管网的供气方式
➢ 管段沿途不输出燃气，这种管段的燃气流量是不变的 Q1 ＝ 0, Q2 ≠0
➢ 由管段始端进入的燃气在途中全部供给各个用户 Q1 ≠ 0, Q2 ＝ 0
Z 压缩因子， 当燃气压力小于1.2MPa
（表压）时，取Z =1；
d 管道直径，mm
L 燃气管道的计算长度，km
燃气管道摩擦阻力系数
燃气密度，kg/m3
T 设计中所采用的燃气温度，K
T0 标准状态气体绝对温度，273.15K
燃气供应
第6章 燃气管网水力计算
第一节 燃气管网设计计算
8）由管段的压力降推算管网节点的压力：
节点压力需满足要求，管道压力降过小而不经济时，需调整管
径，重复6）、7）两步计算
燃气供应
第6章 燃气管网水力计算
第二节 室内燃气管道的设计计算
一、室内燃气管道及燃具的布置
(一)燃气用户引入管 (二)室内燃气管道 (三)燃气计量表的布置 (四)燃具的布置
燃气供应
Q1 - 途泄流量，m3 /h Q2 - 转输流量，m3 /h
燃气管网水力计算
• 燃气管网水力计算引言 • 管内燃气流动基本方程式 • 室内燃气管道计算 • 燃气分配管道计算流量的确定 • 环状管网的计算 • 计算机在管网平差计算中的应用
ห้องสมุดไป่ตู้
3.1 燃气管网水力计算引言
3.2 管内燃气流动基本方程式
• 燃气管道水力计算基本公式 • 燃气管网的沿程磨擦阻力系数 • 燃气管道水力计算图表 • 附加压头和局部阻力
燃气管道水力计算基本公式
❖ 水力计算基本公式的推导
❖ 水力计算基本公式
1.低压燃气管道
P 6.26107 Q2 T
L
d 5 T0
2.高压和中压燃气管道
P12 P22 L
1.27 1010
Q2 d5
T Z
T0
燃气管网的沿程磨擦阻力系数
• 流动状态不同，管道材质不同，磨擦阻力系 数计算公式不一样。详P378~379.
管网水力计算的目的
环状管网的计算方程
环状管网的计算步骤
• 环状管网的计算步骤概述 • 环状管网的具体计算步骤 • 燃气管网设计的主要步骤 • 管段流量的设定方法
环状管网的计算步骤概述
环状管网水力计算步骤
1.参照管网平面布置图绘制管网水力计算用草图； 2.编环号、节点号、标注管段长度，确定集中负荷 用户的位置； 3.已知用户用气量和已定管网布置图的基础上，计 算整个供气范围内集中负荷的用气量和单位长度 的途泄流量； 4.定零点，选择零点时应使从供气点到用户的燃气 流经的距离为最短。且自供气点流经各管段至零 点的水力半径基本相等；
途泄流量、转输流量和计算流量
节点流量和计算流量
燃气分配管道途泄流量的确定
（1）在供气范围内按不同居民人口密度划
城镇燃气管网的水力计算
·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）：5210222110271T T ρd Q λ.L P P ×=− （1）对低压管道（定性压力小于5kPa ）：5271026.6T 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。
第六章燃气管网的水力计算
第六章燃气管网的水力计算第一节管道内燃气流动的基本方程式我们先看以下燃气管道计算的不稳定流动方程。
一、不稳定流动方程式燃气是可压缩流体，一般情况下管道内燃气的流动是不稳定流，管道内燃气的压力和流量在流动过程中都会发生变化，除此之外，随着管道内沿程压力的下降燃气的密度也在减小，而管道内燃气的温度可以认为是不变的，其温度等于管道周围土壤的温度。
这样，决定燃气流动状态的参数为：压力P，流速w和密度ρ，他们均随燃气流动的距离和时间而变化。
是距离L和时间τ的函数，即为了求得燃气流动的状态参数P，w和ρ，必须借助于运动方程，连续性方程和状态方程三个方程。
对管道内的燃气列出运动方程和连续性方程，再将其与状态方程组合，可以得到求解管道内燃气流动的基本方程式：其中α指的是燃气管道对水平面的倾斜角。
λ为摩阻系数，d是燃气管道的内径。
从理论上讲，该式可用来求解在燃气管道中任意断面x和任一时间τ的气流参数P，ρ和流速w，但实际上这一组非线性偏微分方程组很难求解析解，在工程上常可忽略某些对计算结果影响不大的项，并对该方程组进行线性简化，可求得近似解。
到简化后的方程组为：其中c为声速上式即为简化后的燃气管道不稳定流动方程组，但在实际生产和生活中，该方程的应用并不多，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到上面的不稳定流进行计算外，设计城市燃气管道时燃气流动的不稳定性可以不考虑。
因此我们下面主要讲一下燃气管到计算的稳定流动方程式。
二、稳定流动方程式通常在城市燃气管网工程设计中，将某一小段时间内（如一小时或一天）的管内流动作为稳定流动，认为各运动参数P ，w 和ρ不随时间变化。
这样这三个参数对时间的偏导数都等于0，即0=∂∂τP0=∂∂τρ0=∂∂τω将他们带入不稳定流动方程组，然后进行适当简化积分后可得稳定流动燃气管计算的公式：该方程可以用来计算高压和低压燃气管道。
其中P1是管道起始端管内燃气的绝对压力Pa ，P2是L 处管道内燃气的绝对压力Pa ， λ为摩阻系数，Q 0为燃气管道的计算流量Nm 3/s ， d 是管道内径m ，0ρ为燃气的密度kg/Nm 3P 0为标准大气压，P 0=101325Pa ，T 为燃气的温度K ，T 0为标准状态温度，T 0=273.16KZ 是燃气在管内所处温度压力下的压缩因子，Z 0是燃气在标准状态下的压缩因子， 将该式用于计算低压燃气管道压降时可以进行简化，P m 为管道起始端和末端压力的算数平均值，，低压管道本身压力很低，可以认为0P P m ≈，带入稳定流动计算公式可得：若考虑城市燃气管道的压力一般在1.6MPa 以下，此时可认为10=≈Z Z ，并将公式中的各参数采用工程中常用的单位，P 的单位用kPa ，L 的单位采用km ，流量的单位采用Nm 3/h ，管道内径d 的单位采用mm ，则第三部分我们看一下计算公式中的摩阻系数λ 三、燃气管道的摩擦阻力系数简称摩阻系数，是反映管内燃气流动摩擦阻力的一个无因次系数，与燃气在管道内 的流动状况、管道材质、管道的连接方法及安装质量、燃气的性质等因素有关，是雷诺数Re 和相对粗糙度d∆的函数。
城市燃气输配_燃气管网水力计算
（c）根据每个街区的燃气计算流量和燃气管道的长度，计
算管道单位长度向该街区供应的途泄流量。
q Q1 L
qA
L12
L23
QA L34 L45
L56
L61
qB
QB L12 L211
qC
L211
QC L23
L37
B C
A
F
D
E
（d）求管段的途泄流量
①管段的途泄流量等于单位长度途泄流量乘以该管段的长 度。 ②若管段是两个小区的公共管道，需同时向两侧供气时， 其途泄流量应为两侧的单位长度途泄流量之和乘以管长。
0.81
Q02 d5
0
T T0
Z Z0
L
若采用习惯的常用单位，并考虑城市燃气管道的压力一般在 4.0Mpa以下，故可以取Z=Z0=1，则高、中压及低压燃气 管道的计算公式，又可分别表示为：
高、中压燃气管道：
P12
P22 L
1.27 1010 Q02
d5
0
T T0
低压燃气管道：
P1
P2 L
3.计算步骤
对如图所示 的小区，计 算步骤如下 ：
B C
A
F
D
E
管段途泄流量的计算过程
B C
A
（a）在供气范围内，按不同的居
F
D
E
民人口密度或道路和建筑物的布局划分街区A、B～F。
（b）分别计算各个街区居民用气量及小型公共建筑年用气 量、小时计算流量，并按照用气量的分布情况布置配气管 道1-2、2-3……
对于管段AB，途泄流量 为Q1，转输流量为Q2 管道起点A处，流量为 转输流量与途泄流量之 和； 管道终点B处，流量仅 为Q2。
燃气管网水力计算的数学建模与算法设计
大连理工大学硕士学位论文燃气管网水力计算的数学建模与算法设计姓名：张文慧申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：江贺20050612大连理工大学硕士学位论文摘要燃气管网水力分析在城市燃气管网的设计、改造、扩建和运行管理中起着十分重要的作用。
尤其在燃气管网的设计过程中，燃气管网的水力计算是最重要的环节。
因此，正确进行水力计算对整个城市燃气管网的设计尤为重要。
长期以来，燃气管网的水力计算沿用的是传统的平差手算方法，它需要假设初始流量和管径，并需要进行多次校正，在多气源情况下还需要增设虚环。
这种方法要求不断重复繁琐、复杂的手工计算，不仅延长了设计周期，而且极易出错。
尤其是多气源多环的大型管网，计算一种工况就需要一周的时间，而且只能计算～两种情况，同时管径的选择趋于保守，且取值～般偏大，在一定程度上增加了工程投资。
本文在总结前人成果的基础上，首先应用图论的方法分析管网的结构，用矩阵的方法描述管网的各个属性间的关系；其次通过分析水力计算的公式找到管臃属性的接述方式；最后是进行了计算程序的编制，并应用编制的计算程序，对三种不同工作状态下的燃气管网进行的试算，结果满足了各项管网属性及精度的要求。
利用此计算程序可以合理地选取燃气管网的管径；可以从管网结构不同的几个方案中选取水力工况优的方案；可以模拟管网系统中可能出现的事故时管网中各节点的压力和流量的变化，从而合理增大供气系数，并预估管网系统改造对整个系统的影响。
本文的工作对于加快燃气管网的水力计算具有一定的促进作用。
同时，利用计算机自动实现燃气管网的水力计算对于类似的工程计算具有～定的参考价值。
关键词：燃气管网：水力计算；数学建模；算法分析燃气管阿水力计算的数学建模与算法设计ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｄｅｓｉｇｎｏｆｇａｓｎｅｔｗｏｒｋｈｙｄｒａｕｌｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｎｅｔｗｏｒｋｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｐｉｐｅｎｅｔｗｏｒｋｄｅｓｉｇｎ，ｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒ０１．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇａｓｐｉｐｅ／ｉｎｅｉｓｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｓｉｇｎ，Ｓｏ，ｉｔｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｔｅｎｔｆｏｒｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｃｉｔｙｔｏａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃｏｍｐｕｔｅ．ｎｌｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｎｅｔｗｏｒｋｇｏｔｕｓｅｄｔｏｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｅｔｈｏｄｓ．Ｓｕｃｈｏｌｄｗａｙｎｅｅｄｓｔｈｅｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓｏｆｉｎｉｔｉａｌｆｌｏｗａｎｄｐｉｐｅｓｉｚｅ，ａｎｄｎｅｅｄｓｔｏｃｏｒｒｅｃｔｆｏｒｍａｎｙｔｉｍｅｓ．ＳｕｃｈａｄｄｉｔｉｏｎａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｎｏｔｏｎｌｙｐｏｓｔｐｏｎｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｄｕｒａｔｉｏｎａｎｄｉｓｐｒｏｎｅｔｏｆａｉｌｕｒｅｓＦｏｒｌａｒｇｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｗｉｔｈｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅａｎｄｍｕｌｔｉ—ｃｙｃｌｅ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｎｅｅｄｓｍｏｒｅｔｈａｎｏｎｅｗｅｅｋ，ａｎｄｃａｎｏｎｌｙｃｏｍｐｕｔｅｆｏｒｏｎｅｏｒｔｗｏｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＡｔｔｈｅＳａｉＴｌｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｐｉｐｅｓｉｚｅｉｓｌｉｍｉｔｅｄａｎｄｌａｒｇｅｒｔｈａｎｎｏｒｍａｌ，ａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｐｐｌｉｅｓｔｈｅｇｒａｐｈｔｈｅｏｒｙｔｏａｎａｎｙｌｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ａｎｄｍａｔｒｉｘｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｎｄｓｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｗａｙｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｐｒｏｐｅｒｔｙｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｇｒａｍｓｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｃｏｄｅｓ，ａｎｄｔｒｉｅｓｔｏｃｏｍｐｕｔｅｏｆ３ｋｉｎｄｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｎｅｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｉｚｅｃｏｕｌｄｂｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃｈｏｓｅｎ．ａｂｅｒｅｔｓｏｌｕｔｉｏｎｃｏｕｌｄｂｅｆｏｕｎｄｆｒｏｍｓｅｖｅｒａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｉｓｐｒｏｇｒａｍｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｓｓｉｂｌｅａｃｃｉｄｅｎｔｓｉｎｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｓｈｏｗｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｆｌｏｗｉｎｅｖｅｒｙｎｏｄｅｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｆｌｏｗｒａｔｉｏＡｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇｏｎｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍＣａｌｌｂｅａｎｔｉｃｉｐａｔｅｄ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｈａｖｅｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｎｅｔｗｏｒｋｈｙｄｒａｕｆｉｃｃａｃｕｌａｆｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｕｓｉｎｇｃｏｍｐｕｔｅｒｃａｃｕｌａｔｅｎｅｔｗｏｒｋａｕｔｏｍａｆｉｃｌｙａｌｓｏｇｉｖｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｆｏｔｈｅｒｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔ’ｓｃａｃｕｌａｔｉｏｎ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＧａｓＮｅｔｗｏｒｋ；ＨｙｄｒａｕｌｉｃＣａｃｕｌａｔｉｏｎ；ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇ；ＡｌｇｏｒｉｔｈｍＤｅｓｉｇｎＩＩ—独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
04-城市燃气-燃气管网的水力计算
KQN
1.75
( 2n 1) 2 L 1 0.88x 0.11 x n
P0 — 标准大气压, Pa
λ — 燃气管道的摩擦阻力系 数
Q0 — 燃气管道的计算流量, Nm3/s D — 燃气管道的内径, m 0 — 燃气的标态密度, kg/Nm3
T — 燃气的绝对温度, K T0 — 标准状态下的绝对温度 ,K Z — 压缩因子 Z0 — 标准状态下的压缩因子 L — 燃气管道的计算长度, m
3 3、绘制图表时， ρ 1kg/Nm ; 0
6、对于低压管道, 纵坐标为 P/L
2 P12 P2 7、 对 于 高 、 中 压 管 道 ,纵 坐 标 为 L
(Pa/m);
2 [(kPa) /m];
8、绘制图表时，取钢管绝 对粗糙度 0.0002 m;
9、对于密度不是1k g/Nm3燃气，可以通过图中密 度 校正尺来修改 。
2
H 2
ρ — 燃气的密度，kg/N m 3；
1
H 1
2、局部阻力
• 计算公式：
p
W2
2
–局部阻力ζ 由实验
方法确定
–根据不同流通断面
的几何参数，通过
相关的计算图表计
算局部阻力ζ .
• 局部阻力系数一般用实验方法确定，实验时先测 出管道中管件、部件或设备等前后的全压差(即局 部阻力），除以与特征速度相应的动压，求得局 部阻力系数值。 • 实际工程中，管件、部件或设备处的局部阻力系 数只取决于管件部件或设备流动通道的几何参数。 • 即使是相同名称的管件、部件，不同的流体管网， 其几何参数的差异也会对局部阻力系数的值造成 影响，因此也很难用统一的图表计算各种管网的 局部阻力。
5.第六章 燃气管网水力计算
• 3）严禁安装在下列场所：卧室、卫生间及更衣室内；设 备的管道井内，或有可能滞留泄漏燃气的隐蔽场所；环境 温度高于45℃的地方；经常潮湿的地方，堆放易燃易爆、 易腐蚀或有放射性物质等危险的地方；有变、配电等电气 设备的地方；有明显振动影响的地方；高层建筑中的避难 层及安全疏散楼梯间内。
第六章 燃气管网水力计算
燃气管道水力计算的任务
根据计算流量和规定压力损失来计算管径，进而决定管 道投资与金属消耗；
对已有管道进行流量和压力损失的验算，以充分发挥管 道的输气能力，或决定是否需要对原有管道进行改造 。
等温稳定流动决定燃气流动状况的参数为：压力p、密度ρ和流速w
• 燃气水力计算公式
不稳定流动方程 dp w2
• 枝状管网的水力计算
（1）对管网的节点和管段编号 （2）根据管线图和用气情况，确定管网各管段的计算流量。 （3）根据给定的允许压力降及由于高程差而造成的附加压头，
确定管线单位长度的允许压力降。 （4）根据管段的计算流量及单位长度允许压力降选择管径。 （5）根据所选定的标准管径，求沿程压力降和局部压力降，
部阻力通常取沿程损失的5%—10%），求得单位长度允许压 力降，根据流量和单位长度允许压力降即可选择管径。 6）由选定的管径，计算各管道的实际压力降以及每环的闭合 差，通常初步计算结果管网各环的压力降是不闭合的，这就 必须进行环网的水力平差计算。 7）在人工计算中，平差计算是逐次进行流量校正，使环网闭 合差渐趋工程允许的误差范围的过程。
Qnn —邻环校正流量的第一项近似值；
P Q
ns
—与邻环共用的管段的值。
• （b）高、中压管网
燃气管网的水力计算
2. 管段途泄流量的计算
B
C
(1)分区
根据供气范围内的道路与建筑
A
物布局划分为几个小区
(2)布管
计算各小区用户的用气量
F
E
D
按用气量分布情况布配气管道
第六章
17
(3)各小区管段的q
qA
QA L1234561
qB
QB L1211
(4)计算各管段的Q1
11
B
1
2C
A
3
7
5 6
F
E
4D
10
9
8
图5-10 各管段途泄流量计算图示
适用：庭院管、室内管、厂区管
第六章
12
（3）估算法
Pj (5% 10%)Py
适用：城镇燃气分配管道
第六章
13
4. 附加压头（始末端高度差大的个别管段）
P g(a g )H
天然气
式中： P ——附加压头
a , g——空气、燃气
液化石油气
的密度，kg/Nm3;
绝
空气
对 压
ΔP2
力
H ——管段终端和始
103 8 6 4
2
102 8 6 4
2 10
12
4 6 810 2
D32×3 D38×3 D45×3.5 D57×3.5 D76×4 D89×4 D108×5 D133×5 D159×6 D219×6 D273×6 D325×6 D377×6 D426×6 D478×6 D529×7 D630×7 D720×7
Q112
qB qA
L12
QB L1211
QA L1234561
L12
第四章燃气管网的水力计算(王造奇)
第四章 燃气管网的水力计算燃气管网水力计算的任务是根据燃气的计算流量和允许的压力降来确定管径；在有些情况下，已知管径和压力降，求管道的通过能力。
总之，通过水力计算，来确定管道的投资和金属耗量，及保证管网工作的可靠性。
第一节 水力计算的基本公式一、摩擦阻力 1.基本公式在通常情况下的一小段时间内，燃气管道中的燃气流动可视为稳定流。
将摩擦阻力公式、连续性方程和气体状态方程组成方程组：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===-RTZ P const wA w d dx dP ρρρλ22（4-1） 为了对摩擦阻力公式进行积分，由连续性方程得：00Q wA ρρ=由气体状态方程得：000Z PT TZP =ρρ 代入摩擦阻力公式，在管径不变的管段中24d A π=，整理得：dx Z T TZP dQ PdP 000052028ρλπ=- （4-2）假设燃气在管道中是等温流动，则λ和T 均为常数，考虑管道压力变化不太大，Z 也可视为常数。
通过积分，得高、中压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：0000520222162.1Z T TZP dQ L P P ρλ=- 4-3） 式中 P 1——燃气管道始端的绝对压力（Pa ）；P 2——燃气管道末端的绝对压力（Pa ）； P 0——标准大气压，P 0=101325Pa ； λ——燃气管道的摩擦阻力系数；Q 0——燃气管道的计算流量（Nm 3/s ） d ——管道内径（m ）；ρ0——标准状态下的燃气密度（kg/Nm 3）；T 0——标准状态下的绝对温度（273.15K ）； T ——燃气的绝对温度（K ）；Z 0——标准状态下的气体压缩因子； Z ——气体压缩因子；L ——燃气管道的计算长度（m ）对低压燃气管道，()()m P P P P P P P P 221212221⋅∆=+-=-式中 ()221P P P m +=为管道1、2断面压力的算术平均值，对低压管道，0P P m ≈，代入式（4-3），得低压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：00052081.0Z T TZdQ L P ρλ=∆ （4-4） 若采用工程中常用单位，则高、中压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：005201022211027.1T TZ dQ L P P ρλ⨯=- （4-5） 式中 Z ——气体压缩因子，当燃气压力小于1.2MPa （表压）时，Z 取1。
燃气管网的水力计算
第四章 燃气管网的水力计算燃气管网水力计算的任务是根据燃气的计算流量和允许的压力降来确定管径；在有些情况下，已知管径和压力降，求管道的通过能力。
总之，通过水力计算，来确定管道的投资和金属耗量，及保证管网工作的可靠性。
第一节 水力计算的基本公式一、摩擦阻力 1.基本公式在通常情况下的一小段时间内，燃气管道中的燃气流动可视为稳定流。
将摩擦阻力公式、连续性方程和气体状态方程组成方程组：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===-RTZ P const wA w d dx dP ρρρλ22（4-1） 为了对摩擦阻力公式进行积分，由连续性方程得：00Q wA ρρ=由气体状态方程得：000Z PT TZP =ρρ 代入摩擦阻力公式，在管径不变的管段中24d A π=，整理得：dx Z T TZP dQ PdP 000052028ρλπ=- （4-2）假设燃气在管道中是等温流动，则λ和T 均为常数，考虑管道压力变化不太大，Z 也可视为常数。
通过积分，得高、中压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：0000520222162.1Z T TZP dQ L P P ρλ=- 4-3） 式中 P 1——燃气管道始端的绝对压力（Pa ）；P 2——燃气管道末端的绝对压力（Pa ）； P 0——标准大气压，P 0=101325Pa ； λ——燃气管道的摩擦阻力系数；Q 0——燃气管道的计算流量（Nm 3/s ） d ——管道内径（m ）；ρ0——标准状态下的燃气密度（kg/Nm 3）；T 0——标准状态下的绝对温度（273.15K ）； T ——燃气的绝对温度（K ）；Z 0——标准状态下的气体压缩因子； Z ——气体压缩因子；L ——燃气管道的计算长度（m ）对低压燃气管道，()()m P P P P P P P P 221212221⋅∆=+-=-式中 ()221P P P m +=为管道1、2断面压力的算术平均值，对低压管道，0P P m ≈，代入式（4-3），得低压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：00052081.0Z T TZdQ L P ρλ=∆ （4-4） 若采用工程中常用单位，则高、中压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：005201022211027.1T TZ dQ L P P ρλ⨯=- （4-5） 式中 Z ——气体压缩因子，当燃气压力小于1.2MPa （表压）时，Z 取1。
【精品】燃气管网水力计算数学模型及水力计算程序的编制
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）；、——管道起点、终点的燃气绝对压力（Pa）；——管道计算长度（Km）；——管道计算长度（m）；——燃气的管段计算流量（）；——管道内径（cm）；S——燃气对空气的相对密度；λ——摩擦系数；——局部阻力系数，取长度阻力的10%，即=1.1；——温度产生的膨胀系数，即；——燃气的热力学温度（K）；——标准状态下的温度（273K）。
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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）；、——管道起点、终点的燃气绝对压力（Pa）；——管道计算长度(Km）；——管道计算长度（m)；——燃气的管段计算流量();—-管道内径（cm)；S—-燃气对空气的相对密度；λ——摩擦系数；—-局部阻力系数，取长度阻力的10％,即=1.1;——温度产生的膨胀系数，即；——燃气的热力学温度（K)；——标准状态下的温度（273K）。
2。
2摩擦阻力系数本计算模型采用前苏联的谢维列夫适用于不同钢管和紊流(Re>2050）的情况下不同阻力区的专用公式。
2。
3。
1对于新钢管：水利光滑区：(3）(4）阻力平方区：(5）2.3。
2对于新铸铁管：水力光滑区：(6）第二过渡区：（7）阻力平方区：（8）d——管道内径（m）；w——平均流速（m/s）；v——运动粘度；——考虑实验室和实际安装管道的条件不同的系数，=1.15;—-考虑由于接头而使阻力增加的系数，=1.18.3水力计算程序的编制本文介绍的计算程序利用VC++开发，是一个可视化水力计算程序，一切过程都在windows界面下进行.下面就简单介绍一下：3。
1原始数据的准备本程序管网图的绘制(参见图1）和原始数据的输入均利用界面直接输入，有管段参数（如图3)和节点参数（如图4)对话界面，包括节点编号,管段编号，管段起点，管段终点，管长，管径,管材，节点流量，气源点压力,其中节点编号，管段编号，管段起点及管段终点均为自动生成，剩余参数为人为输入，并且利用数据库记录，和传统的数据准备相比,直观、快捷、方便，可提高工作效率,节约时间。
界面如图3、4所示.3.2数学算法3。
2。
1有限元节点法本文中介绍的水力计算程序是采用有限元节点法进行管网水力计算。
图1管网绘制界面双击节点会弹出节点数据输入的对话框:双击管线会弹出管段数据输入的对话框:图2节点参数输入对话框图3管段参数输入对话框燃气管网进行水力计算,满足三个方程组：节点流量连续方程组Aq+Q=0;管段压力降方程组ATP=Δp;管段流量方程组q=C·Δp.（注意：在高压管网中Δp、P 均表示2次方量）由上述三式可得求解节点压力的方程组：(9)（10）式中A为由元素aij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；AT 为矩阵的转置矩阵；G为管段导纳矩阵，对于单气源管网而言，，(多气源点管网导纳矩阵的处理见下文).3。
2。
2C阵的生成公式（1)(2）均为非线性方程我们采用线性逼近的方法来解这个非线性方程。
将管段流量与管段压力的关系式改写为.然后将式中的作为已知量来处理，用来代表它的值。
因此，，即管段压降和管段流量q之间的关系由原来的非线性关系转化为线性关系。
通过不断修正的值来进行迭代求解，是方程组前后二次接出的q值逐步逼近，直到满足所要求达到的精度为止。
关系式还可以进一步改写为。
则在线性网络图中成为导纳.用C来代表管段得导纳，这样.本数学模型在低压和高压管网中的C阵中对角线元素值如下所示：低压管网中：（10)高压管网中：（11）式中——代表C阵中第j管段的C值;、——分别代表高压低压管网中管段长度;——代表管段的初设流量；其它参数同公式（1）(2）中的含义。
3.2。
3解线性方程组求解性线性方程组是利用有限元节点法进行燃气管网水力计算的关键，直接关系到水力计算的结果的精度.本文中的计算程序采用高斯——赛德尔迭代法，与传统的雅克比解法相比，可以节约内存，编程方便，并且提高收敛速度。
式（10)中，为非奇异矩阵，在高斯-—赛德尔迭代法中可做矩阵分裂：G=D-L—U上式中，设矩阵D—L非奇异，则高斯——赛德尔迭代计算式可以写为:得出高斯-—赛德尔迭代的矩阵的表示式为：3。
3有限元节点算法的计算过程计算过程：首先初设管段流量q(0），代入方程（10），求解节点压力P（1)，计算出q（1）；q（1)不满足要求进行修正，再形成方程组(10）进行逐次逼近，直到第L+1次的q（L+1）与q（L)差的绝对值满足计算精度要求为止.其具体步骤如图4所示。
图4有限元节点法计算过程4基准点的选择及导纳矩阵G的生成4。
1单气源点的处理在编号时,有可能气源点不在最大编号处，那么在编制水力计算程序时就要对原先自动生成的阵进行调行处理,即把基准点所处的行与最大编号所处的行进行对调，然后再将基准点所处的行去掉,生成A阵，再代入方程式（9）按图(4）所示的步骤进行计算.4.2多气源点的处理4.2.1基准点的选择在生产实际中燃气管网一般为多气源，例如低压管网系统中的各个区域调压站，中高压管网系统中的制气厂、储配站、调压站以及天然气门站等都属于气源性质。
在水力计算中,这些气源分为三种情况:部分气源给定流量;部分气源给定压力;也可能是全部气源给定流量或全部给定压力。
对于给定流量的一些气源点,可以把它们看作一般节点一样，只不过在给定的流量前面加上“—”号，表示在这些节点上的流量是流入网络而不是流出；若全部气源给定流量，可取其中任一气源作为基准点。
若同时有给定压流量的的气源点又有给定压力的气源，或全部气源都给定压力时，则取其中一个给定的压力的气源节点作为基准点，在其他给定压力的气源点上注上与此基准点的压力差(或压力平方差)。
若压力比基准点高,在压力差前面加上“-”号；比基准点压力低时加“+”号。
在形成节点压差线性方程组时,对于给定流量的气源节点，Q取负值；对于给定压力的气源点，用带有正号的或者负号的已知压差值来取代方程式中未知量P，此时常数项Q则成为未知量。
在解方程组时，由于未知量P的个数随着给定压力气源的已知压力差（或压力平方差）个数的增加而减少，因此需要解的方程个数只有个，其中h代表给定压力气源点（基准点除外）的个数，也就是说代表压力气源的节点压差方程可以不参加计算。
4。
2。
2导纳矩阵的生成关于给定流量的多个气源点的管网关联矩阵A的生成，与单气源点A阵的生成相同。
取其中一个气源点为基准点，若所选基准点所处行不在最大编号所处的行时，在水力计算程序中要对自动生成阵对调,使基准点所处行位于最大行处，再将基准点的行去掉，生成A阵。
即可代入方程式（9）按图(4)所示的步骤进行计算。
给定压力的多气源点（假设有h+1个给定压力的气源点）的管网的导纳矩阵的生成，是燃气管网水力计算程序编制的难点。
首先，选定基准点,按单气源管网中所叙述的方法,生成A阵，利用公式，矩阵运算后的导纳矩阵，要将除基准点以外的气源节点所处的行与矩阵中最后h行进行对调后生成导纳矩阵G。
再代入方程式(10）生成线性方程组，但此时还要对方程组进行调整才可以求解方程。
下面举例说明，假设管网为双气源点的低压管网,另一气源点a的压力比基准点b的压力高100Pa.形成的方程组如下所示:对常数项进行修正,得到如下方程组：需要修正的常数项只限于与气源节点a有关段相连的节点。
在水力计算程序当中，计算机会根据人输入的数据自动识别气源点，自动进行调行，然后进行计算。
5程序的使用步骤:第一步：管网图绘制完成后，先对管网进行初始数据的标注，然后单击图标栏中的燃气水力计算图标，就弹出如图5所示的对话框：第二步：气体参数的计算,单击气体参数按钮，弹出如图6所示对话框，输入气体组分和计算气体温度后,单击参数计算,即可得到相应的气体参数，并且程序会自动获取水力计算所需参数。
图5水力计算界面图6气体参数计算界面第三步：选择管网的压力级别，选定后请“确定”；第四步：单击水力计算按钮，程序自动读取管网数据进行水力计算。
6数据显示不管单气源还是多气源对矩阵进行调整以后，在数据输出的时候都要将其在调整回来。
对于多气源点来说，计算结果的显示是一个要重点解决的问题,在做矩阵调整的时候，要对对调的行作相应纪录，使数据按开始绘制管网图自动编号的顺序输出计算结果。
该程序可自动调整。
数据显示界面如图7所示:图7计算结果显示界面7结论本文对燃气管网水力计算数学模型及水力计算程序进行了较深的研究。
采用有限元节点法,并利用可视化编程语言实现了燃气管网水力计算的全程可视化，从原始数据准备一直到水力计算操作，一律以界面形式出现,真正的将可视化技术应用于燃气管网水力计算。
利用高斯-—赛德尔迭代法解线性方程,提高了收敛速度和计算精度,同时利用矩阵调行，可对生成的关联矩阵、导纳矩阵进行相应的调整，解决各种形式的多气源燃气管网的水力计算问题.参考文献：[1］管廷文,张鸣,李波等.燃气管网节点方程牛顿法数学模拟[J]。
煤气与热力，2003，23(8)：454-458.[2]彭继军,田贯三，刘燕。
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