燃氣管網(wǎng)水力計算程序的開發(fā)

摘 要

通過對燃氣管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的研究，開發(fā)了基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的可視化燃氣管網(wǎng)水力計算程序。通過實例證明，計算程序應(yīng)用方便，通用性強，可以大幅提高燃氣管網(wǎng)水力計算的效率。
摘要：通過對燃氣管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的研究，開發(fā)了基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的可視化燃氣管網(wǎng)水力計算程序。通過實例證明，計算程序應(yīng)用方便，通用性強，可以大幅提高燃氣管網(wǎng)水力計算的效率。
關(guān)鍵詞：燃氣管網(wǎng)；水力計算；Auto CAD接口；節(jié)點自動編號；點捕捉；線捕捉
Development of Hydraulic Calculation Program for Gas Network
ZHANG Ning，TIAN Guansan，LI Chengle，XIE Donglai
Abstract：Through the analysis of topology structure of gas network，a visual hydraulic calculation program for gas network based on object-oriented technology is developed.A case shows that the calculation program can be applied conveniently and has considerable generality，and it can greatly improve the hydraulic calculation efficiency of gas network.
Key words：gas network；hydraulic calculation；Auto CAD interface；automatic numbering of nodes；point snapping；line snapping
    目前我國面臨能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，越來越多的居民使用熱效率高、清潔環(huán)保的管輸天然氣。隨著西氣東輸、川氣東送、沿海LNG等項目的開展，天然氣輸配工程在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中將占據(jù)越來越重要的地位。燃氣管網(wǎng)水力計算是進行管網(wǎng)設(shè)計和運行的理論基礎(chǔ)，是順利完成輸配任務(wù)的保證。計算機應(yīng)用技術(shù)的普及促使水力計算程序代替了傳統(tǒng)的手工平差計算。目前大多基于Windows界面利用可視化語言研制計算程序，在對話框中以表格的形式進行數(shù)據(jù)的輸入、輸出，盡管計算用時和精度與手工平差相比有了很大的進步，但是水力計算圖的拓撲結(jié)構(gòu)全部抽象為數(shù)字表達，沒有根本改變與管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖相分離的問題，設(shè)計人員在實際操作中很容易出錯[1]。也有利用Auto CAD的Auto LISP、VBA等二次開發(fā)技術(shù)編寫程序，在Auto CAD平臺下進行水力計算，雖然可以方便地在圖形界面下進行水力計算圖的輸入和輸出，但是其在數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計算方面還有欠缺，功能比較單[2～4]。針對目前天然氣管網(wǎng)水力計算現(xiàn)狀，有必要開發(fā)計算精度高、通用性強、自動化程度高的可視化燃氣管網(wǎng)水力計算軟件。
1 燃氣管網(wǎng)水力計算程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計
    燃氣管網(wǎng)水力計算程序利用Visual C++和Fortran混合編程技術(shù)，基于Visual C++強大的圖形處理能力和人機交互功能，開發(fā)了用戶操作窗口，并結(jié)合Fortran強大的數(shù)值運算功能，研制了水力計算內(nèi)核，程序在Windows操作環(huán)境下運行，用戶操作方便、快捷。
1.1 程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是各種管網(wǎng)數(shù)據(jù)在記錄中的邏輯編排方式和數(shù)據(jù)文件的組織方法，反映了管網(wǎng)數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系。燃氣管網(wǎng)水力計算系統(tǒng)采用數(shù)組和鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。燃氣管網(wǎng)的屬性數(shù)據(jù)(包括管段號、起點號和坐標、終點號和坐標、管長、管徑、管材、管段流量等管段數(shù)據(jù)，節(jié)點號和坐標、節(jié)點流量、節(jié)點壓力等節(jié)點參數(shù))采用數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以方便、條理清楚地儲存和調(diào)用管網(wǎng)數(shù)據(jù)。管網(wǎng)的圖形數(shù)據(jù)(包括管段、節(jié)點、環(huán)的拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系)采用雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一條管段作為一個鏈節(jié)按繪制順序分布在鏈表中，可以方便地進行管段的截斷、刪除、添加等操作，通過管段鏈表的依次搜索，實現(xiàn)對管段和節(jié)點迅速、準確地編號和查找。
1.2 程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計
    燃氣管網(wǎng)水力計算程序的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。用戶通過系統(tǒng)界面上的選單欄、工具欄、單文檔界面客戶區(qū)等對系統(tǒng)進行操作，操作的執(zhí)行者為主框架類、視圖類和其他對話框類，完成燃氣管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的人機對話輸入，進行管網(wǎng)水力計算后，計算的結(jié)果通過文檔類保存至Access數(shù)據(jù)庫或打印輸出，相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存在磁盤中，以方便下次查閱。
 

1.3 程序的功能模塊設(shè)計
    燃氣管網(wǎng)水力計算程序的功能模塊見圖2。管網(wǎng)輸入和管網(wǎng)組件模塊用來輸入管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和管網(wǎng)計算參數(shù)，管網(wǎng)編輯和觀察模塊方便管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變更和動態(tài)觀察，管網(wǎng)計算模塊根據(jù)計算參數(shù)對低壓或者高中壓燃氣管網(wǎng)進行水力計算，管網(wǎng)標注和計算結(jié)果模塊讀取計算結(jié)果并標注在水力計算圖上，最后通過Auto CAD自動輸出計算結(jié)果圖。
 
 
2 燃氣管網(wǎng)水力計算程序的功能介紹
2.1 計算數(shù)據(jù)的輸入
程序首先根據(jù)用戶選擇的管網(wǎng)壓力級別進入相應(yīng)的程序模塊。在可視化界面由用戶利用鼠標繪制管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，在用戶點擊鼠標確定起點后，會有一條隨鼠標移動可自由伸縮的“橡皮線”幫助定位，當再次點擊鼠標確定，就繪制了連接兩點的管道，同時在管道中間繪制從起點到終點的流向三角形，在管段鏈表中建立一個鏈節(jié)，狀態(tài)欄中實時顯示鼠標當前位置的橫、縱坐標以方便用戶精確繪圖。在繪制管道的同時，為了水力計算的需要，程序自動對節(jié)點進行編號[5]。正交繪制功能可以輔助用戶繪制水平或豎直管道。針對由Auto CAD繪制的大型或特大型管網(wǎng)圖中管段特別多、輸入管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖工作量大的特點，程序利用Auto CAD的DXF文件作為數(shù)據(jù)接口，可以根據(jù)選擇的圖層、線寬、線型、顏色等管段屬性信息選擇性地自動導入管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖。
    定義以管道為中心線且平行于管道的小面積矩形為線捕捉區(qū)域，以節(jié)點為圓心的小面積圓形為點捕捉區(qū)域，鼠標在上述區(qū)域內(nèi)雙擊會分別彈出節(jié)點屬性和管段屬性對話框帕J，見圖3、4，為相應(yīng)的節(jié)點輸入流量或壓力，為相應(yīng)的管段輸入管長、管徑、管材。對于多氣源管網(wǎng)還需輸入氣源屬性，程序通過節(jié)點編號重排使得壓力基準點編號最大，定壓點隨基準點居后編排，便于節(jié)點方程組的求解。點捕捉和線捕捉技術(shù)實現(xiàn)了管網(wǎng)圖和數(shù)據(jù)的緊密結(jié)合，更加直觀、形象，輸入大量管段和節(jié)點參數(shù)時，很大程度上減少了輸入的差錯，提高了效率。
 

    程序具有窗口放大、縮小和平移等管網(wǎng)觀察功能，用戶滾動鼠標的滾輪實現(xiàn)管網(wǎng)的無級縮放，按下鼠標左鍵拖動鼠標就可方便地實現(xiàn)管網(wǎng)圖的平移。為實現(xiàn)某一節(jié)點或管段在管網(wǎng)中的迅速定位，在管段和節(jié)點查詢對話框中輸入其編號，程序即可將其移至屏幕的中心。
2.2 燃氣管網(wǎng)水力計算
    燃氣是多種氣體的混合物，程序可以根據(jù)其組成和溫度計算密度和運動黏度，見圖5。在進行水力計算時，需要輸入管網(wǎng)的水力計算參數(shù)，見圖6。各個參數(shù)說明如下：已知壓力參考點的編號和壓力值，其他節(jié)點的壓力以壓力參考點為基準，通過管段壓力降計算得出。節(jié)點流量比例系數(shù)是各個節(jié)點如圖3所示輸入的節(jié)點流量和計算時節(jié)點流量的比值，一般情況下此值取1，當進行不同流量負荷下的管網(wǎng)水力計算時可以取相應(yīng)比值。局部阻力系數(shù)是局部阻力與沿程阻力的比例，用來計算管網(wǎng)壓力降。燃氣的密度和運動黏度可以通過圖5所示間接計算得到或者作為已知條件直接輸入。對于多氣源管網(wǎng)，定壓點數(shù)量和已知流量節(jié)點數(shù)量可以區(qū)分氣源點是已知壓力還是已知流量氣源點[7]。
 

    由Fortran語言編寫的水力計算程序讀取管網(wǎng)的節(jié)點和管段計算參數(shù)，采用經(jīng)濟流速和管徑得出管段初設(shè)流量，利用解節(jié)點方程法對由管段壓力降、節(jié)點流量、環(huán)能量方程組成的方程組進行多次迭代求解，直到相鄰兩次的節(jié)點流量差的絕對值滿足計算精度要求為止，并依次計算各節(jié)點壓力和流量、管段流量和壓力降等水力計算結(jié)果。該方法與解環(huán)方程法和解管段方程法相比較，數(shù)據(jù)輸入量小，計算用時少，精度高[8～9]。
2.3 計算結(jié)果的標注
    程序讀取水力計算結(jié)果，沿管段走向標注管徑、管長、管段的流量和壓力降，在節(jié)點處用引線標注流量和壓力，如果計算的管段壓力降是負值，則說明該管段的實際流向與初設(shè)流向相反，程序可以用背影色覆蓋管段原有流向三角形并重新繪制反方向流向三角形，自動修改不合適的管段初設(shè)流向。如果管網(wǎng)結(jié)構(gòu)需要變更，可以通過刪除管段、打斷管段在中間增加節(jié)點、增加管段，改變管段流向，程序同時會自動對管段的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行修改并進行計算，也能夠改變管段顏色使需要重點考察的管段更加醒目。計算結(jié)果可以隨圖形保存，方便日后查閱。
    程序還具有Auto CAD輸出接口，水力計算結(jié)果和節(jié)點坐標記錄在DAT數(shù)據(jù)文件中，利用Auto CAD中Auto LISP二次開發(fā)技術(shù)，讀取上述數(shù)據(jù)文件，自動在Auto CAD中繪制管段和節(jié)點并標注計算結(jié)果，輸出水力計算結(jié)果圖。程序同時可以根據(jù)用戶選擇的圖紙?zhí)?，自動調(diào)整其縮放比例。
3 水力計算實例
    某低壓燃氣管網(wǎng)，已知數(shù)據(jù)如下：節(jié)點數(shù)為18，管段數(shù)為18，氣源點壓力為3000Pa，局部阻力系數(shù)為0.05，管材為鋼管，管網(wǎng)計算溫度為10℃，氣體密度為0.81kg/m3，運動黏度為1.27×10-5m2/s。
    圖7為燃氣管網(wǎng)水力計算結(jié)構(gòu)，進行水力計算后在Auto CAD中自動輸出的水力計算結(jié)果標注圖見圖8。
 

4 結(jié)論
利用Visual C++開發(fā)了基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的可視化燃氣管網(wǎng)水力計算程序，利用解節(jié)點方程法對非線性節(jié)點方程組進行迭代求解，實現(xiàn)了管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖的鼠標輸入和Auto CAD圖紙自動導入，管段節(jié)點自動編號，人機對話輸入管段和節(jié)點參數(shù)；針對管網(wǎng)變更所造成的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，程序具有刪除、添加、打斷、改變顏色、流向等管段編輯功能；水力計算結(jié)果圖可隨隨Auto CAD自動輸出，真正實現(xiàn)了管網(wǎng)輸入與拓撲結(jié)構(gòu)圖的緊密結(jié)合，提高了燃氣管網(wǎng)水力計算的效率和自動化水平。
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(本文作者：張寧1 田貫三2 李成樂3 解東來1 1.華南理工大學 化學與化工學院 廣東廣州 510640；2.山東建筑大學 熱能工程學院 山東濟南 250101；3.北京航天愛銳科技有限責任公司 北京 100176)