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摘要：本文通过对燃气管网建立数学模型和进行分析求解，开发了计算机辅助设计系统软件GcAO，本软件适合于燃气输配管网，可以广泛应用于新建规划以及改扩建现有管网的校核工作中，具有一定的理论和应用意义。
关键词：燃气 管网 优化
中图分类号：TU996.6+2 文献标识码：A 文章编号：
1.引言
燃气管网主要由管网和调压站构成。管网又分高中压管网和低压管网。在管网路径确定后，高中压管网的管径主要取决于管网的始末端燃气压力、燃气流量;低压管网的管径主要取决于燃气流量、燃气器具的额定工作压力、一调压站的布置。优化设计的关键取决于怎样根据己知管网的网络结构、燃气系统流量分布和节点压力要求，确定各管段、管径和调压站数量和位置，使管网既能保证在任何时候将足够数量的燃气输送分配给用户、维持用气点在允许的压力范围内，又能使管网的金属消耗和投资费用最小。通过优化设计计算可以节约大量工程投资，节省大量设计时间，提高设计效率，所以开发这方面的计算机优化设计系统软件既有良好的推广前景，又有重大的社会效益和经济效益。
2燃气管网系统优化
城市燃气系统是复杂的综合设施，主要由燃气管网、储配站、调压计量站、运行管理操作和控制设施等共同组成。燃气管网主要由管网和调压站构成。
2.1燃气管网系统整体优化的数学模型
当建设多级燃气管网时，就产生了燃气管网系统整体优化的问题。具体体现在决定调压站的数目和调压站的优化布局。以中一低压两级管网为例，燃气管网系统整体优化规划问题可表达为:
式中:fL ,fP fM分别为低压、中压管网和调压站的计算费用函数;向量DL二(D1L，D2L，D3L…，DMLL)表示低压管网各管段的管径值，其中，ML为低压管网的管段数;
0一1向量x=( x1，x2,x3，…，xt，)表示调压站的某种布局方案，其中
2.3调压站优化布局
多个调压站的定位问题由于必需为这些调压站找出一个节点集而变得更为复杂，供应燃气只产生在需求点和离它最近的调压站节点之间，对于很大规模的问题，要评价所有调压站的节点组合是不现实的，因为，可能的组合的数量和所需要的计算量即使使用大型计算机也是一个重负。因此，这里用启发式数字计数法来搜索最好的解。
2.4管网系统的优化设计
管网系统的优化设计，就是对己知管网的网络结构，要求选用合适的管径，在满足管网节点流量和压力的前提下，使管网的投资和运行费用最小。为把优化设计问题抽象为一个数学规划问题，可把节点流量方程、回路压差方程和节点压力要求作为约束条件，而把管网的计算费用最小作为目标函数，归纳成一个非线性规划问题，即:
此规划问题，管径是不连续的，所以实际上是带有离散变量的非线性规划。
管径D也可以通过水力摩阻公式分解为管段流量Q与管段广义压力降即。管网的水力计算基本公式可近似表达为:
对每根管段i有:
式中:k一与燃气性质有关的系数; α和β的值与燃气流动状态及管道粗糙度有关。
对于低压管道，可认为主要在水力光滑区工作，α=1.75，β=4.75。对于高、中压管道，主要在阻力平方区，α=2.0，β=5.25。
把代入目标函数得:
令，上述规划课题变成如下课题:
当已知管径D时，通过管网平差计算，管段流量Q和管段压力降σP能被D唯一确定，当以管径D作为决策变量时，流量分配Q只是相应的状态变量，随管径D的变化而变化，这样就可以建立直接以管径D为优化对象的数学模型:
对于OP规划问题，采用近似于广义简约梯度法(GRG方法)的方法进行实现，它可以很好的与管网平差计算很好的结合来解决管网优化问题。对于OP(2)规划问题，采用结合最短路径法、拉格朗日乘数法、简约梯度法和管网平差来解决。
3软件开发
城市燃气管网优化设计系统的最终开发目标是实现燃气管网设计过程的自动化，即实现设计过程的计算机辅助设计(CAD)。首先是向计算机输入图形，然后由计算机进行设计计算，最后将设计和计算结果由计算机画出图形来。整个系统的开发采用结构化程序设计的方法，吸收面向对象程序设计的思想，按照软件工程的步骤来完成。
3.1软件的功能和界面
考虑到设计人员的要求，希望软件能够处理多种燃气种类、多种管道管材和多种压力情况，而且希望能有多种多样的输入、输出方式和计算功能。我们采用菜单的方式进行程序界面的设计。菜单系统图如下:
图1菜单系统图
3.2程序的计算功能
3.2.1程序能够实现的计算功能
l)能够通过设计人员输入的燃气运动粘度、燃气密度和管道管材计算管道的摩阻系数。
2)能够通过管网结构和用户用气分布情况计算节点流量。
3)实现管网的优化计算。
4)能够通过设计人员预先输入管径，进行平差计算。
3.2.2程序的输入处理
输入数据的情况多种多样:管道的摩阻系数既可以通过计算求出，也可以直接输入:节点流量既可以通过计算求出，也可以直接输入:管道管径可以不输入进行管网优化计算，也可以直接输入进行平差计算。
1)节点信息、:节点信息如果直接输入节点流量，可以通过表格的形式进行输入。也可以通过在AUTOcAD下，通过数字化仪以规划图为依据点取(x，Y)坐标，输入节点编号和节点的集中流量来实现，同样这时节点流量也直接输入，也可通过计算求得，这时，管段的长度可以自动生成，在管段信息中不用再输入管段长度。
2)管段信息:只要包括管段号、起始节点号、终止节点号。如果不是通过AUTOCAD输入节点信息、，还有管段长度。如果是平差计算，还包括管段的管径。
3)计算摩阻系数的信息:如果是通过计算得到管段的摩阻系数，包括燃气的运动粘度、燃气密度、管材选项和管径。如果是通过直接输入得到管段的摩阻系数，包括编号和摩阻值。
4)计算节点流量的信息:如果是通过计算得到节点流量，包括块的面积或面积流量和转换系数等。
3.2.3参数的设置
为了方便用户的使用，我们采用对话框的形式。
3.24程序的输出数据处理
输出数据包含管段的长度、管径、管段的流量和压力降:节点的流量和节点压力等。以上数据可以采用报告表格的形式打印输出，也可以采用在AUTocAD下，通过二次开发的程序自动绘制水力平差图的形式输出。
3.2.5CAD的实现
计算机科学的飞速发展为人们提供了越来越有力的工具，它不仅能完成大量的繁杂的科学计算，而且还具有很强的逻辑判断能力和图形处理功能。计算机的图形功能的开发应用可使得计算的结果图形化，从而满足工程上的应用和习惯。过去常用的管网计算程序的计算结果是用打印报告的数据表格形式，读起来很不直观，不符合工程上的习惯，而且将计算结果填到图上的工作不仅繁琐而且容易出错，管网的规模越大，这一问题将越突出。
本文主要方法是把通过数字化仪以规划图为依据点取(x，Y)坐标，输入节点编号。而管段信息主要还是通过表格的方式输入。这样，以后的計算结果只需将相应的数据根据(X，Y)坐标填入图中即可。把管网优化的配管结果、节点和管段的特性数据通过计算机画出工程规划计算图来，在燃气管网规划设计工作中，早已对计算图制定了画法和文字标注的规约。我们按照规约进行。把计算结果分解成节点和管段两种绘图文件。
具体的图形输出过程分为两步:第一步逐点对每个节点进行处理。第二步逐条对每根管段进行处理，自动绘出整个工程水力计算图。
绘图程序中的数据填入过程是通过图块功能实现的。图块是由一组图形实体组合起来的复杂物体，一旦这种组合完成以后，这些图块便给定有关图块名，可以在绘图过程中按需要在任意点处插入。图块属性是随图块每次插入而变化的文字信息、，它可以显示在图形中。具体的做法是:先将节点和管段的有关数据的图上格式制成块，并将欲显示的数据定义为属性，以便在图中以文字的形式显示。这样可以将一个块配以一组属性值，依次在插入点处绘制出该点的计算结果或己知数据。也就是说依次对节点按坐标值插入节点数据块，并输出该点的结果数据作为属性的响应，然后在依次对该点按中点的坐标和倾斜角度插入该点数据块，以管段的结果数据作为属性响应，这样便完成了计算结果的图形绘制工作。该图形可以在计算机显示器上显示，也可由绘图机绘出。燃气管网图形文件的生成使得管网的数据整理、校核工作带来了许多方便，尤其是大型管网计算，数据近万组，数据的整理和校核都是极其繁重的工作。典型的图形输出如下图:
图2.典型的图形输出
参考文献：
[1] 李士伦.西部大开发中的天然气工业[J].天然气工业,2006.21(l): 41.
[2] 刘爽等.长距离输气管道优化设计[J].天然气与石油,2005.16(3):52.
[3] 赵洪激,刘扬.油气集输系统优化设计软件[J].天然气与石油,2005.18(1):56.
关键词：燃气 管网 优化
中图分类号：TU996.6+2 文献标识码：A 文章编号：
1.引言
燃气管网主要由管网和调压站构成。管网又分高中压管网和低压管网。在管网路径确定后，高中压管网的管径主要取决于管网的始末端燃气压力、燃气流量;低压管网的管径主要取决于燃气流量、燃气器具的额定工作压力、一调压站的布置。优化设计的关键取决于怎样根据己知管网的网络结构、燃气系统流量分布和节点压力要求，确定各管段、管径和调压站数量和位置，使管网既能保证在任何时候将足够数量的燃气输送分配给用户、维持用气点在允许的压力范围内，又能使管网的金属消耗和投资费用最小。通过优化设计计算可以节约大量工程投资，节省大量设计时间，提高设计效率，所以开发这方面的计算机优化设计系统软件既有良好的推广前景，又有重大的社会效益和经济效益。
2燃气管网系统优化
城市燃气系统是复杂的综合设施，主要由燃气管网、储配站、调压计量站、运行管理操作和控制设施等共同组成。燃气管网主要由管网和调压站构成。
2.1燃气管网系统整体优化的数学模型
当建设多级燃气管网时，就产生了燃气管网系统整体优化的问题。具体体现在决定调压站的数目和调压站的优化布局。以中一低压两级管网为例，燃气管网系统整体优化规划问题可表达为:
式中:fL ,fP fM分别为低压、中压管网和调压站的计算费用函数;向量DL二(D1L，D2L，D3L…，DMLL)表示低压管网各管段的管径值，其中，ML为低压管网的管段数;
0一1向量x=( x1，x2,x3，…，xt，)表示调压站的某种布局方案，其中
2.3调压站优化布局
多个调压站的定位问题由于必需为这些调压站找出一个节点集而变得更为复杂，供应燃气只产生在需求点和离它最近的调压站节点之间，对于很大规模的问题，要评价所有调压站的节点组合是不现实的，因为，可能的组合的数量和所需要的计算量即使使用大型计算机也是一个重负。因此，这里用启发式数字计数法来搜索最好的解。
2.4管网系统的优化设计
管网系统的优化设计，就是对己知管网的网络结构，要求选用合适的管径，在满足管网节点流量和压力的前提下，使管网的投资和运行费用最小。为把优化设计问题抽象为一个数学规划问题，可把节点流量方程、回路压差方程和节点压力要求作为约束条件，而把管网的计算费用最小作为目标函数，归纳成一个非线性规划问题，即:
此规划问题，管径是不连续的，所以实际上是带有离散变量的非线性规划。
管径D也可以通过水力摩阻公式分解为管段流量Q与管段广义压力降即。管网的水力计算基本公式可近似表达为:
对每根管段i有:
式中:k一与燃气性质有关的系数; α和β的值与燃气流动状态及管道粗糙度有关。
对于低压管道，可认为主要在水力光滑区工作，α=1.75，β=4.75。对于高、中压管道，主要在阻力平方区，α=2.0，β=5.25。
把代入目标函数得:
令，上述规划课题变成如下课题:
当已知管径D时，通过管网平差计算，管段流量Q和管段压力降σP能被D唯一确定，当以管径D作为决策变量时，流量分配Q只是相应的状态变量，随管径D的变化而变化，这样就可以建立直接以管径D为优化对象的数学模型:
对于OP规划问题，采用近似于广义简约梯度法(GRG方法)的方法进行实现，它可以很好的与管网平差计算很好的结合来解决管网优化问题。对于OP(2)规划问题，采用结合最短路径法、拉格朗日乘数法、简约梯度法和管网平差来解决。
3软件开发
城市燃气管网优化设计系统的最终开发目标是实现燃气管网设计过程的自动化，即实现设计过程的计算机辅助设计(CAD)。首先是向计算机输入图形，然后由计算机进行设计计算，最后将设计和计算结果由计算机画出图形来。整个系统的开发采用结构化程序设计的方法，吸收面向对象程序设计的思想，按照软件工程的步骤来完成。
3.1软件的功能和界面
考虑到设计人员的要求，希望软件能够处理多种燃气种类、多种管道管材和多种压力情况，而且希望能有多种多样的输入、输出方式和计算功能。我们采用菜单的方式进行程序界面的设计。菜单系统图如下:
图1菜单系统图
3.2程序的计算功能
3.2.1程序能够实现的计算功能
l)能够通过设计人员输入的燃气运动粘度、燃气密度和管道管材计算管道的摩阻系数。
2)能够通过管网结构和用户用气分布情况计算节点流量。
3)实现管网的优化计算。
4)能够通过设计人员预先输入管径，进行平差计算。
3.2.2程序的输入处理
输入数据的情况多种多样:管道的摩阻系数既可以通过计算求出，也可以直接输入:节点流量既可以通过计算求出，也可以直接输入:管道管径可以不输入进行管网优化计算，也可以直接输入进行平差计算。
1)节点信息、:节点信息如果直接输入节点流量，可以通过表格的形式进行输入。也可以通过在AUTOcAD下，通过数字化仪以规划图为依据点取(x，Y)坐标，输入节点编号和节点的集中流量来实现，同样这时节点流量也直接输入，也可通过计算求得，这时，管段的长度可以自动生成，在管段信息中不用再输入管段长度。
2)管段信息:只要包括管段号、起始节点号、终止节点号。如果不是通过AUTOCAD输入节点信息、，还有管段长度。如果是平差计算，还包括管段的管径。
3)计算摩阻系数的信息:如果是通过计算得到管段的摩阻系数，包括燃气的运动粘度、燃气密度、管材选项和管径。如果是通过直接输入得到管段的摩阻系数，包括编号和摩阻值。
4)计算节点流量的信息:如果是通过计算得到节点流量，包括块的面积或面积流量和转换系数等。
3.2.3参数的设置
为了方便用户的使用，我们采用对话框的形式。
3.24程序的输出数据处理
输出数据包含管段的长度、管径、管段的流量和压力降:节点的流量和节点压力等。以上数据可以采用报告表格的形式打印输出，也可以采用在AUTocAD下，通过二次开发的程序自动绘制水力平差图的形式输出。
3.2.5CAD的实现
计算机科学的飞速发展为人们提供了越来越有力的工具，它不仅能完成大量的繁杂的科学计算，而且还具有很强的逻辑判断能力和图形处理功能。计算机的图形功能的开发应用可使得计算的结果图形化，从而满足工程上的应用和习惯。过去常用的管网计算程序的计算结果是用打印报告的数据表格形式，读起来很不直观，不符合工程上的习惯，而且将计算结果填到图上的工作不仅繁琐而且容易出错，管网的规模越大，这一问题将越突出。
本文主要方法是把通过数字化仪以规划图为依据点取(x，Y)坐标，输入节点编号。而管段信息主要还是通过表格的方式输入。这样，以后的計算结果只需将相应的数据根据(X，Y)坐标填入图中即可。把管网优化的配管结果、节点和管段的特性数据通过计算机画出工程规划计算图来，在燃气管网规划设计工作中，早已对计算图制定了画法和文字标注的规约。我们按照规约进行。把计算结果分解成节点和管段两种绘图文件。
具体的图形输出过程分为两步:第一步逐点对每个节点进行处理。第二步逐条对每根管段进行处理，自动绘出整个工程水力计算图。
绘图程序中的数据填入过程是通过图块功能实现的。图块是由一组图形实体组合起来的复杂物体，一旦这种组合完成以后，这些图块便给定有关图块名，可以在绘图过程中按需要在任意点处插入。图块属性是随图块每次插入而变化的文字信息、，它可以显示在图形中。具体的做法是:先将节点和管段的有关数据的图上格式制成块，并将欲显示的数据定义为属性，以便在图中以文字的形式显示。这样可以将一个块配以一组属性值，依次在插入点处绘制出该点的计算结果或己知数据。也就是说依次对节点按坐标值插入节点数据块，并输出该点的结果数据作为属性的响应，然后在依次对该点按中点的坐标和倾斜角度插入该点数据块，以管段的结果数据作为属性响应，这样便完成了计算结果的图形绘制工作。该图形可以在计算机显示器上显示，也可由绘图机绘出。燃气管网图形文件的生成使得管网的数据整理、校核工作带来了许多方便，尤其是大型管网计算，数据近万组，数据的整理和校核都是极其繁重的工作。典型的图形输出如下图:
图2.典型的图形输出
参考文献：
[1] 李士伦.西部大开发中的天然气工业[J].天然气工业,2006.21(l): 41.
[2] 刘爽等.长距离输气管道优化设计[J].天然气与石油,2005.16(3):52.
[3] 赵洪激,刘扬.油气集输系统优化设计软件[J].天然气与石油,2005.18(1):56.