摘要：结合AutoCAD的相关控件功能，开发出一套燃气管网分析系统。该系统具有自动读取GIS信息，可对AutoCAD格式文件灵活操作等特点，实现对燃气管网进行输配模拟和优化设计方面的计算分析。
关键词：燃气管网；分析系统；地理信息系统；水力计算；输配模拟；优化设计
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
燃气输配系统随着城市燃气的大规模使用逐步发展起来，但其面临的问题很多，比如：管网设计采用人工选择管径和计算机进行水力计算相结合的方法，未深入考虑管网造价等经济因素；在管网的扩建改造方面，对其供气可靠性的研究也很少。随着城市燃气管网规模的不断扩大，对燃气管网投入的资金也越来越多，在保证用户用气压力的前提下进行燃气管网优化，降低燃气管网的建造费用、运行费用以及提高供气系统的安全可靠性，已成为各燃气企业急需解决的重要问题。严铭卿等[1]采用支点负荷模式进行管网水力计算，显著克服了传统节点负荷模式的缺点，对于管网水力计算方面的研究有明显的意义。黄红祥等[2]提出了按控制零点压力进行管径优化，彭世尼等[3]建立了城市燃气管网优化模型，并将遗传算法应用到了管网优化模型当中，取得了很好的效果。
管网分析还有许多熟知的名称，如管网模拟、管网平差。名词虽然不同，实际上都是指通过真实系统的模型进行实际系统的分析和处理，其目的在于了解真实系统在不同条件下的运行情况，以及增加或删掉一些条件后系统可能发生的变化[4]。已有不少学者在这方面进行了相关研究[5～10]，值得借鉴。考虑目前燃气企业普遍使用SCADA、GIS等系统进行数据采集，并结合AutoCAD的相关控件功能，开发出了一套燃气管网分析系统，对燃气管网进行输配模拟和优化设计方面的计算分析。
2 系统工作流程
管网分析系统采用统一的用户界面，实现燃气管网数据的导入、绘制修改、计算分析、成果显示、文件管理等功能。系统的工作流程见图1。
系统的工作流程分为模型创建和模型分析两个主要步骤：
① 模型创建：既可以从地理信息系统导入现有的管网拓扑数据和管网基本属性信息，也可以由用户手动绘制管网，填入相关数据。
② 模型分析：是模型修正、模型计算、结果显示的一个循环过程，根据现有模型进行分析计算并检查计算结果，如果结果不能满足要求，则重新修正模型并进行计算，直到符合要求为止。
3 系统基本功能
① 系统平台
通过AutoCAD控件组态成一体化图形用户界面，所有相关管网分析和操作管理等均在此界面下进行，并采用多文档界面设计，可同时打开多个文件进行操作。
② 数据共享
自动导入GIS的相关管网数据，为分析计算提供数据源。用户可通过图形界面进行配置和修改需要导入的设备及管道类型等，并进行显示：
a. 动态标注管道的流向、流量、管径、管材，节点的压力、名称、类型等。
b. 按照元素类别进行图形显示，不同级别的管道按不同颜色显示，不同类型的节点和设备按不同的符号显示。
c. 按照压力和流量进行图形显示，管道根据其流量所在的范围，显示不同的颜色；节点根据压力显示不同的颜色。
d. 管道根据其管径显示不同的颜色。
e. 管道根据其管材类型显示不同的颜色。
③ 数据录入
用户可将AutoCAD格式文件在该系统中打开作为底图，在系统界面中进行管网相关数据的录入，例如管网及其附属节点、管道、调压柜、气源等信息，进行模型创建。用户可以任意修改管道和节点的空间位置，修改方法包括复制、延长、打断、删除、剪切、旋转、移动、放大等，通过添加这些功能，可以方便地进行管网拓扑关系的编辑。
④ 检验工具
为保证模型分析计算的有效性，增加了对管网基本拓扑关系的校验功能，可对创建的模型进行适当修正，主要包括：
a. 管道合并：将属性相同或符合规则的管道合并成一条管道。
b. 连通性检查：检查管道之间的拓扑或连通关系是否正确。
c. 重叠管道检查：检查是否有重叠或重合的管道。
d. 管道长度统计：统计所有管道的长度。
e. 设备数量：分类统计各类设备和节点的数量。
f. 属性检查：检查导入数据的缺失情况，使计算用数据完整。
⑤ 分析计算
本系统的核心就是实现燃气管网输配模拟和优化设计两大功能。
a. 输配模拟：根据管网管径、管长、气源及用户用气量等信息，对管网进行模拟计算，模拟出各节点的压力及各管段的流量，以发现管网存在的压力或流量瓶颈，由此确定管网系统改建的最优方案，提高管网运行效率。
b. 优化没计：根据给定的管网运行要求，确定最优的管网结构设计，利用遗传算法[3]寻求最优解，以得到最合理、经济的管径配置方案。
4 系统应用实例
① 输配模拟
通过对某一中等城市管网主要节点的压力、管段流量进行模拟计算，不断校核设计参数，提高模拟精度，使其达到工程需求。
② 优化设计
将遗传算法引入到城市燃气管网结构优化中，以此来解决管网规划设计中管径选择与水力计算不能统一用计算机处理，以及管网管径的优化问题。采用文献[3]中的工程实例进行计算，结果表明：应用遗传算法解决燃气管网优化设计问题可行有效，求解结果符合实际。管网结构的优化设计，对管网工程的卓越运营及规划投资都起到重要作用。
5 结论
燃气管网分析系统不但能最大限度地利用GIS已有数据形成计算数据源，也可以通过图形界面，进行数据的录入与更改，方便用户操作，使管网分析计算图形化。通过该系统，可对城市现有燃气管网进行计算，综合分析管网输配的薄弱点、现有管网的供气能力和可扩建余地，以及扩建改造后对整个城市管网供气系统的影响，并给出改建管网管径的最优配置方案，节约管网的建造费用。
参考文献：
[1] 严铭卿，何淑静，袁树明.燃气管网水力分析的负荷分布模式[J].煤气与热力，2004，24(2)：80-82.
[2] 黄红祥，姜东琪，段常贵.城市燃气管网的优化设计[J].煤气与热力，2004，24(10)：539-541.
[3] 彭世尼，冷婷婷，郑利平，等.基于遗传算法的城市燃气管网优化[J].煤气与热力，2004，24(12)：653-656.
[4] 李猷嘉.燃气输配系统的设计与实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2006：226.
[5] 严铭卿.燃气输配工程分析[M].北京：石油工业出版社，2006：107-124.
[6] 姜东琪，杜建梅，崔建华，等.燃气管网水力计算及水力计算图的绘制[J].煤气与热力，2001，21(5)：453-455.
[7] 潘大为，刘文俊.燃气管网水力计算与实测数据的拟合[J].煤气与热力，2005，25(10)：33-35.
[8] 鲁国文，冯良.基于AUTOCAD的燃气管网水力计算和自动绘图系统的研究[J].上海煤气，2006(1)：26-29
[9] 彭继军，田贯三，刘燕.燃气管网水力计算图的计算机生成[J].山东建筑工程学院学报，2003，18(1)：58-62.
[10] 丁国玉，田贯三.AutoCAD VB(VBA)二次开发在燃气管网水力计算中的应用[J].城市燃气，2008(1)：15-18.
(本文作者：冯伟程 梁金凤 焦岗 吴卫华 赵鑫 新奥能源控股有限公司 河北廊坊 065000)
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