基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法、设备、存储介质和程序产品技术

基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法、设备、存储介质和程序产品，属于水力计算技术领域，解决现有水力计算的精确度不高问题。本发明专利技术的方法包括：读取管网拓扑信息和工况信息；设置管网的气质信息和节点的温度；对未知量进行编号；设置管网方程组的未知量迭代初值；对单根管道进行水力计算；根据获取的单根管道水力计算结果，列出管段压降方程，结合节点流量平衡方程，构建管网的方程组；根据未知量的编号，确定Jacobi矩阵的近似矩阵和Broyden迭代法的初始迭代矩阵；根据气质参数和温度的设置，采用Broyden迭代法求解管网的方程组，获取各节点的压力和各管段的流量；更新管网的气质与温度。本发明专利技术适用于城镇燃气管网非等温稳态水力计算。燃气管网非等温稳态水力计算。燃气管网非等温稳态水力计算。

【技术实现步骤摘要】
基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法、设备、存储介质和程序产品


[0001]本申请涉及水力计算
，尤其涉及城镇燃气管网非等温稳态水力计算。

技术介绍

[0002]城镇燃气管网模拟仿真是指通过理论建模的手段，借助计算机的高计算能力，以实现管网运行工况的复现，达到指导管网管理工作的效果。燃气管网模拟仿真主要包括水力计算、阻力辨识、泄漏与堵塞诊断和优化调度等模块。其中，水力计算是实现其他模块的基础，其精确度直接影响管网仿真的效果。
[0003]城镇燃气管网水力计算是燃气管网设计和仿真的重要组成部分，城镇燃气管网水力计算重要有两个功能：(1)设计过程中，燃气管网水力计算可以结合经济比摩阻确定管道的管径，进一步确定燃气管网建设的初步预算；(2)运行过程中，城镇燃气管网水力计算可以根据边界条件确定整个燃气管网的运行工况，为管网的泄漏诊断、智能调控等提供支撑。
[0004]燃气管网水力计算根据是否考虑负荷不稳定性的影响，可分为稳态水力计算和瞬态水力计算。其中瞬态水力计算考虑了负荷波动的影响，建模过程中引入时间项来反映负荷波动的影响；与之相反的是稳态水力计算，忽略负荷波动带来的影响，水力计算模型简单，可以很大程度上提高仿真效率。
[0005]管网水力计算的步骤大致可以分为：确定单管水力计算模型；构建管网方程组；使用数值解法求解方程组。
[0006]当前，稳态水力计算依然是城镇燃气管网水力计算的重要手段。目前稳态水力计算单管水力计算模型采用的多是解析解与其他管网方程联立构建管网方程组，再通过牛顿迭代法等数值解法进行管网方程组求解以实现水力计算。
[0007]但是，现有技术存在的缺点是：
[0008]单管解析解是对动量方程经过简化得来，并且并未考虑沿着流动方向上温度、高程等的变化对气体参数带来的影响，故而会导致单管水力计算模型与实际的流动现象存在较大的偏差，当与其他方程组联立时，这种偏差也会随之带入，最终导致水力计算的精确度不够。

技术实现思路

[0009]本专利技术目的是为了解决现有水力计算的精确度不高的问题，提供了基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法、设备、存储介质和程序产品。
[0010]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术一方面，提供一种基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法，所述方法包括：
[0011]步骤1、读取管网的拓扑结构和工况信息；
[0012]步骤2、设置管网的气质成分和节点温度的初值；
[0013]步骤3、对所述未知量进行编号；
[0014]步骤4、设置管网方程组的未知量迭代初值；
[0015]步骤5、对单根管道进行水力计算；
[0016]步骤6、根据步骤5中获取的单根管道水力计算结果，列出管段压降方程，结合节点流量平衡方程，构建管网的方程组；
[0017]步骤7、根据所述未知量的编号，确定管网方程组的Jacobi矩阵的近似矩阵；
[0018]步骤8、根据气质成分和温度的设置，采用Broyden迭代法求解所述管网的方程组，迭代过程中需要重复执行步骤5，获取各节点的压力和各管段的流量；
[0019]步骤9、更新管网的气质成分与温度；
[0020]步骤10、判断前后两次气质更新和温度更新后误差是否在设定的允许值之内，若是，则认为水力计算已经达到所需要的精度，停止计算；否则，返回步骤8重新进行水力计算。
[0021]进一步地，步骤2，包括：
[0022]在第一次进行管网水力平差时，认为各节点的气质信息一致，初步假设各节点的气质组成均为甲烷或各气源气质成分的均值中的一种；
[0023]每个节点的初始温度都设定为环境温度。
[0024]进一步地，步骤4，具体包括：
[0025]设置节点的压力初值和管段的流量初值；
[0026]默认所有节点的压力初值与所有已知压力的节点的压力最大值相等；
[0027]默认所有流量初值为已知最小管段流量的0.01倍，假设已知最小管段流量为0.1Nm3/s；
[0028]认为流向是从节点编号小的点流向编号大的点；
[0029]各节点流量正负号定义为：流入节点为负、流出节点为正。
[0030]进一步地，步骤5，具体包括：
[0031]步骤5.1、确定单管的水力计算步长；
[0032]步骤5.2、根据所述单管的水力计算步长，将管段分成若干份微元段；
[0033]步骤5.3、对每个所述微元段进行水力计算，将管段起点相关参数作为第一个微元段的起点参数，更新气体的相关参数，所述相关参数包括压力、流量和温度，作为下次计算的条件；
[0034]步骤5.4、将前一个微元段的末端参数作为下一个个微元段的起点参数，采用和步骤5.3相同的方法，依次计算每个微元段的末端参数；
[0035]步骤5.5、将最后一个微元段的末端参数作为管段的末端参数，单管水力计算完成。
[0036]进一步地，步骤5.3，还包括：
[0037]步骤5.3.1、针对中压管网，估算出从起源流出之后燃气恢复至环境温度的流程s；
[0038]步骤5.3.2、对于管段起点到气源的流程大于s的管段，进行水力计算时，不再求解温度梯度，而是将温度设为环境温度。
[0039]进一步地，步骤7，具体包括：
[0040]根据所述未知量的编号，利用公式：
[0041][0042]式中，A0是一个高阶矩阵，通常采用求解矩阵方程A0X＝E的方式求解，所求解出的X就是B0的数值解，初始矩阵B0为方程组Jacobi矩阵的近似矩阵A0的逆矩阵；f
i
是管网的方程组中第i个方程的残差；
[0043]确定管网方程组的Jacobi矩阵的近似矩阵。
[0044]进一步地，步骤9，具体包括：
[0045]从气源点开始，沿着管内流体流动的方向，逐步更新每个节点的气质成分和气体温度。
[0046]第二方面，本专利技术提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行如上文所述的一种基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法的步骤。
[0047]第三方面，本专利技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有多条计算机指令，所述多条计算机指令用于使计算机执行如上文所述的一种基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法。
[0048]第四方面，本专利技术提供一种计算机程序产品，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的一种基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法。
[0049]本专利技术的有益效果：
[0050]本专利技术提出将单管数值求解方法应用到压降方程中，并且采用具有超线性收敛的Broyden迭代法求解管网的方程组，并对管网方程组和未知变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、读取管网的拓扑结构和工况信息；步骤2、设置管网的气质成分和节点温度的初值；步骤3、对所述未知量进行编号；步骤4、设置管网方程组的未知量迭代初值；步骤5、对单根管道进行水力计算；步骤6、根据步骤5中获取的单根管道水力计算结果，列出管段压降方程，结合节点流量平衡方程，构建管网的方程组；步骤7、根据所述未知量的编号，确定管网方程组的Jacobi矩阵的近似矩阵；步骤8、根据气质成分和温度的设置，采用Broyden迭代法求解所述管网的方程组，迭代过程中需要重复执行步骤5，获取各节点的压力和各管段的流量；步骤9、更新管网的气质成分与温度；步骤10、判断前后两次气质更新和温度更新后误差是否在设定的允许值之内，若是，则认为水力计算已经达到所需要的精度，停止计算；否则，返回步骤8重新进行水力计算。2.根据权利要求1所述的一种基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法，其特征在于，步骤2，包括：在第一次进行管网水力平差时，认为各节点的气质成分一致，初步假设各节点的气质组成均为甲烷或各气源气质成分的均值中的一种；每个节点的初始温度都设定为环境温度。3.根据权利要求1所述的一种基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法，其特征在于，步骤4，具体包括：设置节点的压力初值和管段的流量初值；默认所有节点的压力初值与所有已知压力的节点的压力最大值相等；默认所有流量初值为已知最小管段流量的0.01倍，假设已知最小管段流量为0.1Nm3/s；认为流向是从节点编号小的点流向编号大的点；各节点流量正负号定义为：流入节点为负、流出节点为正。4.根据权利要求1所述的一种基于Broyden迭代法的城镇燃气管网非等温稳态水力计算方法，其特征在于，步骤5，具体包括：步骤5.1、确定单管的水力计算步长；步骤5.2、根据所述单管的水力计算步长，将管段分成若干份微元段；步骤5.3、对每个所述微元段进行水力计算，将管段起点...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦文玲，周孚峰，田兴浩，刘天杰，张鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：