基于城市燃气管网规划设计方法的探索

基于城市燃气管网规划设计方法的探索
发表时间：2015-12-28T10:15:38.853Z 来源：《基层建设》2015年19期供稿作者：孙沛[导读] 天津市华钡燃气热力工程设计有限公司在城市燃气管网规划设计中，常用的方法有图论法、动态规划法、神经网络法、MCST法、约束导数法、综合优化法等方法。

孙沛
天津市华钡燃气热力工程设计有限公司 300000 摘要：天然气用量与城市国民经济发展情况、产业结构、能源结构、城市规划人口等宏观因素有关，城市燃气管道看作是完成城市输配气这一特定功能的复杂结构，因此在城市燃气管网规划设计时要认真考察城市的发展，合理预测城市对燃气的需求，选择合适的管网材料，提高管网输送的安全性为城市管网规划设计的要点。

关键词：城市燃气；管网；规划设计1.城市燃气管网概述
城市燃气管网是面向全社会的市政工程。

其主要功能要求是在任何时间将足够数量的燃气输送，分配给用气点（用户），并应具有合乎标准的供气质量。

其主要指标即是维持用气点在允许的压力范围内，对燃气管网的其他技术要求是应具有足够的安全裕度。

在个别管段因损坏或其他原因需加截断的情况下仍能维持接近正常的供气。

因此，燃气管网一般都设计成环形，而且环形管网的相邻管网的相邻管段尽量避免管径规格的突然变化，整个系统构造（配量及管径）尽可能均匀。

从设计工作进行的中间阶段上依次可分为管网布置、负荷计算、管径确定、水力工况计算、管网优化、绘图等环节。

2.城市燃气管网规划原则
2.1燃气规划原则
城市燃气规划符合城市社会经济发展总体战略方针，结合城市发展的实际情况，确定合理的规划方案，统筹规划、近远期结合、分期实施、逐步完善。

城市燃气规划符合国家能源生产和消费结构的合理化调整及优化，合理配置天然气资源，坚持可持续发展方针，促进低碳经济。

贯彻城镇燃气为人民生活服务、为发展生产服务、为改善城市环境服务的方针，以市场经济原则为指导，确定合理的用气指标及供气比例，为远景发展留有余地。

积极采用有效的新工艺、新技术、新材料和新设备，做到技术先进、经济合理；充分体现城镇燃气的安全可靠性、科学合理性、系统全面性和技术先进性。

2.2气源引入原则
城市燃气管网规划应确定市域周围高压管网，与其合理衔接，规划城市天然气供应系统；近期的燃气规划确定天然气为城市的主要气源，维持其他能源的使用，加快天然气输配场站管网建设工作。

中期远期以天然气为主，采用分区或道路逐步敷设燃气管网，行成统一燃气环网。

对规划天然气管网覆盖不到的地区，可发展液化石油气供应或者CNG、LNG供应。

3.城市燃气管网规划设计方法
3.1基本方法
在城市燃气管网规划设计中，常用的方法有图论法、动态规划法、神经网络法、MCST法、约束导数法、综合优化法等方法。

动态规划法是对管网各节点压力进行优化，得出最优压力来选择管网布局和元件，但这种方法需要预先给定调压站数目和位置、管段长度、管径等数据，应用于大型网络系统中有一定局限性。

神经网络法则是引入适当能量函数确定神经元联结权，根据网络状态变化来寻求平衡获得局部最优解的方法，具有大规模并行处理、高容错性和自适应性、自组织性的优点，应用于大型管网规模设计中极佳。

因此，本文综合利用动态规划法和神经网络法来建立数学模型，用于城市燃气管网规划设计中管网布局与参数优化。

3.2城市燃气管网布线标准
城市燃气管网布线时，高、中压管网主要用于输气，其压力高、危险性大，布线应充分考虑长期安全运行的需要，因此应布设于足够安全距离的地段，同时考虑安装和检修的便利性和对周边的影响，低压管网是最基本的管网，要充分考虑网路密度。

管网的纵断面，应埋设于土壤冰冻线以下，其覆土深度应满足规划和规范要求，并避免与自来水管、雨水管、热力管、电力管、通讯管等布设于同一地沟，并采取好防护措施。

储配站应综合考虑城市工业布局规划，服从输气干线大走向，尽量靠近负荷集中地带。

调压计量站的布设要符合城市规划和作用半径，尽量避免对周边地区的影响，控制好安全距离。

4.燃气管网管径的选择
4.1管段初始流量的确定
管段初始流量是在连枝流量一定的条件下，通过调用基本关联矩阵求解而得到的。

所谓连枝，是针对环状管网而言的。

如果把一个环状管网去掉某些管段后，该管网变成枝状管网，那么去掉的这些管段就称为连枝。

连枝流量采用按照管段长度比例分摊原则确定。

4.2管径的初选
根据管段的计算流量和管段的单位压力降，可以计算机软件调用中的“初选管径”菜单进行管径的初选。

单位压力降由从气源点到零速点的允许压力降与管路长度的比值确定，零速点的确定按照燃气总是从气源点流向最远点的原则确定。

4.4经济管径的选择
根据初始的规格化管径和管段的计算流量求解管段的压力降，并由气源点的压力求各个节点的压力，调用修正各节点压力，计算得出经济压降。

根据此压降和计算流量，调用软件中的“管径优选”菜单进行管径优选。

4.5城市管道耐久性原则选择
整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规范的某一功能要求，此特定状态称为该功能的“极限状态”，即“临界状态”。

城市燃气管道耐久性作为一项功能，也存在着耐久性极限状态：承载能力极限状态和正常使用极限状态。

对城市燃气管道耐久性寿命准则的合理选择是进行耐久性评估与寿命预测的重要前提。

5.天然气管网规划发展趋势及规划建议
5.1天然气管网规划发展趋势
在天然气管网的规划中，多目标规划相对较为复杂，尤其是关于解的概念问题。

在针对多目标优化的问题中，一般情况下各目标函数，其矛盾一般情况下无法进行有效的调和。

在管网多目标的优化过程中，假设考虑降低管网投资与降低管网的动力能耗两个目标函数，倘若其所选用的管径相对较小，尽管一定程度上降低了在管道方面的投资，但是这势必一定会增加液体输送的阻力，间接的是管网的动力的能耗增加；相反，如果管径选用的相对较大，尽管这一定程度可以有效的降低动力能耗，但是却不可避免的增加了管道方面的投资。

综合以上来看，目标函数自身的冲突性，使得设计方案的优化不能选用这唯一的评价方法，就目前来说，解决多目标规划的方法常见的有三种，分别为价函数法、分层序列法和增量系数法。

多目标规划的一个较为显著的优势是，可以从诸多方案中选择最佳方案，此外，还可以通过对替换模型问题的解决方面，为方案的最终选定提供依据。

5.2天然气规划建议
综合来看，我国的输气管网的规划正处于探索和初级阶段，尤其是市政规划中天然气管网的特殊性，从数学的角度分析，可以将输气管网、供水管网的布局规划划分为网络规划问题，因此，在进行相关的输气管网网络的布局研究时，可以选择性的借鉴供水管网布局规划的一些技巧和成功之处。

输气管道在进行输气运转中，其输送具有距离较长、输送压力较高以及口径较大的特点，因此在市政规划中要注意输气管道输送过程中的这些特点，并有效的针对这些特点提出相应的针对性措施，此外，供水管网的布局规划的一些技术和相关的成功之处可以为天然气管网的规划和设计提供一定的参考和指导，但是还是要立足于具体的天然气管网输气的实际情况进行规划，注意天然气管网的规划设计与实际施工的区别和差异。

综合现有的诸多研究文献来看，神经网络在管网规划的中具有十分广阔的发展前景和发展潜力，应该逐步深入对其的研究和思考，并在相关研究的基础之上，开发出以神经网络为基础的规划软件。

在日后的管网规划和设计规划中，要注重充分利用先进的高科技技术，用科技和知识力量为市政规划中天然气管网的规划和设计提供较为规范和科学的指导，进而有效提高管网的综合利用效率，并在此基础之上，注重与城市的整体环境相适应，提高其整体的美观度，有效对规划设计和生产管理的水平加以有效的提高。

6.结语
城市燃气管道失效的危害对城市建设、经济发展、居民生活影响重大。

因此在城市燃气管网时设计时应科学合理，慎重选用管材，合理评估管网的耐久性，预测城市管道的安全运行时间，为实际运营管理提供可靠的参考数据，并定期对城市燃气管道进行检测和维护，确保城市燃气管网的安全运营，发挥城市燃气管网的最高经济效益。

参考文献：
[1]余伟斌.论市政规划中给排水管网设计的原则[J].中华民居（下旬刊），2013.
[2]陈进殿，汪玉春，黄泽俊.天然气管网系统最优化研究[J].油气储运，2012.。