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中图分类号：TU996文献标识码： A 文章编号：
随着城市规模的不断扩大、人民生活水平的不断提高和卫生设施的不断完善，城市用气量在不断地上升，即使在一天的不同时间，节点流量的变化系数也较大，如白天高峰时的用气量就比晚上低谷时用气量大得多。为此，本文建立了一种基于水力计算的管网可靠性评价方法。优良的水力性能是保证燃气管网具有高度可靠性的前提[1]，考虑管网实际运行水力条件的变化，根据不同时段用气量不同，建立能较为真实地反映管网实际供气服务质量的城市燃气管网广义可靠性模型——系统服务性能指标法。
1.燃氣管网水力可靠性评价基本方法
在进行燃气管网系统水力可靠性定量评价时，首先应针对不同评价体系选定相关的状态变量，然后定义标准服务性能曲线用以标定元素级性能指标对状态变量的变化规律，最后选择归纳函数拓展元素级性能评价得到整个管网的性能指标值[2,3]。
1.1状态变量
所谓状态变量一般是指管网中节点或管段等元素的量值。本文中的燃气管网水力可靠性评价的第一步是确定状态变量，即针对不同的评价体系选定相关的状态变量。对于水力评价体系，则应选择节点压力作为状态变量之一。通常已知燃气管网的拓扑结构，在选定状态变量后需要通过燃气管网模拟计算及其他相关模型计算来决定状态变量的数值。无论通过何种途径获得状态变量的数值，都不影响它参与燃气管网的性能评价，但变量数值的精度将直接影响燃气管网性能评价的准确性。
1.2 服务性能曲线
燃气管网水力可靠性评价方法的第二步是在不同的评价体系中，针对相应的状态变量定义标准服务性能曲线。服务性能曲线通常反映了燃气管网元素级的性能指标对状态变量的变化规律，根据所定义的性能曲线可求得相应于各管网元素的性能指标值，即首先对管网元素进行性能评价。由于燃气管网系统的可靠性与其服务水平密切相关，因此在定义曲线时建立一个性能指标比尺。随着状态变量值的改变则指标在“无服务”和“最优服务”状态之间变化。
1.3归纳函数
对燃气管网系统中的基本元素(如节点或管段)进行水力可靠性评价后，就可得到相对于各个元素的指标值，然后再通过某种归纳函数建立各同类元素指标值之间的相关性，从而得到相对于整个燃气管网系统的总指标值[4]。
在这里“归纳函数”指一个算子，在燃气管网中该算子拓展了元素级的可靠性评价，产生了相对于整个燃气管网的总指标值。归纳函数的形式为：
P=W(Pi) (1)
式中P——系统总指标值；
Pi——在基本元素（节点、管段和环）上的指标值；
W——某一种算子。
例如：W可能是平均值算子。此时只需简单地在燃气管网范围内对n个元素的指标值取平均值，即：
P= (4-2)
另外也经常使用其他一些算子，如：最小值法，加权平均值法等。本文采用的是加权平均值法。
1.4 系统曲线
本文把系统水力可靠性的指标尺度转化为图形的方式描述出来，使之直观有效的传达指标值提供的信息，并生成在不同负荷参数下指标值变化的标准曲线图形，然后通过这些信息去分析和判断管网的运行状况以及可靠程度。
先选择一个平均需求工况，把这种条件下的系统的总流量需求作为负荷参数1，需求量在一定的范围内变化，计算在每个负荷参数下的系统指标值，得出系统曲线。这样得到的系统曲线是无量纲的，并且不依赖于管网的样式和大小。图1展示了一个系统的曲线：
图1 系统曲线
但在管网实际运行过程中，即使在一天的不同时间，节点流量的变化系数也较大，如白天高峰时的用气量就比晚上低谷时用气量大得多。系统指标值是根据管网系统运行日常得出的，我们重点关注的是每日峰值流量时的系统指标值，这样可以发现系统在满负荷情况下的运行状况以及潜在的问题。因此对系统一个运行时间周期的评价分析具有更重要的意义，这样可以通过曲线图看出系统在一个周期内的总体运行状况。图2是对系统运行一段时间内的模拟曲线示例。
1.5 百分比波段曲线
即使归纳函数选择的很理想，计算得出的系统指标值也能反映出管网系统的运行状况，但是这些都不能让我们了解管网元素（节点和管段）参数的分布情况。因此，本文使用一种直观有效的方法来描述各节点（或管段）参数的分布情况。它是以百分位数法为核心，通过计算把所有的节点或管段的参数数据分成四个波段，如图3所示：
图2 管网动态模拟系统曲线
0~25%25%~50%50%~75%75%~100%
图3 百分比波段曲线
2. 工程实例分析
某城地处华北地区，位于济南市附近。该城是一个中型城市，整个城市被三条街道分成三个区。城区内道路规划整齐，各类管线布置合理有序，各类历史文物和建筑保护合理。全城面积1619.82公顷，市区人口867628万人。G城天然气工业用户共有23家。其中有10家需设专用调压站中压供气。
图4中某城市中压管网[5]由30根管段和26个节点组成，在初始状态下，各管段管长、管径、流量和各节点的流量、如图所示。
图4城市中压管网图
表1某城市燃气管网管段和节点信息
2.1 某城管网系统曲线
通过加权平均法计算管网总需求流量为平均需求的0.25~2倍的指标值。并绘制出系统曲线。如图5所示：
在开始的一段，曲线一直保持平滑的上升势头，并且指标值始终在3以上，说明系统运行状况良好，各节点的压力满足用户要求。当需求保持增长，各节点压力持续下降，曲线中的压力表现指标值过了最佳点并且开始下降。总体来说，在负荷上升到1.25倍之前，管网系统的表现处于可接受的水平，负荷大于1.3倍时，管网系统已经无法正常满足节点用户的压力需求。
图5 系统曲线
2.2 压力指标值分布波段曲线
使用百分位数法把各节点压力指标值分成四个波段。如图6所示：
其中0是各节点压力指标的最小值，100%是各节点压力指标的最大值。黑色粗实线是系统曲线。
从图6中可以看出：
(1)当城市处于低峰(负荷参数0.25~0.75)用气时，管网系统性能指标值都比较高，表明在此流量区间管网处于良好的运行状态，完全能够满足城市用气的需要。
(2)当城市处于日常(负荷参数0.75~1.25)用气时，在负荷参数超过1.2时，已经有部分节点无法达到正常服务的压力标准，但此时管网系统性能指标值大部分大于2.5，表明在此流量区间管网绝大部分时间都能满足城市用气的需要。
0~25%25%~50%50%~75%75%~100%
图6 分布波段曲线
(3)当城市处于高峰用气时(负荷参数大于1.25)，在负何参数为1.3时虽然系统曲线的性能指标仍然大于3，但管网系统性能指标值有相当一部分开始低于2，表明在此流量区间管网有一部分已不能满足城市用户用气的需要，当负荷参数大于1.5时，对于相当一部分节点而言，已完全不能满足用户用气的需要。
3.结论
综上所述，在管网运行过程中，随着水力条件(尤其是城市用气量)的变化，管网供气可靠性也在发生相应的改变。在一定负荷参数下系统曲线只能反应系统的整体性能是否达到了用户对压力的要求指标值，而通过百分波段曲线，可以清楚看到在不同负荷参数下整个系统的节点在性能指标值区间所占的百分比。可见，基于水力计算的方法对燃气管网进行可靠性分析是可行并且可靠地。
参考文献
[1] O. Grady, D. T. Hiesy, J. F. Kiefner. Pressure Calculation for Corroded Pipe Developed. Oil&Gas Journal, 1992,90(42): 84～89
[2] Wood D J, Rates A G. Reliability of Algorithms for Pipe Network Analysis[J]. JASCE, HY10, 1991
[3]伍悦滨, 袁一星, 高金良. 给水管网系统性能的评价方法. 中国给水排水, 2003: 68~71
[4]Richard C, MaryJG, HenryR. Optimizing Pipeline Operations Through Mathematical Advances. Oil & Gas Journa l, 2001,(10): 51~53
[5]赵耀. G城天然气管网规划. 哈尔滨工业大学学士学位毕业设计. 2007
随着城市规模的不断扩大、人民生活水平的不断提高和卫生设施的不断完善，城市用气量在不断地上升，即使在一天的不同时间，节点流量的变化系数也较大，如白天高峰时的用气量就比晚上低谷时用气量大得多。为此，本文建立了一种基于水力计算的管网可靠性评价方法。优良的水力性能是保证燃气管网具有高度可靠性的前提[1]，考虑管网实际运行水力条件的变化，根据不同时段用气量不同，建立能较为真实地反映管网实际供气服务质量的城市燃气管网广义可靠性模型——系统服务性能指标法。
1.燃氣管网水力可靠性评价基本方法
在进行燃气管网系统水力可靠性定量评价时，首先应针对不同评价体系选定相关的状态变量，然后定义标准服务性能曲线用以标定元素级性能指标对状态变量的变化规律，最后选择归纳函数拓展元素级性能评价得到整个管网的性能指标值[2,3]。
1.1状态变量
所谓状态变量一般是指管网中节点或管段等元素的量值。本文中的燃气管网水力可靠性评价的第一步是确定状态变量，即针对不同的评价体系选定相关的状态变量。对于水力评价体系，则应选择节点压力作为状态变量之一。通常已知燃气管网的拓扑结构，在选定状态变量后需要通过燃气管网模拟计算及其他相关模型计算来决定状态变量的数值。无论通过何种途径获得状态变量的数值，都不影响它参与燃气管网的性能评价，但变量数值的精度将直接影响燃气管网性能评价的准确性。
1.2 服务性能曲线
燃气管网水力可靠性评价方法的第二步是在不同的评价体系中，针对相应的状态变量定义标准服务性能曲线。服务性能曲线通常反映了燃气管网元素级的性能指标对状态变量的变化规律，根据所定义的性能曲线可求得相应于各管网元素的性能指标值，即首先对管网元素进行性能评价。由于燃气管网系统的可靠性与其服务水平密切相关，因此在定义曲线时建立一个性能指标比尺。随着状态变量值的改变则指标在“无服务”和“最优服务”状态之间变化。
1.3归纳函数
对燃气管网系统中的基本元素(如节点或管段)进行水力可靠性评价后，就可得到相对于各个元素的指标值，然后再通过某种归纳函数建立各同类元素指标值之间的相关性，从而得到相对于整个燃气管网系统的总指标值[4]。
在这里“归纳函数”指一个算子，在燃气管网中该算子拓展了元素级的可靠性评价，产生了相对于整个燃气管网的总指标值。归纳函数的形式为：
P=W(Pi) (1)
式中P——系统总指标值；
Pi——在基本元素（节点、管段和环）上的指标值；
W——某一种算子。
例如：W可能是平均值算子。此时只需简单地在燃气管网范围内对n个元素的指标值取平均值，即：
P= (4-2)
另外也经常使用其他一些算子，如：最小值法，加权平均值法等。本文采用的是加权平均值法。
1.4 系统曲线
本文把系统水力可靠性的指标尺度转化为图形的方式描述出来，使之直观有效的传达指标值提供的信息，并生成在不同负荷参数下指标值变化的标准曲线图形，然后通过这些信息去分析和判断管网的运行状况以及可靠程度。
先选择一个平均需求工况，把这种条件下的系统的总流量需求作为负荷参数1，需求量在一定的范围内变化，计算在每个负荷参数下的系统指标值，得出系统曲线。这样得到的系统曲线是无量纲的，并且不依赖于管网的样式和大小。图1展示了一个系统的曲线：
图1 系统曲线
但在管网实际运行过程中，即使在一天的不同时间，节点流量的变化系数也较大，如白天高峰时的用气量就比晚上低谷时用气量大得多。系统指标值是根据管网系统运行日常得出的，我们重点关注的是每日峰值流量时的系统指标值，这样可以发现系统在满负荷情况下的运行状况以及潜在的问题。因此对系统一个运行时间周期的评价分析具有更重要的意义，这样可以通过曲线图看出系统在一个周期内的总体运行状况。图2是对系统运行一段时间内的模拟曲线示例。
1.5 百分比波段曲线
即使归纳函数选择的很理想，计算得出的系统指标值也能反映出管网系统的运行状况，但是这些都不能让我们了解管网元素（节点和管段）参数的分布情况。因此，本文使用一种直观有效的方法来描述各节点（或管段）参数的分布情况。它是以百分位数法为核心，通过计算把所有的节点或管段的参数数据分成四个波段，如图3所示：
图2 管网动态模拟系统曲线
0~25%25%~50%50%~75%75%~100%
图3 百分比波段曲线
2. 工程实例分析
某城地处华北地区，位于济南市附近。该城是一个中型城市，整个城市被三条街道分成三个区。城区内道路规划整齐，各类管线布置合理有序，各类历史文物和建筑保护合理。全城面积1619.82公顷，市区人口867628万人。G城天然气工业用户共有23家。其中有10家需设专用调压站中压供气。
图4中某城市中压管网[5]由30根管段和26个节点组成，在初始状态下，各管段管长、管径、流量和各节点的流量、如图所示。
图4城市中压管网图
表1某城市燃气管网管段和节点信息
2.1 某城管网系统曲线
通过加权平均法计算管网总需求流量为平均需求的0.25~2倍的指标值。并绘制出系统曲线。如图5所示：
在开始的一段，曲线一直保持平滑的上升势头，并且指标值始终在3以上，说明系统运行状况良好，各节点的压力满足用户要求。当需求保持增长，各节点压力持续下降，曲线中的压力表现指标值过了最佳点并且开始下降。总体来说，在负荷上升到1.25倍之前，管网系统的表现处于可接受的水平，负荷大于1.3倍时，管网系统已经无法正常满足节点用户的压力需求。
图5 系统曲线
2.2 压力指标值分布波段曲线
使用百分位数法把各节点压力指标值分成四个波段。如图6所示：
其中0是各节点压力指标的最小值，100%是各节点压力指标的最大值。黑色粗实线是系统曲线。
从图6中可以看出：
(1)当城市处于低峰(负荷参数0.25~0.75)用气时，管网系统性能指标值都比较高，表明在此流量区间管网处于良好的运行状态，完全能够满足城市用气的需要。
(2)当城市处于日常(负荷参数0.75~1.25)用气时，在负荷参数超过1.2时，已经有部分节点无法达到正常服务的压力标准，但此时管网系统性能指标值大部分大于2.5，表明在此流量区间管网绝大部分时间都能满足城市用气的需要。
0~25%25%~50%50%~75%75%~100%
图6 分布波段曲线
(3)当城市处于高峰用气时(负荷参数大于1.25)，在负何参数为1.3时虽然系统曲线的性能指标仍然大于3，但管网系统性能指标值有相当一部分开始低于2，表明在此流量区间管网有一部分已不能满足城市用户用气的需要，当负荷参数大于1.5时，对于相当一部分节点而言，已完全不能满足用户用气的需要。
3.结论
综上所述，在管网运行过程中，随着水力条件(尤其是城市用气量)的变化，管网供气可靠性也在发生相应的改变。在一定负荷参数下系统曲线只能反应系统的整体性能是否达到了用户对压力的要求指标值，而通过百分波段曲线，可以清楚看到在不同负荷参数下整个系统的节点在性能指标值区间所占的百分比。可见，基于水力计算的方法对燃气管网进行可靠性分析是可行并且可靠地。
参考文献
[1] O. Grady, D. T. Hiesy, J. F. Kiefner. Pressure Calculation for Corroded Pipe Developed. Oil&Gas Journal, 1992,90(42): 84～89
[2] Wood D J, Rates A G. Reliability of Algorithms for Pipe Network Analysis[J]. JASCE, HY10, 1991
[3]伍悦滨, 袁一星, 高金良. 给水管网系统性能的评价方法. 中国给水排水, 2003: 68~71
[4]Richard C, MaryJG, HenryR. Optimizing Pipeline Operations Through Mathematical Advances. Oil & Gas Journa l, 2001,(10): 51~53
[5]赵耀. G城天然气管网规划. 哈尔滨工业大学学士学位毕业设计. 2007