论文部分内容阅读
摘 要：城镇燃气管网的建设关系到我国的社会发展和人民生活质量的提高，在国家实施城镇化建设的进程中具有重要的作用。本文主要研究的是在城镇燃气管网设计当中的优化设计，提出城镇燃气管网优化设计的发展趋势。
关键词：城镇燃气 燃气管网 优化设计
一、城镇燃气管网优化设计应考虑的因素
1.合理选择压力调节装置
城镇燃气管网优化设计与实现的关键环节之一是合理选择压力调节装置，主要是选用调压柜之类的带有主副调压器和超压切断器的压力调节装置。调压的特点如下：（1）通过压力调节箱，可以找到压力调节装置的准确安全地点，这样即便出现了较为紧急的安全事故，也能够在最短时间内调节压力。（2）压力调节装置要满足大型企业用户和工业锅炉用气量的需要，燃气流量的压力标准应当在调压器和压力调节装置的承受范围之内，（3）使用主副调压器的最大好处在于，如果主调压器出现故障，副调压器就可以自动投入到供气的运行中，不会影响用户的使用。（4）压力调节箱的合理使用可以大大节约工程建设费用和调压站的占地面积，不需要像原来那样以楼栋为单位进行压力调节，这就大幅度降低了调压设备管理的费用和日常维护费用的支出，也使得调压箱的数量大大减少。（5）采用超压紧急切断阀后，即使是调压器管道出现压力不稳或调节器出现故障，紧急切断阀会自动关闭，这样既能保障燃气供应，又可保障供气安全。
2.城镇燃气管网的优化
随着城镇燃气管网优化设计深入开展，对于管网的结构优化也在不断进步。城镇燃气管网的管径大小一定要满足市场需要，同时还要保证材料成本和架设费用达到最佳的性价比。选择管材的不再根據以往的施工实践经验进行判定，而应当按照优化设计方案的需求进行考虑。
3.城镇燃气管网的管材选择
城镇燃气管网传统设计大都采用钢管，由于这些燃气管道长年埋设在地下，钢管很容易发生腐蚀，为避免或延缓腐蚀对管道的影响，必然要对管道进行有效的防腐蚀处理，处理难度大，费用较高。由于PE管具有使用寿命长、易于维修、安装简单、成本低等优点，在城镇燃气管网中开始被大量应用，特别是在中压管道中
二、燃气管网管径的选择
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
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。
3.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.城市管道耐久性原则选择
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
4.1 城市燃气管道反腐蚀性选择。因城市燃气管道属于半永久性设施，投产后维修或维护较难进行，故要求耐久性要好。在城市燃气管道表面涂敷防腐层就是为了隔绝腐蚀介质、切断腐蚀电池的外部电路，是城市燃气管道防腐蚀的第一道防线。
4.2 管道承载力。承载力寿命理论是考虑城市燃气管道腐蚀引起的抗力退化，当城市燃气管道的承压能力下降到不足以抵抗城市燃气管道压力的荷载作用时， 城市燃气管道就达到了承载力失效的状态，这一界限值作为城市燃气管道的耐久性极限状态
4.3 城市燃气管道裂纹尺寸与锈蚀量限值。在腐蚀和内压载荷波动等因素的共同作用下，城市燃气管道的裂纹将会加速扩展。裂纹尺寸与锈蚀量限值理论是以管壁裂纹尺寸或锈蚀量达到某一控制界限值所需时间作为城市燃气管道的使用寿命。裂纹尺寸限值通常指行业或企业等相关部门规定的临界值；腐蚀量限值通常用城市燃气管道截面的损失率来表示。该寿命准则仍然偏严，限值的确定依赖实际工程和专家经验，因而存在很大的人为主观性。当城市燃气管道发生腐蚀、疲劳开裂后还允许城市燃气管道有一定的工作能力，还不至于影响城市燃气管道的安全运行。
三、城镇燃气管网优化设计的发展趋势
1.多目标化
城镇燃气管网的优化实质上属于多目标优化问题。在进行结构设计时，要充分考虑城镇燃气管网运营、建设费用及结构可靠度等多个因素，而不能像传统设计那样进行余量设计时不计成本。优化设计已经变为“综合优选”，而不再是传统设计的“校对和分析”。城镇燃气管网优化设计的目标在于利用现有资源来满足可靠性约束和常规约束，使管网的热力能耗指标、管网的动力能耗指标、管网投资成本指标等项达到最佳状态，同时，还应该充分考虑管道结构的稳定性、刚度、强度，降低输送成本，提高管道输送系统的可靠性，降低管道建设的投资。以武汉市天然气有限公司铸铁管改造工程为例，该段天然气中压铸铁管道从汉口青年路至新华路，是最早敷设的城市燃气管网之一，建设于上世纪90年代中期，在人工煤气时代起着重要作用。随着城市发展，沿线工商企业用户及居民用户日益增多，特别是青年路商圈迅速发展，形成了现有的金融一条街，天然气用户涵盖了武汉广电、顶好酒店、新世界餐饮、西园商业街、武商集团等39家大中型商业企业，沿线居民小区有22个，居民用户达1.2万户。该铸铁管改造工程2012年4月启动，首期改造燃气中压铸铁管200m，将原有铸铁管网进行改造，全部更换为更为耐用的钢管，提高了管道的耐受力，还为后期提升天然气供应能力奠定了基础。
2.自动化
在城镇燃气管网的运营中，目前已广泛应用自动化控制，下一控制单元的操作由上一控制单元的运行情况直接影响，这就形成了城镇燃气管网优化设计条件苛刻、操作参数繁多、技术含量高的外部条件。
3.快速化
城镇燃气管网一旦发生泄漏、火灾、爆炸等安全事故，将给社会和人民生命财产带来重大损失，造成严重的社会影响。因此，燃气公司必须建立快速反应和处理安全事故的机制和能力，因此除了工程技术措施外，在设计中，应当具备快速可靠的优化算法。城镇燃气管网的设计者也在不断探索和完善快速优化模型的过程中
三、结语
每一名城镇燃气管网的设计者，在具体的城镇燃气管网优化设计中，应因地制宜，结合各地的实际情况，通过慎重严密的科学论证，对输配系统功能和输配系统的参数进行合理选择和确定，对具体方案的设计从技术和经济的多重角度进行分析比较，综合考虑整个城镇燃气管网系统的建设工程造价、日常运行、维护维修等费用，选择最优的城镇燃气管网设计方案。
参考文献
[1] 李悦敏，李兴泉，赵自军，王启，鞠秀峰，任广如. 遗传算法在燃气管网优化的应用进展[J].煤气与热力，2011，（6）：132-135
[2] 王烜，段常贵. 改进遗传算法在燃气管网布局优化中的应用[J].哈尔滨工业大学学报，2009，（1）：145-147
[3] 王建强，王京，杨卫国. 燃气输气管道管径优化设计方法概述[J].邯郸职业技术学院学报，2010，（4）：167-169
[4] 王同华，王磊，张春波，卢守卫. 燃气管网设计中的模拟与优化研究进展[J].城市燃气， 2011，（5）：155-158
[5] 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，2010，（10）：160-163
关键词：城镇燃气 燃气管网 优化设计
一、城镇燃气管网优化设计应考虑的因素
1.合理选择压力调节装置
城镇燃气管网优化设计与实现的关键环节之一是合理选择压力调节装置，主要是选用调压柜之类的带有主副调压器和超压切断器的压力调节装置。调压的特点如下：（1）通过压力调节箱，可以找到压力调节装置的准确安全地点，这样即便出现了较为紧急的安全事故，也能够在最短时间内调节压力。（2）压力调节装置要满足大型企业用户和工业锅炉用气量的需要，燃气流量的压力标准应当在调压器和压力调节装置的承受范围之内，（3）使用主副调压器的最大好处在于，如果主调压器出现故障，副调压器就可以自动投入到供气的运行中，不会影响用户的使用。（4）压力调节箱的合理使用可以大大节约工程建设费用和调压站的占地面积，不需要像原来那样以楼栋为单位进行压力调节，这就大幅度降低了调压设备管理的费用和日常维护费用的支出，也使得调压箱的数量大大减少。（5）采用超压紧急切断阀后，即使是调压器管道出现压力不稳或调节器出现故障，紧急切断阀会自动关闭，这样既能保障燃气供应，又可保障供气安全。
2.城镇燃气管网的优化
随着城镇燃气管网优化设计深入开展，对于管网的结构优化也在不断进步。城镇燃气管网的管径大小一定要满足市场需要，同时还要保证材料成本和架设费用达到最佳的性价比。选择管材的不再根據以往的施工实践经验进行判定，而应当按照优化设计方案的需求进行考虑。
3.城镇燃气管网的管材选择
城镇燃气管网传统设计大都采用钢管，由于这些燃气管道长年埋设在地下，钢管很容易发生腐蚀，为避免或延缓腐蚀对管道的影响，必然要对管道进行有效的防腐蚀处理，处理难度大，费用较高。由于PE管具有使用寿命长、易于维修、安装简单、成本低等优点，在城镇燃气管网中开始被大量应用，特别是在中压管道中
二、燃气管网管径的选择
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
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。
3.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.城市管道耐久性原则选择
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
4.1 城市燃气管道反腐蚀性选择。因城市燃气管道属于半永久性设施，投产后维修或维护较难进行，故要求耐久性要好。在城市燃气管道表面涂敷防腐层就是为了隔绝腐蚀介质、切断腐蚀电池的外部电路，是城市燃气管道防腐蚀的第一道防线。
4.2 管道承载力。承载力寿命理论是考虑城市燃气管道腐蚀引起的抗力退化，当城市燃气管道的承压能力下降到不足以抵抗城市燃气管道压力的荷载作用时， 城市燃气管道就达到了承载力失效的状态，这一界限值作为城市燃气管道的耐久性极限状态
4.3 城市燃气管道裂纹尺寸与锈蚀量限值。在腐蚀和内压载荷波动等因素的共同作用下，城市燃气管道的裂纹将会加速扩展。裂纹尺寸与锈蚀量限值理论是以管壁裂纹尺寸或锈蚀量达到某一控制界限值所需时间作为城市燃气管道的使用寿命。裂纹尺寸限值通常指行业或企业等相关部门规定的临界值；腐蚀量限值通常用城市燃气管道截面的损失率来表示。该寿命准则仍然偏严，限值的确定依赖实际工程和专家经验，因而存在很大的人为主观性。当城市燃气管道发生腐蚀、疲劳开裂后还允许城市燃气管道有一定的工作能力，还不至于影响城市燃气管道的安全运行。
三、城镇燃气管网优化设计的发展趋势
1.多目标化
城镇燃气管网的优化实质上属于多目标优化问题。在进行结构设计时，要充分考虑城镇燃气管网运营、建设费用及结构可靠度等多个因素，而不能像传统设计那样进行余量设计时不计成本。优化设计已经变为“综合优选”，而不再是传统设计的“校对和分析”。城镇燃气管网优化设计的目标在于利用现有资源来满足可靠性约束和常规约束，使管网的热力能耗指标、管网的动力能耗指标、管网投资成本指标等项达到最佳状态，同时，还应该充分考虑管道结构的稳定性、刚度、强度，降低输送成本，提高管道输送系统的可靠性，降低管道建设的投资。以武汉市天然气有限公司铸铁管改造工程为例，该段天然气中压铸铁管道从汉口青年路至新华路，是最早敷设的城市燃气管网之一，建设于上世纪90年代中期，在人工煤气时代起着重要作用。随着城市发展，沿线工商企业用户及居民用户日益增多，特别是青年路商圈迅速发展，形成了现有的金融一条街，天然气用户涵盖了武汉广电、顶好酒店、新世界餐饮、西园商业街、武商集团等39家大中型商业企业，沿线居民小区有22个，居民用户达1.2万户。该铸铁管改造工程2012年4月启动，首期改造燃气中压铸铁管200m，将原有铸铁管网进行改造，全部更换为更为耐用的钢管，提高了管道的耐受力，还为后期提升天然气供应能力奠定了基础。
2.自动化
在城镇燃气管网的运营中，目前已广泛应用自动化控制，下一控制单元的操作由上一控制单元的运行情况直接影响，这就形成了城镇燃气管网优化设计条件苛刻、操作参数繁多、技术含量高的外部条件。
3.快速化
城镇燃气管网一旦发生泄漏、火灾、爆炸等安全事故，将给社会和人民生命财产带来重大损失，造成严重的社会影响。因此，燃气公司必须建立快速反应和处理安全事故的机制和能力，因此除了工程技术措施外，在设计中，应当具备快速可靠的优化算法。城镇燃气管网的设计者也在不断探索和完善快速优化模型的过程中
三、结语
每一名城镇燃气管网的设计者，在具体的城镇燃气管网优化设计中，应因地制宜，结合各地的实际情况，通过慎重严密的科学论证，对输配系统功能和输配系统的参数进行合理选择和确定，对具体方案的设计从技术和经济的多重角度进行分析比较，综合考虑整个城镇燃气管网系统的建设工程造价、日常运行、维护维修等费用，选择最优的城镇燃气管网设计方案。
参考文献
[1] 李悦敏，李兴泉，赵自军，王启，鞠秀峰，任广如. 遗传算法在燃气管网优化的应用进展[J].煤气与热力，2011，（6）：132-135
[2] 王烜，段常贵. 改进遗传算法在燃气管网布局优化中的应用[J].哈尔滨工业大学学报，2009，（1）：145-147
[3] 王建强，王京，杨卫国. 燃气输气管道管径优化设计方法概述[J].邯郸职业技术学院学报，2010，（4）：167-169
[4] 王同华，王磊，张春波，卢守卫. 燃气管网设计中的模拟与优化研究进展[J].城市燃气， 2011，（5）：155-158
[5] 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，2010，（10）：160-163