燃气管网阀门配置研究

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1、燃气管网阀门配置研究燃气管网阀门配置研究a.管网阀门配置状况管网阀门配置状况 长期以煤制气为主要气源，管网一般为中低压两级系统，中压管网压力不高于，且管网规模不大 大量的低压管网几乎不配置截断阀门。中压管网配置数量有限的阀门，并无一定之规。b.配置阀门无一致的方法配置阀门无一致的方法 20世纪80年代初哈尔滨建成气源为高压气化煤气的大型城市中压管网系统（管段数1700）；以及进入21世纪后，以天然气为气源，各地大量建设中压管网为主体的城市燃气系统，都面临了各级管网如何配置阀门的问题 区域隔离配置的设计指标，例如按（12万户区域）配置阀门 阀门密度个km作为配置指标c.高压燃气阀门及阀门井综合单

2、价高压燃气阀门及阀门井综合单价40 5080100150200250300400024681012141618x 104Pipe Diameter mmCost Yuand.阀门配置方式的共同不足点阀门配置方式的共同不足点 经验的方式 只注意到影响阀门配置的单一因素 缺乏明确的拓扑规则 燃气管网的阀门配置原则配置原则 阀门配置定理配置定理 阀门规则配置模式规则配置模式 规则配置阀门阀门计数公式计数公式 阀门配置公式配置公式 燃气管网阀门配置方法配置方法 1.燃气管网的管段与阀门燃气管网的管段与阀门 定义：燃气管网的管段定义为管径、材质不变以及其上无分流或合流的一段管道。这是严格定义的管段概念

3、定义：限定其上无分流或合流的一段管道，这是管段的宽泛定义 “水力计算管段”的定义 忽略管段被细分的情况：配气支管用于分配途泄流量 支管、支阀、端阀支管、支阀、端阀 支管：只有一根管段的枝形管道 支阀：支管连向干管的阀门 端阀：支管端点的阀门 2.阀门的理论配置与理论配置定理阀门的理论配置与理论配置定理“逐管段隔离原则逐管段隔离原则”：管网的任一管段发生故障时，都能用与其相关的阀门将其与管网的其他部分隔离 “理论配置理论配置”模式模式：阀门按逐管段隔离原则配置 理论配置可以实现逐管段用阀门将故障管段有效地从管网的其他部分隔离 理论配置理论配置理论配置模式的数量表达式理论配置模式的数量表达式 fv

4、=nv-1 （1）fv管网节点在相关管段上设置的阀门数；nv节点的度数（图论概念），即与节点相连的管段数对管网支管端点:fv=nv （1a）管网阀门理论配置管网阀门理论配置 节点nvfv 节点 nv fv 1 32 8 1 1 2 21 9 1 1 3 43 10 1 1 4 32 11 1 1 5 32 12 1 1 6 21 13 1 1 7 32理论配置定理理论配置定理 对某一级燃气管网，管段数为B，环数为H，进行阀门理论配置，则阀门数量为：JB+H-1 （2）J某一级燃气管网阀门理论配置，除端阀外的阀门总数 B某一级管网管段数 H某一级管网环数 （对管网的全部管道）JB+H-113+1

5、-113包括端阀：JSB+H+TE-113+1+6-1193.燃气管网燃气管网阀门的规则配置与阀门的规则配置与阀门计数公式阀门计数公式从工程实际出发考虑管网阀门配置 采取“区域隔离原则”，即划定一定区域、将若干管段作为一个隔离对象 阀门有较高的故障率 截断阀出现故障，其影响范围将会是隔离管段数影响范围的两倍 阀门规则配置阀门规则配置-从理论配置模式出发-对干管减少截断阀，变为“每m根管段隔离”形成区域隔离（称为m级配置）-保留支阀完全规则配置（完全规则配置（1）m=3 完全规则配置（完全规则配置（2）m=3 规则配置规则配置m=3 孤立组孤立组组中管段数少于级数m的管段组称为 孤立组孤立组规则

6、配置的管网可能存在n个剩余组各剩余组 i 中分别有Ri根管段因而规则配置的管网有Ri根孤立管道例：按例：按3级规则配置的管网级规则配置的管网 管网：管段数B=67，环数H=14，支管数T=18本管网配置了多少阀门？下面分析此问题，进行定量的讨论完全规则配置可以产生的管段组数完全规则配置可以产生的管段组数（不包括支管）（不包括支管）mTBZ实际产生ZE个m级管段组，所以m级管段组组数少：mRZZZiE/mTBmJm1规则减阀数规则减阀数完全规则配置相对于理论配置的干管减阀数 （B-T）是干管数孤立管段组减阀数孤立管段组减阀数 niiRRJ11余阀余阀 出现管段组中可取消的无隔离作用的阀门，称为余

7、阀余阀出现包含环的管段组。在进行规则配置时，某个 m级（m3）管段组存在h个环时，可以看为是从组内恰有m+h-1个阀门的理论配置开始，取消（m-1）个阀门，形成规则配置；组内无需阀门，仍有h个阀门可以取消，即为余阀余阀，管段组中的环即为通环通环。规则减阀及余阀规则减阀及余阀 mJmJ（B=m=7，J=m+H-1=7+2-1=8，=6，=H=2）组外规则配置阀门 规则减阀 余阀 余阀数 余阀数等于通环数 可由通环数获知余阀数由通环数获知余阀数mmHJ未取消的阀门数 规则配置相对于完全规则配置 未取消的阀门数/mRmZmJiZ)1()1(阀门计数公式阀门计数公式 TJJmLPZRmmJJJmTBm

8、HBJ11包括支阀：不包括支阀：包括端阀：EmSTJJ例：例：管网B=33，H=10，T=0。进行m=4级配置,Z=组 8433理论配置阀门数 421-1033JmTBmJm124403314mJ，0mJ1iRRJ有7个小于m的孤立管段组（管段旁伴有虚线）有一个m=3的管段组减阀2个余阀数为0JR=2规则配置时，未实现的m级管段组数249mRZi ZmJZ)1(（规则配置管段组数为ZE=6 组）或=（4-1）2=664)1111113()1(4)1()1(/mRmZmJiZ总减阀数总减阀数 ZRmmJJJJ管网配置阀门数管网配置阀门数 Jm=42-(24+0+2-6)=22 52.042/22

9、/JJm管网管网m级规则配置方法级规则配置方法 分为分为3步进行步进行：-全管网进行理论配置-对干管，取消管段组内（m-1）个阀门-取消余阀，取消孤立管段组内阀门 例：管网例：管网（B=67,H=14,T=18）（支管全设支阀）不同级别的阀门配置不同级别的阀门配置 配置级别m 2 4 816 J 80 80 80 80 Jm 24 36 42 45 Jm 0 0 2 6 Jm+Jm 24 36 44 51 Jm 56 44 36 29 Jm/J规则配置性质规则配置性质 规则配置不是唯一的，能有多种型式；形成规则配置，可以按任意自然数 2，3，（B-T）级的数目隔离；对一个管网可以采用混合级别的

10、 规则配置。实际管网，一般配置成规则配置，且配置级别不大于4级（m4），一般余阀数为0。规则配置改进为完全规则配置规则配置改进为完全规则配置调整某些节点的阀门在管段上的位置调整管段组划分变为完全规则配置完全规则配置，可减少阀门 比较比较：（充分的充分的）完全规则配置完全规则配置，0ZJ21-31RJR）（，21mJ）（）（14152122442mJ4.阀门规则配置公式阀门规则配置公式 由阀门密度阀门密度定义，按配置阀门计数公式，忽略 得到阀门密度与相应配置级别的关系：mJRJBLHmTBkLP1阀门规则配置级别阀门规则配置级别 配置级别m的适用指标值它可用于指导实际的管网阀门配置设计 BHLk

11、BTmLP115.规则配置的各因素分析规则配置的各因素分析 管网形状管网形状 11.522.533.544.555.5600.511.5Valve Density k set/kmArangment Level枝状管网长形环网方形环网 管网环密度管网环密度 0.150.20.250.30.350.40.450.500.511.522.5配置级别m=1到m=6Loop Density H/BValve Density k LP配置级别m=1到m=6考察方环形管网，有同样大小的敷设面积但有不同的环密度（H/B）管段平均长度管段平均长度 0.511.501234H/B=0.15m=16Section

12、 Average Lenth L(km)Valve Density on Loop k LP0.511.501234H/B=0.2m=16Section Average Lenth L(km)Valve Density on Loop k LP0.511.501234H/B=0.3m=16Section Average Lenth L(km)Valve Density on Loop k LP0.511.501234H/B=0.4m=16Section Average Lenth L(km)Valve Density on Loop k LP 管网规模管网规模05010015020025030

13、00.20.30.40.50.60.70.80.91LR kmkLP Set/km100144256324361H=400100144256324361H=400m=3 配置级别配置级别配置级别愈多，阀门密度愈小1、2级之间相差较大，但在4级以后这种变化即不显著 4.燃气管网燃气管网阀门的现行配置阀门的现行配置010020030040050060070080000.511.522.533.54L km kLP5.结论结论 燃气管网阀门理论配置定理是解决燃气管网阀门配置问题的科学基础。规则配置方法及其阀门配置公式可作为工程设计原理及实用方法。区别对待不同规模的管网，按设定的管网管段平均长度L，管

14、网的结构特征（H-1）/B、T/B,考虑采用的经济性的阀门密度kLP，可得到应采用的相应配置级别m的适用指标值。从规则配置可以看到，阀门故障一般会影响到2m根管段。因此规则配置级别不能太大。配置阀门的注意点 配置的优先原则：对一节点各相关管段，优先在较小管径的管段上设阀门；使管段组尽量靠近为一小区进行阀门配置，以便于管理；可对实际的配置方案作若干调整，以接近充分的充分的完全规则配置完全规则配置。阀门理论配置定理证明阀门理论配置定理证明 用数学归纳法数学归纳法。对2根管段（B=2，H=0）的管网系统，需用1个阀门与另1管段隔离 J=B+H-1=2+0-1=1 对3根管段的管网有两种型式a）,b）

15、a）B=3，H=0，需用2个阀门将各管段隔离：J=B+H-1=3+0-1=2b）B=3，H=1，需用3个阀门将各管段隔离：J=B+H-1=3+1-1=3 若对管段数为B，环数为H，为使每一管段都可与整个管网隔离，需要的阀门数为J，且符合定理的计算，有：J=B+H-1或 J-（B+H-1）=0 考察管段数为B=B+1，环数为H，需要阀门数为J 的情况。对管网增加一根管段，即管段数B=B+1的型式只有a），b）两类a）B=B+1，H=H+0，需用J=J+1个阀门将各管段隔离 J-（B+H-1）=（J+1）-（B+1）+（H+0）-1有 J-（B+H-1）=J-（B+H-1）=0 J =B+H-1b

16、）B=B+1，H=H+1，需用J =J+2个阀门将各管段隔离 J-（B+H-1）=（J+2）-（B+1）+（H+1）-1有 J-（B+H-1）=J-（B+H-1）=0 J =B+H-1定理得证|关于余阀的引理关于余阀的引理定义：对管段组中的环，取消其上余阀后，成为无阀门的环，称为通环。由通环定义可知，对一个管段组，余阀与通环是一个对应。对实际管网，阀门配置级别高于3级时，有可能出现包含环的管段组。在进行在进行规则配置规则配置时时，某个 m级（m3）管段组存在h个环时，可以看为是从组内恰有m+h-1个阀门的理论配置开始，取消（m-1）个阀门，按按管段组的定义管段组的定义，组内无需阀门，此时必定仍

17、有h个阀门可以取消，此仍可取消的阀即为余阀余阀，管段组中的环即为通环通环。参见图3。mJmJ（B=m=7），J=m+H-1=7+2-1=8，=6，=Hm=2）组外规则配置阀门；规则减阀；余阀【证明证明】理论配置的管网中，两相邻管段组之间最多只有一个相邻环，该相邻环只属于其中一个管段组；对含有环的管段组，可将其与邻组的阀门调整到该管段组外，该管段组成为只有一个管段组的管网；由此，该管段组（管网）理论配置的阀门数为：1HBJ对该管段组进行m级规则配置，规则减阀数为：11BmBmJmBm mmHJJmJmmHJ该管段组内仍余有阀门数：对管段组内的余阀可以取消；，则：引理得证引理得证记余阀数为谢 谢！