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城市燃气管网的连通可靠性分析.pdf

城市燃气管网的连通可靠性分析

勤劳的mango222
2017-07-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《城市燃气管网的连通可靠性分析pdf》,可适用于领域

城市燃气管网的连通可靠性分析同济大学机械与能源工程学院周宇秦朝葵摘要:利用图论相关知识对城市燃气管网的系统结构可靠性(连通可靠性)进行了尝试性研究分别从用气节点连通可靠度和管网系统连通可靠度两个角度定量分析了环状管网的拓扑结构对管网稳定运行的影响并利用管道的连通重要度来定量评价不同位置的管道对管网系统连通可靠度的贡献。关键字:燃气管网拓扑结构连通可靠性图论城市燃气管网主要由连接气源点和各用气节点间的大量燃气管道及附属设备构成。管网供气功能的发挥不仅与组成管网的各管道结构可靠性相关而且与各管道之间的联系方式密切相关这种联系主要表现为管网的拓扑结构特征。城市燃气管网的规划设计首先应根据气源和燃气用户的分布构建一个经济合理安全可靠的管网拓扑结构。作为生命线工程的重要组成部分城市燃气管网常设计成环状使得气源和用气节点之间能够构建多条通路以便当其中一条通路因某根管道失效而破坏时仍然有可备用的通路正常工作保证气源和用户之问的连通。然而在目前的城市燃气管网规划设计及在役管网的维护更新改造中尚缺乏环状管网的拓扑结构对管网供气功能影响的定量评价标准。本文主要基于图论等相关知识在借鉴当今通信信息网络高压输电网络、区域交通网络、城市供水管网等大型网络系统可靠性研究成果的基础上提出评价燃气管网拓扑结构的可靠性指标mdashmdash连通可靠性。根据系统可靠性理论可将燃气管网的连通可靠性定义为管网在规定时间和规定的条件下气源与燃气用户之间保持连通的概率。燃气管网图论基础城市燃气管网可简化为气源点、管道和用气节点等组成一般称气源点为源点用气节点为汇点。图论是网络可靠性分析中应用非常广泛的书个数学分支。根据图论燃气管网可抽象成由节点以及连接节点对之间的分支(边)组成的图{=圮为G=(y句其中矿表示节点的集合V={Hv⋯b)为节点数E表示分支的集合E=如ez一舔擞Ⅳ为分支数。分支permil对应着的两个节点分别为ldquoV和匕。当流体流动的方向是u一匕此时将分支写成(vvj)图G称为有向图。当流动方向尚来确定或流动方向与我们所研究的问题无关时允支靠即可写成t■也可写成vjv图G称为无向图。既含有向分支又含无向分支的图称为混合图≯对于含有个节点的任意类型一(无向有向或混合)网络系统G=(矿E)构造^阶方阵:c=ciAjtimeslsquo()式中C口为矩阵元素当节点f到节点.之间有分支ek直接相连时cldquo=%当节点净节点.之间没有任何分支直接相连时cij=O。C即为该网络的联络矩阵。如对于图l所示某网络拓扑结构图含有个节点条有向边和条无向边的混合图。图I某管网拓扑结构示意上海煤气年第期((万方数据根据式该混合图的联络矩阵C可表示为:C=eeleeeeOOeleeese管网连通可靠性及算法实现在对燃气管网连通性进行描述之前给出基本假设如下:()边(管道)只有两种可能的状态:正常或失效()节点不失效()各边之间相互独立即一条边的失效不影响其它的边。燃气管网的连通性可靠性侧重于考察网络中的各气源点(源点)与各用气节点(汇点)之间的连通性并用连通的概率(连通可靠度)作为定量评价指标。对多源燃气管网进行连通可靠性分析时可通过虚拟节点和边简化为单源系统本文仅以单源燃气管网为例进行分析。燃气管网的连通可靠度可以分为用气节点连通可靠度和管网系统连通可靠度两个方面。.用气节点连通可靠度从燃气用户的角度出发某一特定用户(用气节点)与气源点之间是否连通从而获得来自气源点的燃气也即研究指定用气节点V与气源点K连通的可靠度简称用气节点连通可靠度记为&。简单燃气管网包括枝状管网和单环燃气管网。由于组成这类管网各管道之间具有相对简单的串并联关系容易进行用气节点连通可靠度的求解。相比于简单的枝状管网和单环管网多环管网的管道数量庞大拓扑结构型式复杂同时考虑到某些管道流动方向的不确定性各管道间的串并联关系也具有不确定性。特别是目前的城市燃气管网通常有数个、数十个甚至上百个环网构成由于管网通路的数量与管网规模(节点))年第期上海煤气道和环的数量是呈非线性增长的各用气节点与气源点之间最小路的数量往往非常大此时利用简单燃气管网用气节点连通可靠度的求解方法往往难以完成并可能出现所谓的NP难题。由于Monte.Carlo方法对求解的问题没有限制回避了连通可靠性分析中的NP难题对问题的维数不敏感不需考虑网络拓扑的复杂性只要随机抽样的次数足够多就可以得到精度很高的解。因此本文采用该方法进行燃气管网的用气节点连通可靠性分析。Monte.Carlo法计算用气节点连通可靠性的流程见图。图MonteCarlo法计算用气节点连通可靠性的流程利用Monte.Carlo法分析用气节点连通可靠性的步骤如下:()禾lJ用管道结构可靠性分析方法得到管网中每段管道的结构可靠度或失效概率pc(k)()对管网中每段管道产生(~)之间的均匀随机数列r(k)通过与管道的结构失效概率尸㈣比较万方数据当r(k)Pldquok)时rB(k)=l否则晒rsquo(k)=()将四(k)和管网节点邻接矩阵D联立建立管网的失效概率矩阵占()禾lJ用图论相关算法对矩阵E求可达性矩阵尸()当Ei:时连通则tij=tij否则不连通tijtij()重复步骤~直到满足要求的精度。如果模拟次数总共为K次则可把各节点的连通频率近似为连通概率尺ii:民=岛/K.管网系统连通可靠度从燃气气源和整个管网的角度出发研究气源点与所有用气节点的连通可靠度简称管网系统连通可靠度记为如。。求出管网中所有用气节点的连通可靠度民后可根据以下权重因子法求出整个管网系统的连通可靠度。...足。吼=sumq民()j=l式中民。为管网系统连通可靠度R白为用气节点歹的连通可靠度为燃气管网中的用气节点总数q为用气节点的权重因子其值可由节点J的用气量占整个管网总用气量的比值确定。.管道的连通重要度管道的连通重要度是从管道本身的结构可靠度和管网拓扑结构的角度来考察管道失效对整个管网连通可靠性的影响。管道ek的连通重要度氐(魄)可表示为o(eO=淼()根据贝叶斯定理燃气管网G的连通可靠度k可表示为:£。n烈=P(Gf气)£(Ji})P(Gf瓦)【(一£(七)】()式中P(G}ek)为管道ek正常工作时燃气管网G的连通可靠度P(GI瓦)为管道ek失效时燃气管网G的连通可靠度。于是管道魄的连通重要度可以写为:IRe(气)=P(Gl气)一P(Gl瓦)()式()说明燃气管网G中管道鼠的连通重要度可以看成是两个不同的网络系统连通可靠度之差即管道鼠正常工作时管网G的连通可靠度与管道鼠失效时管网G的连通可靠度之差。设管网连通可靠度与组成管网的N段管道的结构可靠度Pr的关系表达式为月。可㈣j则管道鼠的连通重要度为:IRo(%)=怛()只()⋯只(七一)lP(.i})⋯只(Ⅳ)JrR、一k()P()⋯e(露一)o只infin十)⋯Pr(mdash的J燃气管网的连通可靠性分析根据上述算法即可对城市燃气管网进行连通可靠性分析。如对于图所示的某城市环状高压燃气管网节点①mdash⑤为用气节点节点⑥为燃气气源点e~e为燃气管道。各管道失效概率见表所示:表各管道的失效概率在各管道阻抗相对大小未知的情况下只能确定与源点⑥关联的管道e。和e的流动方向为远离气源方向f如图中箭头所示)而管道e~e的流动方向无法确定。故可将管道e和e记为有向边而流向不固定即可能双向流动的管道已~已记为无向边。该管网的节点邻接矩阵可表示为:D=OlOOOOOOOOOOOOOOOO()根据表l中各管道的失效概率利用Monte.管网连通可靠性计算程序可求得銎i节点的连通可靠性矩阵R:上海煤气年第期((万方数据R=()由于本管网中节点⑥为燃气气源点故上述矩阵R。中第六行中第.列的数值即为用气节点.与气源节点⑥之间的连通可靠度凰如离气源点最远的用气节点③的连通可靠度Re最小仅为.而离气源点较近的节点①和节点⑤的连通可靠性较大分别为.和.。当各用气节点用气量相等时利用式()可计算该管网的连通可靠度:如既=sumco,Ref=o.x(O..=O。..Q=.利用式()还可分析各管道失效对燃气管网系统连通可靠度的影响具体结果见表。表各管道失效对燃气管网系统连通可靠度的影响管工作用气节点连通可靠度管网系统管道连通道状态连通可靠度重要度风如足如RReadRinfine皿clRcne如正常......el.失效.....O.正常......eO.失效.....正常......e.失效.O.lO.lO...正常......e.失效.l...O..正常......e.失效......正常......e.失效.....O.正常....l.e.失效...l..通过对表的分析可得出以下结论:()任一管道失效都会造成管网系统连通可靠))年第期上海煤气性的降低同时本例中任一管道失效管网都将由双环变成单环结构这也从侧面验证了管网系统的连通可靠性随着管网环数的增多而增大。()不同管道的连通重要度不同如本例中各管道连通重要度排序为elPP已P已e说明了系统中不同位置的管道失效对管网连通可靠性的影响不同。如在管网运行维护阶段以定量的管道连通重要度为参照依据不同管道对连通可靠性的ldquo相对贡献rdquo制定有差别的管网维修更新及运行监控方案有利于更科学地安排管网维护计划合理利用资金提供管网服务质量。()管道连通重要度不仅与该管道距离气源点的相对距离有关还与管网中其它管道的结构可靠度有关。rsquo结语本文利用图论相关知识借鉴当今通信信息网络高压输电网络、区域交通网络、城市给水管网等大型网络系统可靠性的研究成果对城市燃气管网的连通可靠性进行了试探性分析分别从用气节点连通可靠度和管网系统连通可靠度两个方面定量分析了环状管网的拓扑结构对管网稳定运行的影响并利用管道的连通重要度来定量评价各管道对管网系统连通可靠度的贡献。其研究目的是在管网的拓扑结构设计中从系统连通可靠性角度提供一定的参考也为在役燃气管网完整性评估、管网应急抢险预案制定、管网维护更新改造方案制定、管网抗震可靠性评价等方面提供一定的参考。当然一般情况下对于环数较少、结构不太复杂的城市燃气管网通过简易快捷的、带有一定主观因素的定性分析也能得出与本章实例中相似的结论。但是随着环数的增多和管网拓扑结构的复杂只有通过对管网连通可靠性的定量分析才能相对科学地评价管网的拓扑结构对管网稳定运行的影响进而指导燃气管网的规划设计和在役管网的完整性管理这也是本文研究的意义所在。(下转第页)ⅪOOⅨOO勉泓m鲫咖师mmnnLnOnmmLmn卯阱infin弱盯舛OmnLnnnMinfin眩铝晒潞pD沼愿pOOO鲫叽跖盯记卯Lnunununu吼万方数据运行日趋理想化。因此中低压地区调压器工况检测和运行数据分析将显得尤为重要对运行工况的检测主要应从调压器出口压力及负荷(即流量)两个方面进行考虑。目前调压器出口压力监测技术相对成熟已逐步推广应用对监测调压器运行工况起到了一定的作用但仅通过压力检测并不能完全反应调压器负荷的变化情况。由于尚无较为经济合理且可推广应用的负荷监测手段对调压器负荷的检测往往通过现场查看调压器阀口开启度、或听调压器的流速声音等办法凭经验加以研判因此对单台中低压地区调压器负荷变化的监测仍需要投入大量人力、物力通过现场调压器不同时段的运行情况加以分析和判断。通过对地区调压器运行工况的分析可实现两个目的。()众所周知燃气管网用气负荷存在季节不均性的特点通过工况分析可在用气负荷小的季节尤其是在目前调压器总的供给能力远远大于实际需求的情况下可适当关闭部分的地区调压器以降低日常的运行维护各类成本投入。()经过长期的数据积累结合每年调压器的改造逐步降底中低压地区调压器的装机容量同时调整调压器在整个管网的分布情况使得地区调压器配备和布局逐步趋于理想化水平。.运行工况监控随着科技进步和信息化水平的发展应积极寻找、开发适用于调压器工况监测尤其是负荷变化监测的新手段、新技术。通过新技术的推广和应用实现调压器负荷变化监控的数字化和实时性逐步摆脱人为的各类不确定因素。通过对实时变化的数据分析为市南地区中低压地区调压器配备的优化提供科学依据。结语综上所述整个市南地区中低压地区调压器配备的优化将是一项长期而系统的工作当然调压器作为燃气管网输送系统中的一部分其优化不可避免应与管网系统的整体优化结合起来统筹考虑最终实现整个系统的优化。BriefAnaIysiSonOptimizationofRegionaIGasReguIatorsinNaturaIGasPipeliReNetworkShanghaiDazhongGasCo.Ltd.WangHaihuaAbstract:Takingtheproblemasabasethatistosay,gasregulatorsrsquoStotalinstalledcapacityismuchlargerthantheactualdemandsinthesouthernareaofShanghaithispaperanalysesthedistributionofregionalgasregulatorsinMPLPgaspipetinenetworkexpoundsthegoalofoptimizationandgivessomesuggestionsforimplementation.Keywords:gaspipelinenetworkregionalgasregulator,optimization(上接第页)AnalysiSonConnectiVityReIiabiityofUrbanGasNetworkTongjiUniversityCollegeofMechanicalandEnergyEngineeringZhouYuQinChaokuiAbstract:Thesafetyandreliabilityofurbangaspipelineconcernstheregularenergysupplyofthewholecityandnormalproducingmanagingofgasconsumers.Regulargassupplyisrelatedtonotonlythestructuralreliability,butalsotheconnectiontypetopologicalstructureofgaspipeline.Inthispaper,theconnectivityreliabilityofurbannetworksisanalyzedbasedongraphtheory,respectivelyfromaspectsofthenetworksystemandconsumersandthepipelineconnectivityimportanceisemployedtoevaluatethecontributionsofdifferentpipelinesfortheconnectivityreliabilityofthenetworks.Keywords:gaspipelinenetworktopologicalstructureconnectivityreliability,graphtheory上海煤气年第期((万方数据

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