环状管网水力计算与水力工况分析

第8章环状管网水力计算与水力工况分析主要内容管网图及其矩阵表示恒定流管网特性方程组及求解方法环状管网的水力计算环状管网的水力工况分析与调节参考规范：《城市热力管网设计规范》CJJ34－20108.1管网图及其矩阵表示支配流体输配管网的基本规律：（1）质量平衡。节点处流量平衡。（2）能量平衡。环路中动力与阻力平衡。水力计算（管网设计）时，已知用户的流量需求和管网布置，要求通过合理选择管径、动力，使管网在设计流量下满足这两个基本规律。水力工况分析时：利用这两个基本规律，在已知管网布置、管径、动力设备性能的条件下，求各管段、各用户的流量、阻力、管网的压力分布等，核心任务是求解流量分布。8.1管网图及其矩阵表示沿线流量qL

：沿管道流出供给用户（或从用户排入）的流量，又称途泄流量。转输流量：通过该管段输送到下游管段的流量。比流量qs：均匀折算到单位管长的沿线流量。8.1管网图及其矩阵表示节点：各管段的端点节点流量：从节点处流入或流出的流量。沿线流量转移到管段终点的折算系数为a，则沿线流量转化为节点流量：起点：沿线流量乘以（1-a）；终点:沿线流量乘以a。对于燃气，a＝0.558.1管网图及其矩阵表示集中流量按用气点到前后节点距离的反比例折算到节点上。管网中节点流量包括：位于节点位置处的集中流量；与节点相连各个管段的集中流量折算到该节点的流量；与节点相连各个管段的沿线流量折算到该节点的流量；节点流量流入为正，流出为负。8.1管网图及其矩阵表示例8.1（沿线流量为0.4m3/h•户）8.1管网图及其矩阵表示8.1管网图及其矩阵表示8.1管网图及其矩阵表示8.1管网图及其矩阵表示图论基本概念节点：各管段的交汇点分支：各交汇点的管段图：节点和分支的集合，G=(V,E,Φ)，V为所有节点的集合，E为所有分支的集合；Φ为E到V的有序对构成的集合。有向图：由有向分支和节点构成的管网图。8.1管网图及其矩阵表示8.1管网图及其矩阵表示8.1管网图及其矩阵表示关联：有向分支ei的两个端点vj-1和vj，且vj-1为分支的起点，vj为分支的终点，称分支ei和节点vj-1、vj关联。如分支e7和节点v2、v5关联链：由节点—分支—节点……分支—节点构成的序列，且与任一分支相邻的两节点为该分支的端点。基本链：链中除起点和终点外，所包括节点各不相同。回路：闭合的链。基本回路：闭合的基本链。8.1管网图及其矩阵表示通路：链中各分支方向一致，即前一分支的末点为后继分支的起点。基本通路：通路中所包含的节点各不相同。有向赋权图：在有向连通图中，将分支或节点的有关水力属性作为“权”值，赋给各分支或节点后的管网图。树：连通图中不包括任何回路。任意两节点由惟一的一条基本链连接。树中不相连两节点间加上一条边，恰好得一回路。节点数为J，分支数为L，则L=J-1.8.1管网图及其矩阵表示生成树：包含全部节点和连接各节点的分支，但不包含任何一条回路。最小树：树上各分支赋权值之和最小的树。

生成树以外的枝构成余树，余树中分支为余枝，对于J节点N分支的管网，生成树有J-1个树枝，余树有N-J+1个余枝。8.1管网图及其矩阵表示生成树：包含全部节点和连接各节点的分支，但不包含任何一条回路。8.1管网图及其矩阵表示总结：链中除起点和终点外，所有节点不相同，称为基本链。闭合的链为回路，闭合的基本链为基本回路。链中各分支方向一致为通路，通路中节点各不相同为基本通路。连通图中不含回路称为树，树中分支为树枝。包含全部节点和连接各节点的分支，不含任何回路称为生成树。生成树以外的枝构成余树，余树中分支为余枝。8.1管网图及其矩阵表示管网图的矩阵表示1、关联矩阵和基本关联矩阵为表示节点与分支的关系，引入关联矩阵。管网图有J个节点，N个分支，则分支和节的关系用JXN阶矩阵B(G)=(bij)JXN表示:8.1管网图及其矩阵表示关联矩阵中，每行为一节点，每列为一分支，每列总有一个数为1,一个数为-1,其余为0.B(G)中任意J-1行线性无关，矩阵的秩为J-1.从关联矩阵中除去节点k所对应的一行，对应的矩阵称为基本关联矩阵Bk(G)。反映节点与分支的关系，可得到与节点相关联各分支上流量与节点流量的关系。8.1管网图及其矩阵表示从关联矩阵中除去节点k所对应的一行，对应的矩阵称为基本关联矩阵Bk(G)。8.1管网图及其矩阵表示2、基本回路矩阵和独立回路矩阵为确定各基本回路及与分支的关系，引入基本回路矩阵。若分支ej∈基本回路Cj，且ej方向与Cj方向一致，则称ej在Cj中顺向，否则称为逆向。每行为一个基本回路，行号为基本回路号，每列为一个分支，列号为分支号。基本回路矩阵线性相关，秩M＝N-J+1。8.1管网图及其矩阵表示若分支ej∈基本回路Cj，且ej方向与Cj方向一致，则称ej在Cj中顺向，否则称为逆向。基本回路与基本回路矩阵8.1管网图及其矩阵表示基本回路矩阵中，M行组成的基本回路矩阵线性无关，各行对应的基本回路相互独立。独立回路矩阵：基本回路矩阵C(G)＝(Cij)PxN中，M＝(N-J+1)个独立回路对应的子矩阵。独立回路数等于余枝数，等于M。独立回路矩阵反映分支与独立回路的关系，能将分支上压力损失转换为独立回路上的压力损失闭合差。8.1管网图及其矩阵表示生成树T的树枝为J-1个，余枝有N-J+1个。在生成树基础上，每增加一个余枝，可得一个回路，且所得回路不相同，即得到的回路组独立，相应的回路矩阵为独立回路矩阵，独立回路数等于余枝数。注意：J、N易混淆，采用记忆方法：节jie点---J，N分支。独立回路与独立回路矩阵8.1管网图及其矩阵表示在某个生成树的基础上，每增加一个余枝可构成一个回路，且所得回路各不相同，所构成的回路组为独立回路组，相应的矩阵为独立回路矩阵。8.1管网图及其矩阵表示3、关联矩阵和回路矩阵的关系余枝在前，树枝在后，余树方向为独立回路方向。N-J+1阶方阵，余树。（N-J+1）X（J-1）阶矩阵，树枝。（J-1）X（N-J+1）阶矩阵，余枝。J-1阶方阵，树枝。8.1管网图及其矩阵表示3、关联矩阵和回路矩阵的关系8.1管网图及其矩阵表示8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法节点流量平衡方程组与任一节点关联的所有分支的流量和为该点节点流量。8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法上式以矩阵形式可表示为：关联矩阵B中只有J-1个行向量线性无关，说明上式有一个方程多余，用基本关联矩阵表示。8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法注意：上式N个未知数，J-1个方程，N>J-1，无法求出全部分支的流量，只能表示为余枝管段流量的线性组合。确定了管网中某生成树的余枝流量，树枝管段也就确定了。由于节点流量平衡方程组的约束，管网各分支中只有M＝(N-J+1)个分支是流量独立的，且这些分支必须是对应管网某生成树的余枝。8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法例8.28.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法节点流量平衡方程组（参考节点9）B9Q=q98.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法树枝流量和余枝流量之间的关系余枝流量树枝流量8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法树枝流量和余枝流量之间的关系8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法如图所示管网，余枝为1、2、3，树枝为4、5、6、7、8、9、10。余枝流量为：Q1=60，Q2=30，Q3=20求树枝管段的流量。8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法回路压力平衡方程组恒定流管网中，任意回路沿回路方向各个分支管段压降代数和为零：独立回路压力平衡方程。ΔPJ，J分支阻力损失；HJ，J分支输入的全压动力；PGJ，重力形成的i环路流动动力。8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法忽略重力作用力时：无全压动力时：余枝压力损失阵树枝压力损失阵8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法分支压力损失可用树枝压力损失表示为：8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法1、插入法8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法2、转速变换法8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法回路方程法独立回路压力平衡方程组为非线性方程组，有N-J+1个方程。节点流量平衡方程组为线性方程组，有J-1个方程。共有N个方程，待求未知数为N个管段（分支）的流量。8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法回路方程法从回路压力平衡方程组出发，推导出求解余枝流量修正值，逐步迭代计算，直到得到满足精度要求的数值解，计算原理清晰，便于计算机编程求解。树枝流量可以用余枝流量代换：8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法独立回路压力平衡方程组写成：N-J+1个余支流量未知数，N-J+1个方程8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法回路方程法的基本步骤1:

假定余枝流量；2:

代入独立回路压力平衡方程组，计算独立回路压力闭合差，检查闭合差是否符合计算精度要求。符合精度要求转4，不符合则直接进入3；3:

产生余枝流量修正量，进行修正，得到修正后的余枝流量，转2；4:

得到满足独立回路压力平衡方程组的余枝流量，代入节点流量平衡方程组或利用树枝流量和余枝流量的关系求出树枝流量。8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法牛顿迭代法中余枝流量修正值的计算方法8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法[例8.3]某流体输配管网如图所示，分支数N=7，节点数J=6，独立回路数M=N-J+1=2，求牛顿方程组的系数矩阵。8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法以节点6为参考节点，列出节点流量平衡方程组8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法以分支1、2为余枝，可将树枝3、4、5、6、7的流量表示为：8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法回路压力平衡方程组：8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法将树枝流量用余枝流量表示，得到：8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法雅可比矩阵A8.2

恒定流管网特性方程组及其求解方法将f1和f2分别对Q1和Q2求导，得到雅可比矩阵A：8.3环状管网的水力计算水力计算的任务：确定各个管段的管径，计算流动阻力，确定所需的动力。已知条件：用户的设计流量；管网的布置。方法：按节点流量平衡原理初始分配流量，确定管径，回路压力平衡分析，重新分配流量（平差），分析管段比摩阻，管网后备能力，直到满足要求。8.3环状管网的水力计算1、绘制管网图，统计管线长度，沿线流量等参数，计算节点流量；2、环状干线水力计算。1）绘制环状干线图。暂时去掉枝状管网，将其流量视为节点流量。进行节点和管段编号。假定管段的流向8.3环状管网的水力计算2）环状干线流量初始分配确定流量初始分配的起始节点；向同一节点