張鵬 馬紅艷 吳曉南

摘 要：在燃?xì)廨斉湔n程設(shè)計(jì)中引入G-net仿真進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化管網(wǎng)方案，提高水力計(jì)算速度。通過對(duì)應(yīng)用實(shí)例的分析，這種教學(xué)方法可以加深學(xué)生對(duì)燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)基本概念及基本分析方法的理解，提高課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力起到非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨斉?G-net仿真 課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

作者簡(jiǎn)介：張鵬（1979-），女，西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院講師，碩士，主要研究方向?yàn)槌鞘腥細(xì)夤こ獭?/p>

基金項(xiàng)目：2013年國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目“城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)分區(qū)模式下的水力可靠性研究”（部712）資助；2014年西南石油大學(xué)青年教師教學(xué)研究項(xiàng)目“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在《燃?xì)廨斉洹氛n程教學(xué)中的應(yīng)用探索與實(shí)踐”（2014JXYJ-07）資助。

燃?xì)廨斉湔n程設(shè)計(jì)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一，具有綜合性強(qiáng)和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)和燃?xì)廨斉鋵I(yè)知識(shí)，在教師指導(dǎo)下獨(dú)立、全面地完成規(guī)定的課程設(shè)計(jì)任務(wù)。通過課程設(shè)計(jì)，鞏固、深化課堂知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的作風(fēng)。通過繪圖，掌握?qǐng)D面布置和繪圖技能，提高工程語言的表達(dá)能力。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作及設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力。課程設(shè)計(jì)既是對(duì)燃?xì)廨斉湔n程教學(xué)效果的檢驗(yàn)，也是進(jìn)一步提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。

了解管網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律、變工況下能夠判斷水力參數(shù)的變化趨勢(shì)是燃?xì)廨斉湔n程的教學(xué)目標(biāo)之一，傳統(tǒng)教學(xué)方式難以簡(jiǎn)潔直觀地全面展示城市管網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律和工況變化過程及相關(guān)設(shè)備、站場(chǎng)工作原理、工藝流程等，借助虛擬仿真手段可有效解決這一問題。管網(wǎng)仿真是對(duì)管道系統(tǒng)的特性進(jìn)行描述的一種手段，它可自動(dòng)地將系統(tǒng)的壓力、流量與管線各截面的流動(dòng)特性聯(lián)系起來，在設(shè)計(jì)階段用做方案比較和優(yōu)化設(shè)計(jì)。完成燃?xì)夤芫W(wǎng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的模擬花費(fèi)時(shí)間一般為幾秒鐘，大型管網(wǎng)可能需要幾十分鐘，模擬結(jié)果為整個(gè)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓力、流量等參數(shù)，適合在課程設(shè)計(jì)中用來確定方案及進(jìn)行水力計(jì)算。

1 G-NET仿真軟件的功能及特點(diǎn)

G-NET適用于城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的水力分析和計(jì)算。G-NET軟件的主要特點(diǎn)是：繪圖基于AutoCAD，操作界面良好，操作方法方便，適用于天然氣、煤氣、氣態(tài)液化石油氣、液化石油氣空氣混合氣及礦井氣等燃?xì)庠诟咧袎杭暗蛪旱炔煌膲毫?jí)制下的環(huán)網(wǎng)的水力分析和計(jì)算。管網(wǎng)分析計(jì)算與繪圖一體化；自動(dòng)識(shí)別環(huán)路管網(wǎng)圖，自動(dòng)對(duì)環(huán)、管段及節(jié)點(diǎn)編號(hào)，自動(dòng)設(shè)定管段流向；數(shù)據(jù)輸入簡(jiǎn)單；分析結(jié)果輸出方式多樣，有圖形、文檔及分析過程等；采用圖形處理算法及迭代算法，節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間。其主要算法：假定各管段λ均為1，計(jì)算各管段的阻耗和導(dǎo)納，組成管網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，由矩陣方程[Y][P]=Q求出管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力p，由AT[P] = ΔP求得管段壓力降，再由Q = G[ΔP]求得管段初始流量。根據(jù)以上步驟求得的初始管段流量，重新計(jì)算各管段的阻耗和導(dǎo)納，組成新的導(dǎo)納矩陣，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行迭代計(jì)算，直到前后兩次的Q之差值達(dá)到精度要求。

2 G-NET在燃?xì)廨斉湔n程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用舉例

城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)劃是燃?xì)廨斉湔n程設(shè)計(jì)的主要題目類型之一。城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)基本步驟為：用氣量計(jì)算、管網(wǎng)布置、流量分配、水力計(jì)算、繪圖，其中水力計(jì)算是完成課程設(shè)計(jì)的重要步驟，是在前三項(xiàng)完成的基礎(chǔ)上利用G-NET軟件完成的。

某課程設(shè)計(jì)的管網(wǎng)布置為中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)沿城市道路布置，受地形限制分為南北兩個(gè)獨(dú)立環(huán)網(wǎng)，互不相通，南北兩個(gè)中壓環(huán)網(wǎng)通過次高壓管道與城市氣源相連，次高壓-中壓管道連接處設(shè)調(diào)壓站。根據(jù)城市道路分布情況，近期設(shè)置了29個(gè)環(huán)路，遠(yuǎn)期新增了11個(gè)環(huán)路，環(huán)路分布盡量均勻，氣源點(diǎn)設(shè)計(jì)壓力為0.4MPa，設(shè)計(jì)最低允許壓力為0.3MPa。水力計(jì)算應(yīng)用G-NET軟件進(jìn)行，基本步驟為：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（小時(shí)環(huán)流量、集中流量、管網(wǎng)草圖），生成計(jì)算草圖，設(shè)置氣源點(diǎn)，輸入環(huán)流量及集中流量，分配節(jié)點(diǎn)流量，設(shè)置管徑和生成計(jì)算工程文件，即得到管網(wǎng)水力計(jì)算表格，調(diào)試各段管徑得到合適的結(jié)果，生成計(jì)算說明書，最后標(biāo)注計(jì)算結(jié)果得到水力計(jì)算圖。初步水力計(jì)算結(jié)果出來后，要根據(jù)最低點(diǎn)壓力判斷計(jì)算結(jié)果是否可行或是否經(jīng)濟(jì)，若最低點(diǎn)壓力低于允許值，需放大部分管徑重新計(jì)算，使得最低壓力高于允許值，保證其技術(shù)可靠；若壓力降太小則應(yīng)適當(dāng)減小管徑，保證管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)合理。

該課程設(shè)計(jì)中壓管網(wǎng)的水力計(jì)算結(jié)果顯示，壓力較高區(qū)域在調(diào)壓站附近，壓力較低區(qū)域分布在遠(yuǎn)離調(diào)壓站處，這與管網(wǎng)流動(dòng)規(guī)律相吻合，管網(wǎng)壓力最低點(diǎn)近期為0.366MPa，遠(yuǎn)期為0.351MPa，均大于要求的最低壓力0.3MPa，計(jì)算結(jié)果滿足水力計(jì)算要求。管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果也可以用水力計(jì)算圖表達(dá)，所有水力計(jì)算參數(shù)標(biāo)于圖上，包括每個(gè)管段的編號(hào)、流量、壓力損失，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、流量、壓力等。

課程設(shè)計(jì)的培養(yǎng)目標(biāo)是在綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，理解工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法，掌握工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)步驟，一般是2周。課程設(shè)計(jì)時(shí)間短，任務(wù)緊，通常指導(dǎo)教師選擇小型工程實(shí)例，要求學(xué)生做兩個(gè)不同方案，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選擇最優(yōu)方案，不要求做事故工況分析。

3結(jié)語

G-NET軟件使得計(jì)算能力大大提高，完成水力計(jì)算所需時(shí)間大幅縮短，在有限的設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)，指導(dǎo)教師可以將更多的精力放在指導(dǎo)學(xué)生方案布置上，而不是像以前一樣關(guān)注水力計(jì)算；在選題時(shí)不必受計(jì)算能力的限制，可以選擇小型實(shí)際工程項(xiàng)目作為設(shè)計(jì)題目，使得課程設(shè)計(jì)更接近工程實(shí)際，更好地達(dá)到課程設(shè)計(jì)的工程訓(xùn)練目的。G-NET軟件應(yīng)用于燃?xì)廨斉湔n程設(shè)計(jì)，激發(fā)了學(xué)生的興趣，使學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到了加強(qiáng)，提高了課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)為畢業(yè)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)，對(duì)高校培養(yǎng)高質(zhì)量人才起到了積極的作用。

參考文獻(xiàn)

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[3] 吳曉南，王怡佳等. 虛擬仿真在城市燃?xì)饨虒W(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].石油教育，2013，（5）