专利名称：一种煤气管网现状分析系统及其方法
技术领域：
本发明属于钢铁企业煤气管网优化技术领域，提供了一种煤气管网现状分析系统及 其方法，可以计算煤气管网节点压力和管段流量，用于分析管网的泄漏、测不准、淤 积结垢等。
背景技术：
钢厂煤气管网是钢厂最重要的能源公辅设施之一，因此，煤气管网的现状分析具有 重要的意义。管网的现状分析主要包括管网内压力分布、流量状况、管网的泄漏、测 不准、淤积结垢等。管网内煤气压力分布及煤气流量状况是确保煤气管网稳定运行、 煤气用户正常生产的重要前提，是煤气调度人员进行煤气调度的基础。煤气用户节点 流量是对用户进行考核的重要指标，通过对其计算值与测量值进行比较可以判断是否 存在漏气问题。管段摩阻系数是判断管段是否淤积结垢的重要参数。
一些钢厂已建立起煤气管网模型进行管网现状分析。采用的方法为平差计算方法。 平差计算方法是通过实测得出节点流量，管线摩阻系数取经验值，然后转化为管网平 差问题求解节点压力和管段流量，再与实测值相比得知管网工况。由于节点流量和管 段摩阻系数很难准确确定，此方法常导致平差计算结果与实际值存在较大偏差，以致 现状分析得出错误的结论。
本发明公开了一种基于煤气管网水力计算的单目标优化方法对煤气管网进行现状 分析，其目标函数由两部分组成，即节点压力与SCADA实测压力差的平方、管段流 量与SCADA实测流量差的平方。约束条件有节点方程约束、能量方程约束、气源煤 气量约束、最低要求管网压力、管段摩阻系数约束、节点流量约束。
数学模型的依据是，在满足管网水力计算条件约束下，在允许的调幅范围内，通过 对节点流量和管段摩阻系数的调整，使测压点实测水压和计算水压的差值及测流管段 的实测流量与计算流量的差值降至最低。
通过对煤气管网进行现状分析，可以准确掌握管网工况，及时发现并解决管网运行 中存在的泄漏、测不准等异常问题，以减少煤气浪费并提高供气的安全性和可靠性， 还可以发现由于煤气不合理调度而造成的放散，从而减少能源浪费，其结果可为煤气 调度提供可靠依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤气管网现状分析系统及其方法，釆用煤气管网水力 计算的单目标优化方法对煤气管网进行现状分析，克服了现有煤气管网模型计算值与
实际值偏差较大，以致现状分析得出错误结论的弊端。
本发明提出了管网图形管理和优化计算的递归算法，采用遗传技术领域中使用的编码、交叉、变异、选择等遗传操作，最终求得最优解，遗传算法不仅适用于纯数学 的优化问题，而且也适用于已定管线下的煤气管网优化设计计算，同样可用于解决钢 厂氧气管网、蒸汽管网等的优化设计问题。
本发明的系统包括由数据采集系统SCADA，实时数据库服务器，数据库服务器， 应用服务器，客户端工作站、打印机和连接各个计算机、控制器(PLC等)、传感器的整 个网络体系够成的硬件系统以及由数据录入模块、管网优化计算模块构成的管网现状 分析软件系统。数据录入模块部署在客户端工作站，管网优化计算模块部署在应用服 务器内。SCADA系统通过PLC等控制器采集来自现场的数据，并将其保存在实时数 据库服务器中，数据库服务器中保存来自实时数据库服务器的历史数据以及客户端工 作站用户输入的数据和模型计算结果，实时数据库服务器和数据库服务器共同为应用 服务器中的模型计算提供数据支持，应用服务器为客户端提供模型服务，客户端工作 站提供了友好的人机交互界面。
数据采集系统(SCADA):能够实现现场数据的采集以及对现场的控制，包括下位 机和上位机两部分，下位机为分布式数据采集系统，上位机为数据处理和显示系统， 数据处理后保存在实时数据库中。
实时数据库服务器负责实时存储数据采集系统采集上来的压力和流量等数据， 为管网现状分析及其它数据管理功能提供数据支持。
数据库服务器运行先进的Omcle关系数据库，将现场的生产过程数据、设备 运行数据以及用户录入的管网数据等存储在数据库中。
应用服务器通过与数据库服务器以及客户端通信，实现管网的优化计算。
客户端工作站提供人机交互的界面，可以录入管网相关数据，并以友好的方式 展现管网优化计算结果。
管网现状分析功能主要由以下功能模块完成
数据录入模块完成对现有管网各种形式的原始数据、图纸信息进行录入、存储 和传输，以便合理地利用现有的信息建立煤气管网的数字模型信息。录入的信息包括 节点信息和管段信息，节点信息包括节点编号、节点的位置信息，管段信息包括管段 的起点和终点信息、管径、管长、管段的材料等信息。
管网优化计算模块根据煤气管网信息，计算节点压力和管段流量，并且对计算 结果进行分析。在这个模块中主要完成以下内容
根据煤气管网的节点信息和管段信息在界面上生成煤气管网的图形信息； 根据管网的节点信息和管段信息，生成关联矩阵和回路矩阵，即用矩阵表示管网 {曰息5
设置基因遗传算法的运行参数； 对管网进行水力计算，得出节点压力和管段流量； 对计算结果进行分析； 将计算结果存入到数据库中；
进行各种査询、统计、和打印。管网现状分析方法，其特征在于采用矩阵管理煤气管网系统，这种管理办法可 以把图存储起来并加以变换，从而不仅能够在计算机中表示图，还可以用矩阵代数中 的各种运算来计算图的各种特性。由已定煤气管网布置图形的编号，确定管网关联矩 阵A和回路矩阵L。关联矩阵是描述图中节点与边的衔接关系，矩阵的行(i)表示节点， 列(j)表示边。回路矩阵表示环与管段的关系，矩阵的行(k)表示环，列(j)表示边。对一 有向图，设有M个节点和N条边，则关联矩阵定义为
其中
'0, 第j'边不衔接第z'节点
i，第y边衔接于第/节点，且边的方向离开第z'节点-i,第y边衔接于第/节点，且边的方向指向第/节点
上述有向图至少含有I^N-M+l回路。回路矩阵定义为
其中
0, 第y边不在A:回路内
1, 第_/边在&回路内，且方向同于回路A: 「1，第y边在A:回路内，且方向反于回路A:
所述的编号包括节点编号和管段编号，节点是指管网中的气源点、用户或管段之间 的交汇点，所述的管段是两个节点之间的管路。管网中的管段、节点、环即图中的边、 点、回路。
管网现状分析优化算法的步骤如下
(1) 输入初始数据，包括气源点煤气流量、压力，管网关联矩阵、回路矩阵，各 管段摩阻系数、各节点流量范围，部分节点压力、管段流量实测值。
(2) 对管段摩阻系数和各节点流量进行编码。
(3) 随机产生初始群体。
(4) 联立节点方程和能量方程进行煤气管网水力计算，得出各个体所对应的管段 流量、节点压力，并计算出各个体对应的目标函数值和适应度值。
(5) 根据各个体对应的适应度值，选择父代个体。
(6) 交叉操作。
(7) 变异操作，产生新的种群。
(8) 根据迭代次数以及适应度判断是否满足终止条件，若满足则已经找到最优解， 停止计算并输出计算结果，否则转向(4)。
本发明采用先进的基因遗传算法，能够根据与SCADA系统实测数据值的比较来自 动调整管道的阻力系数、节点流量，真正实现管网的动态模拟。
图l是专利系统的硬件结构图。图2是本发明实施例的煤气管网布局图，数字l， 2， 3，…11为管段编号，①，②， ③，…⑨为节点编号，I， II, III表示环。
图3煤气管网现状分析优化算法程序框图。 具体实施方案
如图1所示，系统包括底层的数据采集系统，实时数据库服务器，数据库服务器， 应用服务器、客户端、打印机以及连接各个计算机、控制器、传感器的网络体系。其 中数据采集系统主要负责数据采集和现场监控；数据库服务器和实时数据服务器为管 网现状分析的实现提供数据支持；应用服务器主要运行管网优化计算模块；客户端主 要提供人际交互功能，以图形化的方式展现计算结果。
在钢厂原有的SCADA系统、网络系统、实时数据库服务器、数据库服务器的基 础上在增加两台计算机应用服务器、客户端， 一台打印机，如图1中的虛线内部分。 其中服务器可以通过公司网与厂办连接，客户端可以增加为多个，只要能连接服务器 的均可。
本发明采用的表述实例的煤气管网如图2所示，由11个管段、9个节点组成，节 点⑨为气源点。煤气管网可视为有向图，当煤气管网定线后，整个管网中所有管段与 节点的衔接关系就完全确定下来。
根据图论，对于煤气管网有向图，可用矩阵关联矩阵A和回路矩阵L表示其节点 与管段，管段与环之间的关系。由图论可知，当管网图形确定后，管网关联矩阵和回 路矩阵就被确定下来，反之，当已知管网关联矩阵和回路矩阵，则可为一的确定管网 图形。
对于图l所示的煤气管网图形，则管网关联矩阵A为
<formula>formula see original document page 7</formula>
回路矩阵L为:
<formula>formula see original document page 7</formula>
由此可得出节点方程为<formula>formula see original document page 7</formula>
其中。=[q a…q,r， 0,込，…，2 为各管段流量。^ =[《1 《2 …《9]，仏，&， …，99为各节点流量°
能量方程为ii-O
其中&…、f， A, &，…，、为各管段的水头损失。 管段j的水头损失为~=&2-， ^为管段j的摩阻系数，0t为常数。
按照图3所示管网现状分析优化算法程序框图进行优化计算，具体步骤为
(1) 获取初始数据包括通过SCADA系统采集上来的气源点煤气流量、压力， 部分节点压力、管段流量值，根据管网拓补关系得到的管网关联矩阵、回路 矩阵，以及用户输入的各管段摩阻系数、各节点流量范围。
(2) 编码对各管段摩阻系数和节点流量进行编码。
(3) 随机产生初始群体。
(4) 煤气管网水力计算通过节点方程和能量方程，计算得出各个体所对应的管 段流量、节点压力、目标函数值和适应度值。
(5) 选择操作选择根据各个体对应的适应度值，选择父代个体。
(6) 交叉操作。
(7) 变异操作，产生新的种群。
(8) 根据迭代次数以及适应度判断是否满足终止条件，若满足则己经找到最优解， 停止计算并输出计算结果，否则转向(4)。
本发明适合大中小型钢铁企业煤气管网系统的现状分析，利用图论的知识和基因遗 传优化算法，计算整个管网各管段的摩阻系数以及用户的需求量，从而及时发现管网 中存在的问题，并采取相应的措施，提高供气的安全性和可靠性。同时还能计算出未 设计量点的管网压力和流量，为调度人员、决策人员提供更多管网内部信息，使调度 人员对煤气进行更合理调度，保证煤气高效合理利用。
权利要求
1、一种煤气管网现状分析系统，其特征在于，该系统包括由数据采集系统SCADA，实时数据库服务器，数据库服务器，应用服务器，客户端工作站、打印机和连接各个计算机、控制器PLC等、传感器的整个网络体系够成的硬件系统以及由数据录入模块、管网优化计算模块构成的管网现状分析软件系统；数据录入模块部署在客户端工作站，管网优化计算模块部署在应用服务器内；SCADA系统通过PLC控制器采集来自现场的数据，并将其保存在实时数据库服务器中，数据库服务器中保存来自实时数据库服务器的历史数据以及客户端工作站用户输入的数据和模型计算结果，实时数据库服务器和数据库服务器共同为应用服务器中的模型计算提供数据支持，应用服务器为客户端提供模型服务，客户端工作站提供了友好的人机交互界面；管网现状分析由以下功能模块完成数据录入模块完成对现有管网各种形式的原始数据、图纸信息进行录入、存储和传输，以便合理地利用现有的信息建立煤气管网的数字模型信息。录入的信息包括节点信息和管段信息，节点信息包括节点编号、节点的位置信息，管段信息包括管段的起点和终点信息、管径、管长、管段的材料等信息；管网优化计算模块根据煤气管网信息，计算节点压力和管段流量，并且对计算结果进行分析；在这个模块中完成以下内容根据煤气管网的节点信息和管段信息在界面上生成煤气管网的图形信息；根据管网的节点信息和管段信息，生成关联矩阵和回路矩阵，即用矩阵表示管网信息；设置基因遗传算法的运行参数；对管网进行水力计算，得出节点压力和管段流量；对计算结果进行分析；将计算结果存入到数据库中；进行各种查询、统计、和打印。
2、 按照权利要求1所述的系统，其特征在于，数据采集系统SCADA能够实现现 场数据的采集以及对现场的控制，包括下位机和上位机两部分，下位机为分布式数据 采集系统，上位机为数据处理和显示系统，数据处理后保存在实时数据库中。
3、 按照权利要求1所述的系统，其特征在于，实时数据库服务器负责实时存 储数据采集系统采集上来的压力和流量等数据，为管网现状分析及其它数据管理功能 提供数据支持。
4、 按照权利要求1所述的系统，其特征在于，数据库服务器运行的Oracle关 系数据库，将现场的生产过程数据、设备运行数据以及用户录入的管网数据存储在数 据库中。
5、 按照权利要求1所述的系统，其特征在于，应用服务器通过与数据库服务器以及客户端通信，实现管网的优化计算。
6、 按照权利要求1所述的系统，其特征在于，客户端工作站提供人机交互的界面， 录入管网相关数据，并展现管网优化计算结果。
7、 一种采用权利要求1所述系统进行煤气管网现状分析的方法，其特征在于，采 用矩阵管理煤气管网系统，这种管理办法把图存储起来并加以变换，在计算机中表示 图，并用矩阵代数中的各种运算来计算图的各种特性；由已定煤气管网布置图形的编 号，确定管网关联矩阵A和回路矩阵L;关联矩阵是描述图中节点与边的衔接关系， 矩阵的行(i)表示节点，列(j)表示边；回路矩阵表示环与管段的关系，矩阵的行(k)表示 环，列(j)表示边；对一有向图，设有M个节点和N条边，则关联矩阵定义为其中—0， 第/边不衔接第/节点 1，第_/边衔接于第/节点，且边的方向离开第/节点L-i，第y边衔接于第/节点，且边的方向指向第/节点上述有向图至少含有I^N-M+l回路；回路矩阵定义为.-其中0, 第y边不在^回路内1, 第j'边在A:回路内，且方向同于回路A: 、-l,第y边在A回路内，且方向反于回路A:所述的编号包括节点编号和管段编号，节点是指管网中的气源点、用户或管段之间的交汇点，所述的管段是两个节点之间的管路；管网中的管段、节点、环为图中的 边、点、回路。
8、按照权利要求7所述的方法，其特征在于，管网现状分析优化算法的步骤如下(1) 输入初始数据，包括气源点煤气流量、压力，管网关联矩阵、回路矩阵，各 管段摩阻系数、各节点流量范围，部分节点压力、管段流量实测值；(2) 对管段摩阻系数和各节点流量进行编码；(3) 随机产生初始群体；(4) 联立节点方程和能量方程进行煤气管网水力计算，得出各个体所对应的管段 流量、节点压力，并计算出各个体对应的目标函数值和适应度值；(5) 根据各个体对应的适应度值，选择父代个体；(6) 交叉操作；(7) 变异操作，产生新的种群；(8) 根据迭代次数以及适应度判断是否满足终止条件，若满足则已经找到最优解， 停止计算并输出计算结果，否则转向(4)。
全文摘要
一种煤气管网现状分析系统与方法，属钢铁企业管网优化技术领域。包括由数据采集系统SCADA，实时数据库服务器，数据库服务器，应用服务器，客户端工作站、打印机和连接各个计算机、控制器、传感器的整个网络体系够成的硬件系统以及由数据录入模块、管网优化计算模块构成的管网现状分析软件系统。所说的管网优化算法包括基因遗传算法和管网水力计算方法，运行在应用服务器上。SCADA系统采集现场数据并保存在实时数据库中，数据库中存储用户录入的数据以及来自实时数据库中的历史数据，数据库服务器和实时数据库服务器共同为应用服务器提供数据支持，客户端提供人机交互界面。优点在于能够实现管网的动态模拟，分析管网泄漏、测不准、淤积结垢等问题。
文档编号F17D1/00GK101409941SQ20081022696
公开日2009年4月15日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者孙要夺, 徐化岩, 王丽娜, 贾天云 申请人:冶金自动化研究设计院