城市燃气管网设计优化与智能调度方法研究

城市燃气管网是一种重要的能源基础设施，其设计是否合理、运行是否科学，对确保能源供给的高效稳定和系统的安全运行至关重要。随着我国城市化进程的不断推进，我国城镇燃气用电呈现多元化和规模化发展的趋势，面临着多源接入、复杂工况动态调节、安全标准日趋严苛的现实问题。传统的以经验为基础的管网设计和运行方式，在精确性、适应性、高效性等方面已经很难适应现代化城市建设对供气系统的高质量要求。在这一背景下，深入探究天然气管网的系统设计与优化途径和智能调控策略，对提高城市天然气管网运行韧性，降低全寿命周期成本，保障能源持续稳定供给具有重要的现实意义，亦是推动燃气行业高质量发展的必然要求。

1. 城市燃气管网设计优化与智能调度的价值

1.1 提高运行效率和减少能源浪费

设计优化与智能调度可以通过对城镇燃气输配管网的实时监控和数据分析，实现对燃气供应和消耗的精确预测和优化调度。智能调度算法可以基于历史数据和实时监测结果，进行需求预测，帮助管网运营者准确估计未来各地区的燃气需求量，从而对管网进行合理规划和调度，避免因供需不平衡而造成的能源浪费或供应不足的问题。设计优化与智能调度可以根据实际情况，通过动态调整管网的阀门开合程度和压力控制，实现管网运行的最优化。这样可以降低燃气泄漏风险，减少能源损失，提高能源利用效率。

1.2 提升能源供应的可靠性和安全性

设计优化与智能调度能够通过实时监控和异常检测功能，及时发现和处理潜在的安全隐患，并采取相应措施进行处理。例如，通过智能传感器的安装和数据分析，可以实时监测燃气管道的温度、压力等参数，一旦发现异常情况（如泄漏、管道破裂等）即可立即采取紧急措施，避免事故发生。而且智能调度算法可以根据不同区域的能源需求和管网运行状态，灵活调整供气方案，以确保能源供应的安全可靠性，保障用户的能源供应。

1.3 响应能源调节和应急需求

设计优化与智能调度可以通过实时数据分析，响应不同时间段和季节的能源调节需求，提供灵活的能源供应方案，如当夏季出现高峰期时，智能调度系统可以根据需求预测，合理分配供气资源，以满足用户需求并避免能源的浪费。此外，在自然灾害或紧急情况下，设计优化与智能调度可以将最优的供气方案快速应用于应急救援中，确保紧急区域的能源供应，并通过合理调度管网，保持能源网络的稳定运行。

2. 城市燃气管网设计优化方法

2.1 建立与城市空间发展格局的动态适配体系

管网布置必须在整体规划的指导下进行，节点联接形式的选择将直接关系到整个系统的水力稳定。枝网结构虽然造价低廉，但其韧性不足，实践中多采取“以环网为骨干，以枝网为辅助”的混合型布置方式。采用图论和网络优化等方法，定量地分析各节点之间的关联程度，去除无效的连通通路，在保证供气覆盖面的前提下，减少管路的全长。采用最小生成树算法对管网结构进行优化，并采用最短路线算法进行分支管网连通路径的规划，可在减少供水成本的前提下，提升供水系统的供水效率。

2.2 水力工况调控聚焦管径选型与压力等级的精确匹配

在确定管网管径时，应根据管网水力计算模式，综合用水量、压损等约束条件，建立定量化的管网设计方案。从水动力学的连续性及能量平衡出发，指出在一定的流速下，增加管径可减小沿程阻力，但同时也会增加管道购置费用；如果管径过小，则会造成终端压力下降，影响到正常的空气供应。通过建立费用-阻力双目标函数，采用非线性规划法求出管材的最优组合，以达到经济与水力性能的平衡。在压强等级的设计中，应采取分层调节策略。在高负荷地区（如工业区），应使用中高压系统以提高输送效率；在居民密集区域，应使用中低压系统以确保运行安全；而在不同的压力区域，应通过调压站实现压力的平滑过渡，以避免由压力波动引发的水力冲击效应。

2.3 优化管网布局与压力调控

优化布局应立足于现有城市发展格局与用气数据分析，合理规划主干管道走向，简化输配路径，并加强对边缘区域与新兴用气区的覆盖，从而实现输送路径的最短化与压力损失的最小化。当前在压力调控方面有不少输配系统仍依赖固定模式或人工干预，难以应对用户负荷波动带来的压力变化。我们通过引入动态压力调控技术，可实现对系统运行状态的实时感知与自动调节，保持管道压力在安全范围内波动，降低事故风险。同时还可以采用多级调压和压力分区管理，这有助于分散系统压力，提高调控的灵活性与精度。在关键节点部署压力监测装置，并建立与调度中心联动的控制机制，可以实现对异常压力的快速响应与处置。通过布局与压力双重优化，不仅能显著提升系统能效，还能减轻运维压力，为城市燃气系统的稳定运行提供坚实保障。

3. 城市燃气管网智能调度

3.1 构建全域监测网络

在管网中设置压力、流量、温度、甲烷等多种传感器，实现对管网中各重要节点的压力、流量、温度、甲烷等参数的实时采集。在选用传感器时，要保证其精度与环境适应性：压力传感器的测量误差要小于 ±0.5%FS ，流速传感器可选用超声型或涡轮型，检测速度不得大于 3 秒。在通信方式上，采取“物联网 +5G ”混合方式，实现了无线网络的互联互通。主网数据采用 5G 切片技术，在毫秒级完成，分支网数据经 LoRa 网关聚合后上传，保证了监测信息的时效性与完整性。传感网络应涵盖从气源源头到用户的全过程，尤其关注调压站、阀井等薄弱环节，实现无监控盲区。

3.2 算法模型实现智能化调控

通过整合过去的运行数据和实时的监测数据，构建了一个气负荷预测模型，该模型结合了时间序列分析（例如ARIMA 模型）和机器学习算法（如LSTM 神经网络）。预测的准确性需要达到 90% 或更高，这为气源的调配提供了关键的数据支持。在进行多气源调度优化时，需要全面考虑气源的热值、供应成本和输送能力的限制，并建立一个线性规划模型来求解最优配比。当需要将天然气和液化石油气混合使用时，必须使用热值平衡算法来确保混合气的热值始终保持在国家标准规定的范围内。为了动态调整压力，采用了模型预测控制（MPC）算法，并根据末端压力的反馈来实时调节调压站的输出参数，确保压力的波动维持在 ±5% 的设计范围内，从而降低水力震荡对管道造成的损害。

3.3 实现异常工况的快速响应处置

在发现压力骤降、流量增加、瓦斯浓度过高等异常状况时，系统会自动启动相应的等级反应程序：1 级异常（例如轻度渗漏），启动局部区域减压并发布巡视命令；第二类异常（例如干线失效），启动后备管道的切换，并利用水力模拟模型对事故的影响范围进行预测，并提出用户停运的预警计划。三级异常（例如大范围泄露），与紧急控制中心联系，实施区域总阀闭锁，启动紧急气源保障机制。应急决策支持系统内置故障诊断知识库，通过专家系统与深度学习相结合的方式，快速定位故障点，平均诊断时间控制在 5 分钟以内，为抢修工作争取时间。

结论

综上所述，城市燃气管网设计优化与智能调度是提升城市能源供应系统效能的关键技术手段。设计优化通过拓扑、水力与安全的多维度调控，搭建系统运行的基础框架；智能调度通过技术赋能，实现对管网运行状态的实时监测和精确调控，促进了天然气管网“安全可靠、经济高效、智能灵活”的发展。在新能源与数字化技术的深入结合下，需要在多能源协同、极端天气等方面进行深入研究，以提高其在多能源协同和极端天气下的自适应能力，为实现城市能源系统的可持续发展奠定坚实的基础。

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