管網(wǎng)仿真習(xí)題課課件

管網(wǎng)仿真習(xí)題課張廷廷2012.4.28管網(wǎng)仿真習(xí)題課張廷廷1.管網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真方法及應(yīng)用本節(jié)主要針對(duì)例題1用管網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真方法之Hardy-Cross方法和PNS進(jìn)行求解和模擬，達(dá)到對(duì)管網(wǎng)仿真方法的深入理解及對(duì)PNS管網(wǎng)仿真軟件的初步了解的目的。1total234back1.管網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真方法及應(yīng)用本節(jié)主要針對(duì)例題1用管網(wǎng)系統(tǒng)靜1.1拋磚引玉例題1：計(jì)算如圖所示的管網(wǎng)系統(tǒng)的流量和壓力分布。1Section12341.1拋磚引玉例題1：計(jì)算如圖所示的管網(wǎng)系統(tǒng)的流量和壓力分布1.1拋磚引玉管道節(jié)點(diǎn)內(nèi)徑D長(zhǎng)度L粗糙度f(wàn)摩阻系數(shù)r面積Aftftft21A-1110000.0150.380.7821-20.678000.0192.890.3531-40.677000.0192.530.3544-20.57500.0212.130.19653-20.676000.0192.170.3563-40.678000.0192.890.357B-30.839000.0170.940.55節(jié)點(diǎn)高程h流量Qftft313202233043310143031.1拋磚引玉管道節(jié)點(diǎn)內(nèi)徑D長(zhǎng)度L粗糙度f(wàn)摩阻系數(shù)r面積Af1.2仿真方法概述流量平衡法：根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件和環(huán)路、路徑方程建立元件流量的靜態(tài)仿真模型，計(jì)算流量，然后確定系統(tǒng)的壓力分布。壓力平衡法：根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件建立管網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真模型，首先計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力，然后確定其他水力熱力分布。1Section22341.2仿真方法概述流量平衡法：根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件和環(huán)路、路徑1.2HD(Hardy-Cross)方法基于環(huán)路和路徑能量守恒關(guān)系方程組是非線性的，求解困難逐環(huán)迭代、修正和逼近1.2HD(Hardy-Cross)方法基于環(huán)路和路徑能量1.2HD(Hardy-Cross)方法步驟1.合理假設(shè)管網(wǎng)中所有管道的流量，該假定流量分布必須滿足系統(tǒng)的連續(xù)性（能量、動(dòng)量和質(zhì)量守恒）。2.對(duì)于管網(wǎng)中的任一環(huán)路i，計(jì)算每根管道的

和。計(jì)算流量修正量ΔQi。然后修正各管道的流量。3.對(duì)所有環(huán)路重復(fù)步驟2。(逐環(huán)迭代）4.重復(fù)步驟2和3，直到取得滿意的結(jié)果，即ΔQi足夠?。M足一定的精度要求）。1.2HD(Hardy-Cross)方法步驟1.2HD(Hardy-Cross)方法求解例題1的具體過(guò)程

閉合環(huán)路Ⅰ（環(huán)路方向（順時(shí)針）：管道2->4->3(節(jié)點(diǎn)1-2-4-1））

閉合環(huán)路Ⅱ（環(huán)路方向（順時(shí)針）：管道5->6->4(節(jié)點(diǎn)2-3-4-2））

虛擬環(huán)路Ⅲ（環(huán)路方向（順時(shí)針）：管道7->5->2->1(節(jié)點(diǎn)B-3-2-1-A))

1.假設(shè)各個(gè)管道的流量初始值（大小和方向）

管道1-7的初始流量假設(shè)為：6、2、2、0.5、1.5、1.5、32.閉合環(huán)路I和環(huán)路II，流量修正量：

1.2HD(Hardy-Cross)方法求解例題1的具體過(guò)1.2HD(Hardy-Cross)方法

3.虛擬環(huán)路III，考慮2個(gè)水庫(kù)的液面高度差，流量修正量：1.2HD(Hardy-Cross)方法1.2HD(Hardy-Cross)方法環(huán)路管道rQrijQj|Qj|

2rij|Qj|

Qnew

Ⅰ22.8922.05412.13-0.5－0.4532.53-2－1.95?rijQj|Qj|

－1.5933.8ΔQi0.05Ⅱ52.17－1.5－1.6662.891.51.34412.130.450.3?rijQj|Qj|

4.1126.17ΔQi－0.16Ⅲ70.9443.8352.171.661.4922.89－2.05－2.2110.38－6－6.17?rijQj|Qj|

－4.7931.1ΔQi－0.171.2HD(Hardy-Cross)方法環(huán)路管道rQri1.2HD(Hardy-Cross)方法根據(jù)前述方法和步驟得到HD方法的計(jì)算流程圖(演示程序運(yùn)行結(jié)果）：

1.2HD(Hardy-Cross)方法根據(jù)前述方法和步驟1.2HD(Hardy-Cross)方法進(jìn)行三次迭代后的結(jié)果管道Qnew迭代0123166.246.276.28222.172.152.14322.072.122.1440.50.310.320.3251.51.521.541.5461.51.241.21.18733.763.733.72節(jié)點(diǎn)高程(ft)管道壓損hl=rQ2

節(jié)點(diǎn)壓力(ft)A4204201-1513204052-13.22330391.855.233103976-4430393713B4104101.2HD(Hardy-Cross)方法進(jìn)行三次迭代后的結(jié)1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS（PipelineNetworkSimulation)管網(wǎng)仿真軟件根據(jù)管網(wǎng)各元件及系統(tǒng)的基本流動(dòng)關(guān)系，建立管網(wǎng)流動(dòng)模型，進(jìn)行管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)）和動(dòng)態(tài)模擬。精確描述管網(wǎng)系統(tǒng)的水力、熱力分布和變化趨勢(shì)，以及各單元及其內(nèi)部的流動(dòng)特征及流體性質(zhì)。該軟件適用于任意結(jié)構(gòu)和規(guī)模的管網(wǎng)，涵蓋多種流體模型?？赏瑫r(shí)處理管網(wǎng)中氣相、液相和多相流動(dòng)。PNS對(duì)管網(wǎng)流動(dòng)的精確描述為管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、操作控制和調(diào)度管理優(yōu)化提供可靠依據(jù)。1Section32341.3PNS管網(wǎng)仿真PNS（PipelineNetwor1.3PNS管網(wǎng)仿真管網(wǎng)仿真的內(nèi)容1.仿真是解決大型、復(fù)雜系統(tǒng)的最有力的工具和手段2.仿真研究的基本內(nèi)容物理系統(tǒng)描述（各種守恒關(guān)系）數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)技術(shù)及解模方法3.管網(wǎng)仿真研究和應(yīng)用：物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)和編程技術(shù)，管道系統(tǒng)操作和控制4.管網(wǎng)仿真分為靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真1.3PNS管網(wǎng)仿真管網(wǎng)仿真的內(nèi)容1.3PNS管網(wǎng)仿真靜態(tài)仿真功能1.模擬定常工況下管網(wǎng)系統(tǒng)的水力、熱力分布2.是各項(xiàng)操作（開(kāi)關(guān)閥門、啟停泵、調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力等）的最終目標(biāo)狀態(tài),或平均狀態(tài)3.嚴(yán)格意義的定常流動(dòng)是不存在的4.在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和操作方案制定時(shí)一般采用靜態(tài)模型，代表一種目標(biāo)和預(yù)計(jì)狀態(tài)1.3PNS管網(wǎng)仿真靜態(tài)仿真功能1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS靜態(tài)仿真示例模型描述：

建立管網(wǎng)模型時(shí)將水庫(kù)1、2簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)，用拖拽的方式建立管網(wǎng)結(jié)構(gòu)1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS靜態(tài)仿真示例1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS理論及方法建模方法（數(shù)值方法）靜態(tài)仿真節(jié)點(diǎn)壓力平衡法動(dòng)態(tài)仿真隱式差分法基本理論質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒流體模型和狀態(tài)方程網(wǎng)絡(luò)關(guān)系式（節(jié)點(diǎn)、環(huán)路）解模方法非線性代數(shù)方程組求解大型稀疏矩陣求解1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS理論及方法1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS流體模型AQUAlibrium：基于狀態(tài)方程相平衡理論的油、氣、水三相流體模型NIST：基于PR狀態(tài)方程氣液兩相模型天然氣模型：根據(jù)天然氣的比重按AGA8的方法計(jì)算天然氣的近似組成和性質(zhì)原油模型：根據(jù)原油在20°C時(shí)的比重快速計(jì)算其性質(zhì)參數(shù)常數(shù)模型：流體的性質(zhì)參數(shù)是給定的且不隨狀態(tài)變化程序模型：用VisualBasic或Delphi語(yǔ)言對(duì)特殊流體進(jìn)行專門描述1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS流體模型1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS和HD方法計(jì)算結(jié)果管道PNS結(jié)果(ft/m^3)HD結(jié)果16.456.2822.222.1432.232.144-0.290.325-1.491.546-1.061.187-3.553.721.3PNS管網(wǎng)仿真PNS和HD方法計(jì)算結(jié)果管道PNS結(jié)果1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS應(yīng)用特征管道網(wǎng)絡(luò)可視化圖形敷設(shè)、編輯和修改管網(wǎng)參數(shù)電子表格智能輸入，支持Excel動(dòng)態(tài)運(yùn)行設(shè)置表格輸入，結(jié)果自動(dòng)錄入，支持Excel標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、規(guī)格數(shù)據(jù)庫(kù)資源重復(fù)使用可選擇所有數(shù)據(jù)、結(jié)果的單位，自動(dòng)換算中英文單鍵互換自動(dòng)監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證錄入數(shù)據(jù)OPC組態(tài)和數(shù)據(jù)提取1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS應(yīng)用特征1.3PNS管網(wǎng)仿真應(yīng)用特征:顯示和仿真結(jié)果發(fā)布PNSServer：所有數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果通過(guò)OPC對(duì)外發(fā)布管道沿線各參數(shù)的分布圖節(jié)點(diǎn)參數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖Word和Excel模型數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出控制參數(shù)高、低限超界報(bào)警1.3PNS管網(wǎng)仿真應(yīng)用特征:顯示和仿真結(jié)果發(fā)布1.4PNS動(dòng)態(tài)仿真描述管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,是一系列狀態(tài)的集合，動(dòng)態(tài)是絕對(duì)的但短暫的,靜態(tài)是相對(duì)的但長(zhǎng)期的。1Section42341.4PNS動(dòng)態(tài)仿真描述管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,是一系列狀態(tài)1.4PNS動(dòng)態(tài)仿真PNS動(dòng)態(tài)仿真示例1.4PNS動(dòng)態(tài)仿真PNS動(dòng)態(tài)仿真示例

謝謝!本次課程結(jié)束

謝謝!本次課程結(jié)束管網(wǎng)仿真習(xí)題課張廷廷2012.4.28管網(wǎng)仿真習(xí)題課張廷廷1.管網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真方法及應(yīng)用本節(jié)主要針對(duì)例題1用管網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真方法之Hardy-Cross方法和PNS進(jìn)行求解和模擬，達(dá)到對(duì)管網(wǎng)仿真方法的深入理解及對(duì)PNS管網(wǎng)仿真軟件的初步了解的目的。1total234back1.管網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真方法及應(yīng)用本節(jié)主要針對(duì)例題1用管網(wǎng)系統(tǒng)靜1.1拋磚引玉例題1：計(jì)算如圖所示的管網(wǎng)系統(tǒng)的流量和壓力分布。1Section12341.1拋磚引玉例題1：計(jì)算如圖所示的管網(wǎng)系統(tǒng)的流量和壓力分布1.1拋磚引玉管道節(jié)點(diǎn)內(nèi)徑D長(zhǎng)度L粗糙度f(wàn)摩阻系數(shù)r面積Aftftft21A-1110000.0150.380.7821-20.678000.0192.890.3531-40.677000.0192.530.3544-20.57500.0212.130.19653-20.676000.0192.170.3563-40.678000.0192.890.357B-30.839000.0170.940.55節(jié)點(diǎn)高程h流量Qftft313202233043310143031.1拋磚引玉管道節(jié)點(diǎn)內(nèi)徑D長(zhǎng)度L粗糙度f(wàn)摩阻系數(shù)r面積Af1.2仿真方法概述流量平衡法：根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件和環(huán)路、路徑方程建立元件流量的靜態(tài)仿真模型，計(jì)算流量，然后確定系統(tǒng)的壓力分布。壓力平衡法：根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件建立管網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)仿真模型，首先計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力，然后確定其他水力熱力分布。1Section22341.2仿真方法概述流量平衡法：根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件和環(huán)路、路徑1.2HD(Hardy-Cross)方法基于環(huán)路和路徑能量守恒關(guān)系方程組是非線性的，求解困難逐環(huán)迭代、修正和逼近1.2HD(Hardy-Cross)方法基于環(huán)路和路徑能量1.2HD(Hardy-Cross)方法步驟1.合理假設(shè)管網(wǎng)中所有管道的流量，該假定流量分布必須滿足系統(tǒng)的連續(xù)性（能量、動(dòng)量和質(zhì)量守恒）。2.對(duì)于管網(wǎng)中的任一環(huán)路i，計(jì)算每根管道的

和。計(jì)算流量修正量ΔQi。然后修正各管道的流量。3.對(duì)所有環(huán)路重復(fù)步驟2。(逐環(huán)迭代）4.重復(fù)步驟2和3，直到取得滿意的結(jié)果，即ΔQi足夠?。M足一定的精度要求）。1.2HD(Hardy-Cross)方法步驟1.2HD(Hardy-Cross)方法求解例題1的具體過(guò)程

閉合環(huán)路Ⅰ（環(huán)路方向（順時(shí)針）：管道2->4->3(節(jié)點(diǎn)1-2-4-1））

閉合環(huán)路Ⅱ（環(huán)路方向（順時(shí)針）：管道5->6->4(節(jié)點(diǎn)2-3-4-2））

虛擬環(huán)路Ⅲ（環(huán)路方向（順時(shí)針）：管道7->5->2->1(節(jié)點(diǎn)B-3-2-1-A))

1.假設(shè)各個(gè)管道的流量初始值（大小和方向）

管道1-7的初始流量假設(shè)為：6、2、2、0.5、1.5、1.5、32.閉合環(huán)路I和環(huán)路II，流量修正量：

1.2HD(Hardy-Cross)方法求解例題1的具體過(guò)1.2HD(Hardy-Cross)方法

3.虛擬環(huán)路III，考慮2個(gè)水庫(kù)的液面高度差，流量修正量：1.2HD(Hardy-Cross)方法1.2HD(Hardy-Cross)方法環(huán)路管道rQrijQj|Qj|

2rij|Qj|

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Ⅰ22.8922.05412.13-0.5－0.4532.53-2－1.95?rijQj|Qj|

－1.5933.8ΔQi0.05Ⅱ52.17－1.5－1.6662.891.51.34412.130.450.3?rijQj|Qj|

4.1126.17ΔQi－0.16Ⅲ70.9443.8352.171.661.4922.89－2.05－2.2110.38－6－6.17?rijQj|Qj|

－4.7931.1ΔQi－0.171.2HD(Hardy-Cross)方法環(huán)路管道rQri1.2HD(Hardy-Cross)方法根據(jù)前述方法和步驟得到HD方法的計(jì)算流程圖(演示程序運(yùn)行結(jié)果）：

1.2HD(Hardy-Cross)方法根據(jù)前述方法和步驟1.2HD(Hardy-Cross)方法進(jìn)行三次迭代后的結(jié)果管道Qnew迭代0123166.246.276.28222.172.152.14322.072.122.1440.50.310.320.3251.51.521.541.5461.51.241.21.18733.763.733.72節(jié)點(diǎn)高程(ft)管道壓損hl=rQ2

節(jié)點(diǎn)壓力(ft)A4204201-1513204052-13.22330391.855.233103976-4430393713B4104101.2HD(Hardy-Cross)方法進(jìn)行三次迭代后的結(jié)1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS（PipelineNetworkSimulation)管網(wǎng)仿真軟件根據(jù)管網(wǎng)各元件及系統(tǒng)的基本流動(dòng)關(guān)系，建立管網(wǎng)流動(dòng)模型，進(jìn)行管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)）和動(dòng)態(tài)模擬。精確描述管網(wǎng)系統(tǒng)的水力、熱力分布和變化趨勢(shì)，以及各單元及其內(nèi)部的流動(dòng)特征及流體性質(zhì)。該軟件適用于任意結(jié)構(gòu)和規(guī)模的管網(wǎng)，涵蓋多種流體模型?？赏瑫r(shí)處理管網(wǎng)中氣相、液相和多相流動(dòng)。PNS對(duì)管網(wǎng)流動(dòng)的精確描述為管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、操作控制和調(diào)度管理優(yōu)化提供可靠依據(jù)。1Section32341.3PNS管網(wǎng)仿真PNS（PipelineNetwor1.3PNS管網(wǎng)仿真管網(wǎng)仿真的內(nèi)容1.仿真是解決大型、復(fù)雜系統(tǒng)的最有力的工具和手段2.仿真研究的基本內(nèi)容物理系統(tǒng)描述（各種守恒關(guān)系）數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)技術(shù)及解模方法3.管網(wǎng)仿真研究和應(yīng)用：物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)和編程技術(shù)，管道系統(tǒng)操作和控制4.管網(wǎng)仿真分為靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真1.3PNS管網(wǎng)仿真管網(wǎng)仿真的內(nèi)容1.3PNS管網(wǎng)仿真靜態(tài)仿真功能1.模擬定常工況下管網(wǎng)系統(tǒng)的水力、熱力分布2.是各項(xiàng)操作（開(kāi)關(guān)閥門、啟停泵、調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力等）的最終目標(biāo)狀態(tài),或平均狀態(tài)3.嚴(yán)格意義的定常流動(dòng)是不存在的4.在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和操作方案制定時(shí)一般采用靜態(tài)模型，代表一種目標(biāo)和預(yù)計(jì)狀態(tài)1.3PNS管網(wǎng)仿真靜態(tài)仿真功能1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS靜態(tài)仿真示例模型描述：

建立管網(wǎng)模型時(shí)將水庫(kù)1、2簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)，用拖拽的方式建立管網(wǎng)結(jié)構(gòu)1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS靜態(tài)仿真示例1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS理論及方法建模方法（數(shù)值方法）靜態(tài)仿真節(jié)點(diǎn)壓力平衡法動(dòng)態(tài)仿真隱式差分法基本理論質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒流體模型和狀態(tài)方程網(wǎng)絡(luò)關(guān)系式（節(jié)點(diǎn)、環(huán)路）解模方法非線性代數(shù)方程組求解大型稀疏矩陣求解1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS理論及方法1.3PNS管網(wǎng)仿真PNS流體模型AQUAlibrium：基于狀態(tài)方程相平衡理論的油、氣、水三相流體模型NIST：基于PR狀態(tài)方程氣液兩相模型天然氣模型：根據(jù)天然氣的比重按AGA8的方法