管网仿真习题课

‹#›管网仿真习题课张廷廷2012.4.28‹#›1.管网系统静态仿真方法及应用本节主要针对例题1用管网系统静态仿真方法之Hardy-Cross方法和PNS进行求解和模拟，达到对管网仿真方法的深入理解及对PNS管网仿真软件的初步了解的目的。1total234back‹#›1.1抛砖引玉•例题1：计算如图所示的管网系统的流量和压力分布。1Section1234‹#›1.1抛砖引玉管道节点内径D长度L粗糙度f摩阻系数r面积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节点高程h流量Qftft31320223304331014303‹#›1.2仿真方法概述•流量平衡法：根据节点连接条件和环路、路径方程建立元件流量的静态仿真模型，计算流量，然后确定系统的压力分布。•压力平衡法：根据节点连接条件建立管网系统静态仿真模型，首先计算各个节点的压力，然后确定其他水力热力分布。1Section2234‹#›1.2HD(Hardy-Cross)方法•基于环路和路径能量守恒关系•方程组是非线性的，求解困难•逐环迭代、修正和逼近11nnijijiHiKjjEfQENENnijijijEKQ^ijijijQQQ()0()11^^^iiinnijijijijijijidydyxdxdxhKQQKnQQ1^^1^niKiHiKijijijjiHinjiKijijjiHENENKQQQKnQ‹#›1.2HD(Hardy-Cross)方法•步骤–1.合理假设管网中所有管道的流量，该假定流量分布必须满足系统的连续性（能量、动量和质量守恒）。–2.对于管网中的任一环路i，计算每根管道的和。计算流量修正量ΔQi。然后修正各管道的流量。–3.对所有环路重复步骤2。(逐环迭代）–4.重复步骤2和3，直到取得满意的结果，即ΔQi足够小（满足一定的精度要求）。1nijjjrQQ1nijjnrQ‹#›1.2HD(Hardy-Cross)方法•求解例题1的具体过程闭合环路Ⅰ（环路方向（顺时针）：管道2-4-3(节点1-2-4-1））闭合环路Ⅱ（环路方向（顺时针）：管道5-6-4(节点2-3-4-2））虚拟环路Ⅲ（环路方向（顺时针）：管道7-5-2-1(节点B-3-2-1-A))1.假设各个管道的流量初始值（大小和方向）管道1-7的初始流量假设为：6、2、2、0.5、1.5、1.5、32.闭合环路I和环路II，流量修正量：‹#›1.2HD(Hardy-Cross)方法3.虚拟环路III，考虑2个水库的液面高度差，流量修正量：2ijjjABlijjrQQhQrQ2ijjjlijjrQQQrQ‹#›1.2HD(Hardy-Cross)方法环路管道rQrijQj|Qj|2rij|Qj|QnewⅠ22.8922.05412.13-0.5－0.4532.53-2－1.95ƩrijQj|Qj|－1.5933.8ΔQi0.05Ⅱ52.17－1.5－1.6662.891.51.34412.130.450.3ƩrijQj|Qj|4.1126.17ΔQi－0.16Ⅲ70.9443.8352.171.661.4922.89－2.05－2.2110.38－6－6.17ƩrijQj|Qj|－4.7931.1ΔQi－0.17‹#›1.2HD(Hardy-Cross)方法•根据前述方法和步骤得到HD方法的计算流程图(演示程序运行结果）：‹#›1.2HD(Hardy-Cross)方法•进行三次迭代后的结果管道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节点高程(ft)管道压损hl=rQ2节点压力(ft)A4204201-1513204052-13.22330391.855.233103976-4430393713B410410‹#›1.3PNS管网仿真•PNS（PipelineNetworkSimulation)–管网仿真软件根据管网各元件及系统的基本流动关系，建立管网流动模型，进行管网稳态(静态）和动态模拟。–精确描述管网系统的水力、热力分布和变化趋势，以及各单元及其内部的流动特征及流体性质。–该软件适用于任意结构和规模的管网，涵盖多种流体模型。–可同时处理管网中气相、液相和多相流动。–PNS对管网流动的精确描述为管网的规划设计、操作控制和调度管理优化提供可靠依据。1Section3234‹#›1.3PNS管网仿真•管网仿真的内容1.仿真是解决大型、复杂系统的最有力的工具和手段2.仿真研究的基本内容•物理系统描述（各种守恒关系）•数学模型•计算机技术及解模方法3.管网仿真研究和应用：物理和数学基础，计算机和编程技术，管道系统操作和控制4.管网仿真分为静态仿真和动态仿真‹#›1.3PNS管网仿真•静态仿真功能1.模拟定常工况下管网系统的水力、热力分布2.是各项操作（开关阀门、启停泵、调节压缩机进出口压力等）的最终目标状态,或平均状态3.严格意义的定常流动是不存在的4.在规划、设计和操作方案制定时一般采用静态模型，代表一种目标和预计状态‹#›1.3PNS管网仿真•PNS静态仿真示例模型描述：建立管网模型时将水库1、2简化为节点，用拖拽的方式建立管网结构‹#›1.3PNS管网仿真•PNS理论及方法–建模方法（数值方法）•静态仿真节点压力平衡法•动态仿真隐式差分法–基本理论•质量、动量、能量守恒•流体模型和状态方程•网络关系式（节点、环路）–解模方法•非线性代数方程组求解•大型稀疏矩阵求解‹#›1.3PNS管网仿真•PNS流体模型–AQUAlibrium：基于状态方程相平衡理论的油、气、水三相流体模型–NIST：基于PR状态方程气液两相模型–天然气模型：根据天然气的比重按AGA8的方法计算天然气的近似组成和性质–原油模型：根据原油在20°C时的比重快速计算其性质参数–常数模型：流体的性质参数是给定的且不随状态变化–程序模型：用VisualBasic或Delphi语言对特殊流体进行专门描述‹#›1.3PNS管网仿真•PNS和HD方法计算结果管道PNS结果(ft/m^3)HD结果16.456.2822.222.1432.232.144-0.290.325-1.491.546-1.061.187-3.553.72‹#›1.3PNS管网仿真•PNS应用特征–管道网络可视化图形敷设、编辑和修改–管网参数电子表格智能输入，支持Excel–动态运行设置表格输入，结果自动录入，支持Excel–标准设备、规格数据库–资源重复使用–可选择所有数据、结果的单位，自动换算–中英文单键互换–自动监测和验证录入数据–OPC组态和数据提取‹#›1.3PNS管网仿真•应用特征:显示和仿真结果发布–PNSServer：所有数据和动态仿真结果通过OPC对外发布–管道沿线各参数的分布图–节点参数随时间变化的趋势图–Word和Excel模型数据和结果输出–控制参数高、低限超界报警‹#›1.4PNS动态仿真•描述管网系统动态变化过程,是一系列状态的集合，动态是绝对的但短暂的,静态是相对的但长期的。1Section4234‹#›1.4PNS动态仿真•PNS动态仿真示例‹#›谢谢!本次课程结束