1、1管网仿真习题课张廷廷2012.4.2821.管网系统静态仿真方法及应用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。1total234backback31.1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。1Section 123441.1抛砖引玉管道管道节点节点内径内径D长度长度L粗糙度粗糙度f摩阻系摩阻系数数r面积面积Aftftft21A-1110000.0150.380.7821-20.678000.0192.890.3531-40.67
2、7000.0192.530.3544-20.57500.0212.130.19653-20.676000.0192.170.3563-40.678000.0192.890.357B-30.839000.0170.940.55节点节点高程高程h流量流量Qftft3132022330433101430351.2 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。1Section 223461.2 HD(Hardy-Cross)
3、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11nnijijiHiKjjEf QENENnijijijEK QijijijQQQ()0()11iiinnijijijijijijidydyxdxdxhK Q QK n QQ11niKiHiKijijijj iHinj iKijijj iHENENK Q QQK n Q71.2 HD(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Qi。然后修正各管道的流量。3.对所
4、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Qi 足够小（满足一定的精度要求）。1nijjjr Q Q1nijjnrQ81.2 HD(Hardy-Cross)方法 求解例题求解例题1 1的具体过程的具体过程 闭合环路（环路方向（顺时针）：管道2-4-3(节点1-2-4-1）闭合环路（环路方向（顺时针）：管道5-6-4(节点2-3-4-2）虚拟环路（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、3 2.闭合环路I和环路II，流量修正量：91.2
5、HD(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：2ijjjABlijjrQ QhQr Q2ijjjlijjr Q QQr Q 101.2 HD(Hardy-Cross)方法环路管道rQr ijQj|Qj|2rij|Qj|Qnew 22.8922.05412.13-0.50.4532.53-21.95rijQj|Qj|1.5933.8Qi 0.0552.171.51.6662.891.51.34412.130.450.3rijQj|Qj|4.1126.17Qi 0.1670.9443.8352.171.661.4922.892.052.2110.38
6、66.17111.2 HD(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）：121.2 HD(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=r Q2 节点压力(ft)A4204201-1513204052-13.22330391.855.233103976-4430393713B41041
7、0131.3 PNS管网仿真PNSPNS（Pipeline Network Simulation)Pipeline Network Simulation)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。1Section 3234141.3 PNS管网仿真 管网仿真的内容1.仿真是解决大型、复杂系
8、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151.3 PNS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161.3 PNS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
9、结构171.3 PNS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181.3 PNS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20C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Visual B
10、asic或Delphi语言对特殊流体进行专门描述191.3 PNS管网仿真 PNS和HD方法计算结果管道PNS结果(ft/m3)HD结果1 6.45 6.28 2 2.22 2.14 3 2.23 2.14 4-0.29 0.32 5-1.49 1.54 6-1.06 1.18 7-3.55 3.72 201.3 PNS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211.3 PNS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221.4 PNS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。1Section 4234231.4 PNS动态仿真 PNS动态仿真示例24谢谢!本次课程结束
