【正文】 該軟件主要用于管道設(shè)計(jì)運(yùn)行方案優(yōu)化。它的核心為 TLNET，被稱(chēng)為仿真發(fā)動(dòng)機(jī)。其交互 性好，圖形功能強(qiáng)，而且顯示功能模仿 SCADA 系統(tǒng)的人機(jī)界面。 美國(guó) Stoner 公司開(kāi)發(fā)了用于長(zhǎng)輸管道動(dòng)態(tài)工況的軟件 SPS。 SPS 的核心稱(chēng)作水力發(fā)動(dòng)機(jī)（ Hydraulic Engine），描述管道流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型就放在此模塊中。如進(jìn)、出站壓力控制、流量控制等。該軟件培訓(xùn)學(xué)員時(shí)，在不干預(yù)管道運(yùn)行的前提下，可體驗(yàn)管道的控制與監(jiān)視，學(xué)員與教員的終端分設(shè)。 LIQNET 既可用于瞬變工況分析，也可用于穩(wěn)定工況分析。在線仿真又稱(chēng)為實(shí)時(shí)仿真 [6]。而在線仿真軟件的運(yùn)行完全是由所在管道的 SCADA 系統(tǒng)所提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，針對(duì) 實(shí)際管道的運(yùn)行進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)模擬。如美國(guó) SSI 公司開(kāi)發(fā)的在線仿真軟件 Online System, Stoner 公司開(kāi)發(fā)的在線仿真軟件 Online Modeling System， MA 公司開(kāi)發(fā)的在線軟件 PLDS，意大利 Snamprogetti 公司開(kāi)發(fā)的 DTS 軟件。 總之，密閉輸油管道是一項(xiàng)綜合技術(shù)的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)人們的長(zhǎng)期實(shí)踐和努力，國(guó)外在這方面己積累了不 少成功經(jīng)驗(yàn)，取得了較大進(jìn)展。 本文研究目標(biāo)是 :通過(guò)建立管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析和水擊分析模型，對(duì)所建立的模型進(jìn)行有效的求解，并開(kāi)發(fā)出分析軟件，具體應(yīng)用于花格管道水擊分析。簡(jiǎn)要介紹了水擊分析軟件，并用實(shí)例驗(yàn)證了軟件的正確性，最后，給出了幾種水擊現(xiàn)象的防護(hù)方法。 文中，在求輸油管的水擊波速方程時(shí)，不考慮如聚氯乙烯管、鋼筋混凝土管的波速計(jì)算方法，并且忽略管線中游 離空氣對(duì)波速的減速減緩作用，即只考慮單相均勻的流體波速計(jì)算，而不考慮氣液兩相流的波速，在整個(gè)過(guò)程中把波速看作是恒定不變的 [6]。 波速方程： ? ?? ?21.1/?????? ??CeDEkka ρ (21) 式中： E— 材料的彈性模量； K— 管輸液體的彈性模量； p— 管輸液體的密度； D— 管內(nèi)徑； e— 管壁厚； C— 系數(shù)，與管道約 束有關(guān)。 ? ? ? ? ?????? ?????? ?????? DeuDeuDeC 1 (22) (b)種約束為防止軸向應(yīng)變而固定的管子。 ? ? ?????? ?????? ????? DeuDeDeC 112111 (24) 在上面三式中： u— 泊松比。 5 為了后面分析方便，對(duì)管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)作如下假設(shè)： 管道為彈性管，即管道變形在線彈性范圍內(nèi)； 對(duì)于每一給定管段，視傾斜度不變： 在管道橫截面上，視流速均勻分布； 摩阻系數(shù)是管壁粗糙度和雷諾數(shù)的函數(shù)，在瞬態(tài)計(jì)算中采用穩(wěn)定的摩阻系 數(shù)。 據(jù)牛頓第二定律，推導(dǎo)出歐拉微分方程 021 ????? VVDfxpdtdV ? （ 26） 由歐拉方程和質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)出連續(xù)性方程 012 ???? dtdPxVa ? （ 27） 式中： x— 管長(zhǎng)； f— 摩阻系數(shù)。 最初所需的那個(gè)適當(dāng)?shù)摹敖浦?” ，可根據(jù) Moody公式求得 [7]，即 1 l og 2 R e d???????? ? ??? 6 （ 29） 經(jīng)驗(yàn)公式 表 21 常用水力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式 Table 21 Hydraulic Calculation of empirical formula monly used 流態(tài)類(lèi)別 eR 范圍 ?????? ?? d2? 常用的經(jīng)驗(yàn)公式 層流 2300?eR Re64?? 紊 流 水力光滑 78 ?＜＜ eR 4 Re?? 混合摩擦 ??? lg76 566 578 ?＜＜ eR ???????? ?????? ????111 dRg e? 水力粗糙 ?? ?＞ lg21?????? ?? d? △：絕對(duì)粗糙度 當(dāng)然必須檢查雷諾數(shù)是否大于 2300，如果低于 2300，則應(yīng)該用適合于層流的公式代替。某些未討論的元件也可以為這兒種元件一種或幾種的組合。這樣，也就擴(kuò)大了本節(jié)討論方法的應(yīng)用范圍。 不穩(wěn)定流工況分析中，一個(gè)重要的原因是由于閥門(mén)的動(dòng)作所引起的，由于限流作用，關(guān)小了的閥會(huì)使系統(tǒng)里的壓頭增加，導(dǎo)致流速減小 。按照傳統(tǒng)觀念和靜態(tài)水力學(xué)原理，閥門(mén)壓頭損失按下式計(jì)算： gVKh LL 22?? （ 210） 式中： hL— 壓頭損失； 15 310 357 1 200 000 Red? ???????? ? ? ??????? 7 V— 管內(nèi)介質(zhì)的流速（非流經(jīng)閥門(mén)的流速）； KL— 閥門(mén)的阻力系數(shù)。 無(wú)論工況怎樣變化都假定閥上的瞬態(tài)壓頭損失不受瞬變流帶來(lái)的影響，即它只取決于閥門(mén)的開(kāi)度和由實(shí)驗(yàn)室定得的閥門(mén)特性。 求開(kāi)度：我們是把關(guān)閥計(jì)劃簡(jiǎn)化為由幾個(gè)線性關(guān)閥計(jì)劃組成的，這樣，用線性插值法就可以求得任一時(shí)刻的閥開(kāi)度。為了方便起見(jiàn)，采用開(kāi)度和 1/KL的關(guān)系數(shù)據(jù)，這樣可以避免閥門(mén)處于全關(guān)位置時(shí) KL趨于無(wú)窮大的麻煩。 泵的工況非常復(fù)雜。啟泵的影響很小，很少會(huì)引起危險(xiǎn)，并且泵啟動(dòng)很難模擬 [8]，所以程序中只考慮停泵的瞬變過(guò)程。 泵處于泵送方式 — P1 區(qū) 。然而，泵在第四象限工作是很難遇到的。 如果利用標(biāo)準(zhǔn)的 NQ 圖，那么四象限泵的特性就會(huì)很復(fù)雜，而且難以在泵特性的任何計(jì)算機(jī)模型中加以利用，蘇特提出了一種無(wú)因次表示方法，這種方法非常適用于計(jì)算機(jī)。 于是畫(huà)出 WH 和 WT 對(duì) θ 的關(guān)系曲線。比較容易的是，比如說(shuō)把 WH和 WT 曲線上的許多點(diǎn)寫(xiě)入計(jì)算機(jī)，利用內(nèi)插法，可很快的獲得相應(yīng)于特定θ 的特定 WT 或 WH的值，據(jù)式 （ 213） ， （ 214） ，可把 WH和 WT 轉(zhuǎn)換成和 H 和 W。 很少有幾家制造廠提供所有泵的全特性曲線，可以認(rèn)為比轉(zhuǎn)速 n、相同的泵，有著相同的全特性曲線。 全特性曲線在停泵中的應(yīng) ： 我們選取全特性曲線上與停泵過(guò)程有關(guān)的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)象限 (包括水泵工況，正轉(zhuǎn)逆流制動(dòng)工況，水輪機(jī)工況三個(gè)區(qū)域的特性 )用兩組數(shù)組來(lái)表示殘對(duì) ? 的關(guān)系上的點(diǎn)。由方程 (213)得： ???????? ???????????????? ??222NNWTT Ts (215) 利用 T，求得下一時(shí)刻轉(zhuǎn)速 N、 ： I tTNN ??? 1` 260? 式中： I— 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由下式計(jì)算 : ?? LdsGD 422 8? (218) 式中： ds— 轉(zhuǎn)軸直徑； L— 轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度； p— 材料密度。 一般而言，電動(dòng)機(jī)的 GDM2 要比泵的 GDP2 大得多，通常 GDP2相當(dāng)于 GDM2 的 10%左右。用什么方法采油，主要取決于油層是否有充分的能量，如果能量足夠大，開(kāi)井后，原油能自動(dòng)噴出地面，這種完全依靠天然能量將油采出地面的方法，稱(chēng)為自噴采油，這里只考慮自噴采油的情況 [10]。因此，混合物流經(jīng)油嘴時(shí)，流速極高，往往達(dá)到臨界流速狀態(tài)，所謂臨界流動(dòng)就是流體流速達(dá)到或超過(guò)壓 力波在流體介質(zhì)中傳播速度時(shí)的流動(dòng)。 從圖中可以看出： 當(dāng) P1=P2 時(shí) 、 Q=0。 直線段 bc 上， P2/P 1值變化對(duì) Q 之影響，是臨界流動(dòng)，對(duì)于油井來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)臨界流的條件是： P1/P2≤。 非臨界流： ? ?210 PPKq ?? （ 221） 式中： K— 摩阻系數(shù)，不允許油倒流入井。 (P2/P1) 0 1 Q C b a P2/P1 1P 2P 12 阻力件所起作用是消耗液流能量，所用公式為 gVKh LL 2/2?? （ 223） 參數(shù)意義同上。 分別對(duì)節(jié)點(diǎn)和元件編號(hào)，如圖 31所示： 圖 31 管網(wǎng)圖例 Figure 31 Pipeline Legend 如流程示意圖 32 所示，首先判斷每一節(jié)點(diǎn)的邊界條件類(lèi)型，當(dāng)節(jié)點(diǎn)壓力為己知時(shí)，為壓力邊 界條件。 否則，建立節(jié)點(diǎn)流量平衡方程，見(jiàn)圖 33 （ 1） 非管元 件 1 管元件 3 （ 2） （ 4） （ 3） 4 6 7 (7) （ 5） （ 8） （ 9） 8 （ 10） 9 5 10 13 圖 33 節(jié)點(diǎn)流量平衡 Figure 33 Balanced flow node 01 1???ni Q （ 32） 式中： Q1— 流出流入節(jié)點(diǎn)的流量。并且，設(shè)流量方向都為由上游節(jié)點(diǎn)流向下游節(jié)點(diǎn)。 然后，判斷每一個(gè)元件的類(lèi)型，分別建立它們的特性方程： ? ? 0, 21 ?QPPf （ 33） 式中： P1— 元件上游節(jié)點(diǎn)； P2— 元件下游節(jié)點(diǎn)； Q— 元件內(nèi)部流量。通過(guò)考慮元件和節(jié)點(diǎn)方程就得到了穩(wěn)定流動(dòng)管網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)含有（ L+M+P）個(gè)未知數(shù)，（ L+M+P）個(gè)方程的非奇異方程組（令 n=L+M+P） ? ?? ?? ?? ? ????????????????????????????????????????0,...............................0,.............................................................0,0,21211212211ninnininixxxxFxxxxFxxxxFxxxxF （ 34） NewtonRaphson 法 上面的方程組是大型非線性方程組，用常規(guī)方法求解，