注水管網水力仿真軟件的開發

張意 (中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249)

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注水管網水力仿真軟件的開發

張意 (中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249)

基于圖論法相關理論，通過研究注水管網水力仿真算法，將圖形建模和管網模型節點矩陣緊密結合在一起，實現自動化構建數學表達式功能，減輕處理數據的工作量，提高仿真效率。通過實例分析，與現場數據進行對比，驗證了軟件的可靠性，同時證明軟件操作的實用性，大幅提高了注水管網水力計算的自動化水平。

注水管網；水力計算；圖形建模

目前，各大中型油田在開采中形成了較為完善的油田地面注水系統。隨著油田進入開采后期，管網系統不斷改造更新，僅僅依靠現場工作人員的經驗來維護日常生產運行存在很多弊端，同時缺乏可靠的監測手段，導致注水能耗不斷增加，給油田的高效生產帶來困難。因此提高系統生產運行水平，有效地控制系統能耗，降低生產成本成為關鍵[1]。目前，水力仿真模擬將管網拓撲結構圖與計算數學表達式相分離，主要依靠人工處理基礎數據，建立管網求解矩陣，操作人員很容易出現數據錄入的錯誤，從而影響了大規模注水系統仿真的可靠性，限制了注水仿真模擬研究的發展。雖然石油領域出現了如Pipephase、SPS等仿真模擬軟件，但是這些專業軟件的部分功能不符合現場實際情況，數據的輸入和數據處理等方面也有很多欠缺[2]。因此，有必要基于注水現場實際需求，開發出一套精度高、通用性強、自動化程度高的可視化注水系統水力仿真軟件。

1 注水管網水力仿真軟件的結構設計

注水管網水力仿真軟件利用Python語言編程技術[3]，基于Qt圖形用戶界面應用程序開發框架，開發用戶界面窗口，并且結合numpy工具包強大的科學計算功能[4]，編寫注水管網水力計算內核。該程序可在Windows環境下運行，方便用戶操作。

1.1 程序的數據結構

管網數據結構是管網數據在計算機中存儲的邏輯方式和數據文件的組織方式，反映了管網數據間的邏輯關系。注水管網水力計算采用字典和列表的數據結構。注水管網的屬性數據包括管段參數和節點參數，管段參數包括管段的起點和終點的坐標和編號、管長、管徑、管材以及粗糙度等參數，節點參數包括節點編號、坐標以及壓力、載荷數據等參數。該屬性采用字典的數據結構，可以根據軟件中圖形的編號，方便存儲、調用管網數據，不容易發生混亂。管網的拓撲結構數據包括管網中管段、節點的連接情況，該數據采用列表的數據結構。基于管段上下游節點的編號，通過圖論法相關理論，將拓撲結構圖轉換為0～1矩陣，可以快速構建水力計算的數學表達式[5]，并且便于對管網模型進行添加、刪減等操作，實現管網基礎數據與水力仿真算法的自動對接。

1.2 程序的結構設計

圖1 注水管網水力仿真軟件的系統結構

用戶通過軟件界面上的菜單欄、工具欄以及圖形建模區等對系統進行操作。操作人員基于主框架類、視圖類以及其他對話框類(見圖1)，完成管網基礎數據和節點壓力、流量動態數據的人機對話輸入，在進行水力仿真操作后，計算結果以Excel表格形式輸出，方便保存以及下次查閱。

1.3 程序的功能模塊設計

管網參數輸入和管網建模模塊用來輸入管網的拓撲結構圖和水力計算基礎參數，管網編輯和視圖模塊方便更改管網結構形狀，并且動態觀察局部區域，管網水力仿真模塊根據基礎參數和動態參數對管網進行水力計算，管網結果可視化和結果輸出模塊讀取并分析計算結果，同時標注在管網模型圖上，最后輸出Excel表格以及分析結果。具體軟件模塊分類如圖2所示。

2 注水管網水力仿真軟件的功能

2.1 計算數據的輸入

用戶根據建模需求，在可視化界面上利用鼠標點擊節點(水源、配水間、注水井)圖源，在畫布區域繪制管網拓撲結構圖。當確定管段起點后，移動鼠標，會出現可伸縮的直線，當再次點擊管段終點圖源時，就會形成連接2點并且表示流向的管道。在繪制節點同時，為了滿足水力計算建立數學方程的需求，程序自動對節點進行編號。同時每個節點都帶有坐標屬性，可以精確表示彼此之間的位置關系。針對大型管網構建模型的工作量大的特點，程序利用Excel表格作為數據接口，導入模型節點屬性和基礎參數，自動繪制管網拓撲結構圖，簡化建模操作，提高水力仿真效率。

圖2 注水管網水力仿真軟件功能模塊

定義以管道為中心線且包圍管段的小面積矩形為線捕捉區域，包圍節點圖形的小面積正方形為點捕捉區域，利用鼠標雙擊上述區域，彈出節點或者管段屬性對話框，輸入相應參數。如節點選擇固定流量或者固定壓力計算，輸入對應數據(見圖3)；管段輸入管長、管徑、粗糙度等信息(見圖4)。針對多點定壓和多點定流量的混合邊界條件，為了提高計算效率，編寫預處理程序，對自由編號的節點進行分塊處理，保證編號為1～(i-h)的節點具有已知載荷和未知壓力，而編號為(i-h+1)～i的節點具有已知壓力和未知載荷，滿足不同邊界條件下的水力仿真計算[6]。針對不同時間段內的水力仿真計算，頻繁的人工輸入容易出現較多錯誤，同時影響計算結果的時效性。因此基于現場數據庫的數據存儲結構，實現生產動態數據的自動導入功能，可避免人為因素影響計算的準確性。

圖3 節點屬性對話框

圖4 管段屬性對話框

圖5 注水管網拓撲結構圖

程序具有放大、縮小以及平移等視圖功能，可以通過滑動鼠標滑輪實現管網的縮放，便于仔細查看管網局部區域，同時點擊鼠標左鍵實現管網整體或者單個圖形的拖動功能。

2.2 注水管網水力仿真算法

基于質量守恒和能量守恒方程，建立管網模型對應的數學表達式。每個節點與外界的交換流量和與之連接管段的交換流量處于平衡狀態，關系式為：

ΣQi+Σi∈Iqj=0

式中，I是與節點i相連接管段的集合;Qi為節點i與外界交換的流量，令注入節點i的外界流量為負值；qj為與節點i相連接管段的流量，令流入節點i的管段流量為正值[7]。圖5為簡化的注水管網圖，包括6個節點(i=1,2,…,6)、7個管段(j=1,2,…,7)。

由此得出圖5所示注水管網拓撲結構圖的流量方程為：

(1)

將管網連接結構表達式和流量平衡方程用矩陣表示：

AQ=q

(2)

式中，q=(q1,q2,…,q6)為節點的注入注出流量向量； Q=(Q1,Q2,…,Q7)為管段的流量向量； A為系數矩陣，表征管網節點與管段的關聯關系。

當模型中存在注水泵組件時，需要額外提供泵曲線方程，將注水泵看作壓力反向增加的虛擬管線，此時管線壓降公式變為:

式中，a、b是注水泵曲線方程系數。

綜上所述，管網流量與壓力降關系可表示為：

[nB,AT][Q,p]T=dp

(3)

式中，B=(B1,B2,…,Bj)為管網的導納矩陣；n為常數，取10.67； AT為管網連接矩陣A的轉置；p=(p1,p2,…,pi)為節點壓力向量；dp=(dp1,dp2,…,dpj)為管段壓降殘差向量。

聯合節點流量和管段壓降平衡方程，確定管網求解矩陣[9]：

(4)

記：

(5)

(6)

(7)

則式(4)變為：

MX=b

(8)

式中，M為系數矩陣；X為變量矩陣；b為常數矩陣。

式(8)中有i個方程，2i個水力參數(即i個節點壓力，i個節點流量)。為求得該方程的唯一解，需要給定i個參數的值。現有的做法為一個節點對應某一個參數值(壓力或者流量)，求解余下的未知值。給定管段流量初值，對節點矩陣進行多次迭代，直到相鄰2次計算的管段流量差值滿足精度要求為止，輸出每個節點未知值。節點模型方法相對于解環方程法和解管段方程法[10]，計算速度快，精度高。

2.3 計算結果展示及分析

程序讀取計算結果，在管網拓撲結構圖上展示管段流量以及節點載荷、壓力數據，如果管段流量結果出現負值的情況，說明水流方向與管段模型初始設置流向相反，程序將自動修改不合適的管道流向。基于油田注水工程設計規范給出的相關能耗指標，選取其中的注水泵單耗、注水泵效率、注水管網效率、注水系統單耗等指標分析注水系統運行狀態。同時采用柱狀圖對比不同注水站、注水泵的運行情況，采用餅狀圖分析注水站、管網以及配水間等系統不同階段的能量損失情況，為現場采取節能降耗措施提供依據。

程序同時還具有Excel輸出接口，將計算結果以及數據分析圖形以Excel表格的形式保存至模型文件中，方便日后進行歷史數據的對比和分析。

3 計算實例

根據某油田注水管網實際拓撲結構圖建立管網模型(見圖6)，以注水站為起點，以配水間為終點。模型中包括：注水站數為8，運行注水泵臺數為5，配水間數為72，管段數為188。該模型采用注水站定壓力，配水間定流量的水力計算邊界條件。

圖6 某油田注水管網拓撲結構圖

選取部分節點壓力和管段流量進行數據對比。表1分別展示水力仿真軟件計算的節點壓力和SPS軟件計算的節點壓力。通過計算偏差分析可知，水力仿真軟件的計算精度高于SPS軟件。

表1 節點壓力計算結果對比

表2分別展示水力仿真軟件的管段流量計算結果和SPS軟件的管段流量計算結果。通過計算偏差分析可知，水力仿真軟件的計算精度高于SPS軟件。

通過構建較復雜注水管網模型實例，驗證軟件操作方便，計算精度較好，適用于大規模注水管網的水力仿真計算。

表2 管段流量計算結果對比

4 結語

利用Python編程語言和Qt圖形用戶界面應用程序開發框架開發了可視化注水管網水力仿真軟件。該軟件實現了管網建模、數據的輸入輸出以及水力仿真計算等功能，為用戶快速地實現注水管網的水力仿真提供了平臺。基于注水管網水力仿真算法，采用迭代的思想求解注水管網矩陣方程組，實現了注水管網的水力仿真計算。通過實例分析表明，該軟件計算精度較高。基于軟件的水力仿真計算結果，展示管網的運行狀態，可為現場及時發現管網運行問題提供依據。

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[編輯] 趙宏敏

2016-09-16

山西省自然科學基金項目(2014012012)。

張意(1992-)，男，碩士生，現主要從事油氣集輸地面工程方面的研究工作；E-mail:81897277@qq.com。

TE357.6

A

1673-1409(2016)34-0027-06

[引著格式]張意.注水管網水力仿真軟件的開發[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(34)：27～32.