张意 (中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249)



注水管网水力仿真软件的开发

张意 (中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249)

基于图论法相关理论，通过研究注水管网水力仿真算法，将图形建模和管网模型节点矩阵紧密结合在一起，实现自动化构建数学表达式功能，减轻处理数据的工作量，提高仿真效率。通过实例分析，与现场数据进行对比，验证了软件的可靠性，同时证明软件操作的实用性，大幅提高了注水管网水力计算的自动化水平。

注水管网；水力计算；图形建模

目前，各大中型油田在开采中形成了较为完善的油田地面注水系统。随着油田进入开采后期，管网系统不断改造更新，仅仅依靠现场工作人员的经验来维护日常生产运行存在很多弊端，同时缺乏可靠的监测手段，导致注水能耗不断增加，给油田的高效生产带来困难。因此提高系统生产运行水平，有效地控制系统能耗，降低生产成本成为关键[1]。目前，水力仿真模拟将管网拓扑结构图与计算数学表达式相分离，主要依靠人工处理基础数据，建立管网求解矩阵，操作人员很容易出现数据录入的错误，从而影响了大规模注水系统仿真的可靠性，限制了注水仿真模拟研究的发展。虽然石油领域出现了如Pipephase、SPS等仿真模拟软件，但是这些专业软件的部分功能不符合现场实际情况，数据的输入和数据处理等方面也有很多欠缺[2]。因此，有必要基于注水现场实际需求，开发出一套精度高、通用性强、自动化程度高的可视化注水系统水力仿真软件。

1 注水管网水力仿真软件的结构设计

注水管网水力仿真软件利用Python语言编程技术[3]，基于Qt图形用户界面应用程序开发框架，开发用户界面窗口，并且结合numpy工具包强大的科学计算功能[4]，编写注水管网水力计算内核。该程序可在Windows环境下运行，方便用户操作。

1.1 程序的数据结构

管网数据结构是管网数据在计算机中存储的逻辑方式和数据文件的组织方式，反映了管网数据间的逻辑关系。注水管网水力计算采用字典和列表的数据结构。注水管网的属性数据包括管段参数和节点参数，管段参数包括管段的起点和终点的坐标和编号、管长、管径、管材以及粗糙度等参数，节点参数包括节点编号、坐标以及压力、载荷数据等参数。该属性采用字典的数据结构，可以根据软件中图形的编号，方便存储、调用管网数据，不容易发生混乱。管网的拓扑结构数据包括管网中管段、节点的连接情况，该数据采用列表的数据结构。基于管段上下游节点的编号，通过图论法相关理论，将拓扑结构图转换为0～1矩阵，可以快速构建水力计算的数学表达式[5]，并且便于对管网模型进行添加、删减等操作，实现管网基础数据与水力仿真算法的自动对接。

1.2 程序的结构设计

图1 注水管网水力仿真软件的系统结构

用户通过软件界面上的菜单栏、工具栏以及图形建模区等对系统进行操作。操作人员基于主框架类、视图类以及其他对话框类(见图1)，完成管网基础数据和节点压力、流量动态数据的人机对话输入，在进行水力仿真操作后，计算结果以Excel表格形式输出，方便保存以及下次查阅。

1.3 程序的功能模块设计

管网参数输入和管网建模模块用来输入管网的拓扑结构图和水力计算基础参数，管网编辑和视图模块方便更改管网结构形状，并且动态观察局部区域，管网水力仿真模块根据基础参数和动态参数对管网进行水力计算，管网结果可视化和结果输出模块读取并分析计算结果，同时标注在管网模型图上，最后输出Excel表格以及分析结果。具体软件模块分类如图2所示。

2 注水管网水力仿真软件的功能

2.1 计算数据的输入

用户根据建模需求，在可视化界面上利用鼠标点击节点(水源、配水间、注水井)图源，在画布区域绘制管网拓扑结构图。当确定管段起点后，移动鼠标，会出现可伸缩的直线，当再次点击管段终点图源时，就会形成连接2点并且表示流向的管道。在绘制节点同时，为了满足水力计算建立数学方程的需求，程序自动对节点进行编号。同时每个节点都带有坐标属性，可以精确表示彼此之间的位置关系。针对大型管网构建模型的工作量大的特点，程序利用Excel表格作为数据接口，导入模型节点属性和基础参数，自动绘制管网拓扑结构图，简化建模操作，提高水力仿真效率。

图2 注水管网水力仿真软件功能模块

定义以管道为中心线且包围管段的小面积矩形为线捕捉区域，包围节点图形的小面积正方形为点捕捉区域，利用鼠标双击上述区域，弹出节点或者管段属性对话框，输入相应参数。如节点选择固定流量或者固定压力计算，输入对应数据(见图3)；管段输入管长、管径、粗糙度等信息(见图4)。针对多点定压和多点定流量的混合边界条件，为了提高计算效率，编写预处理程序，对自由编号的节点进行分块处理，保证编号为1～(i-h)的节点具有已知载荷和未知压力，而编号为(i-h+1)～i的节点具有已知压力和未知载荷，满足不同边界条件下的水力仿真计算[6]。针对不同时间段内的水力仿真计算，频繁的人工输入容易出现较多错误，同时影响计算结果的时效性。因此基于现场数据库的数据存储结构，实现生产动态数据的自动导入功能，可避免人为因素影响计算的准确性。

图3 节点属性对话框

图4 管段属性对话框

图5 注水管网拓扑结构图

程序具有放大、缩小以及平移等视图功能，可以通过滑动鼠标滑轮实现管网的缩放，便于仔细查看管网局部区域，同时点击鼠标左键实现管网整体或者单个图形的拖动功能。

2.2 注水管网水力仿真算法

基于质量守恒和能量守恒方程，建立管网模型对应的数学表达式。每个节点与外界的交换流量和与之连接管段的交换流量处于平衡状态，关系式为：

ΣQi+Σi∈Iqj=0

式中，I是与节点i相连接管段的集合;Qi为节点i与外界交换的流量，令注入节点i的外界流量为负值；qj为与节点i相连接管段的流量，令流入节点i的管段流量为正值[7]。图5为简化的注水管网图，包括6个节点(i=1,2,…,6)、7个管段(j=1,2,…,7)。

由此得出图5所示注水管网拓扑结构图的流量方程为：

(1)

将管网连接结构表达式和流量平衡方程用矩阵表示：

AQ=q

(2)

式中，q=(q1,q2,…,q6)为节点的注入注出流量向量； Q=(Q1,Q2,…,Q7)为管段的流量向量； A为系数矩阵，表征管网节点与管段的关联关系。

当模型中存在注水泵组件时，需要额外提供泵曲线方程，将注水泵看作压力反向增加的虚拟管线，此时管线压降公式变为:

式中，a、b是注水泵曲线方程系数。

综上所述，管网流量与压力降关系可表示为：

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

(3)

式中，B=(B1,B2,…,Bj)为管网的导纳矩阵；n为常数，取10.67； AT为管网连接矩阵A的转置；p=(p1,p2,…,pi)为节点压力向量；dp=(dp1,dp2,…,dpj)为管段压降残差向量。

联合节点流量和管段压降平衡方程，确定管网求解矩阵[9]：

(4)

记：

(5)

(6)

(7)

则式(4)变为：

MX=b

(8)

式中，M为系数矩阵；X为变量矩阵；b为常数矩阵。

式(8)中有i个方程，2i个水力参数(即i个节点压力，i个节点流量)。为求得该方程的唯一解，需要给定i个参数的值。现有的做法为一个节点对应某一个参数值(压力或者流量)，求解余下的未知值。给定管段流量初值，对节点矩阵进行多次迭代，直到相邻2次计算的管段流量差值满足精度要求为止，输出每个节点未知值。节点模型方法相对于解环方程法和解管段方程法[10]，计算速度快，精度高。

2.3 计算结果展示及分析

程序读取计算结果，在管网拓扑结构图上展示管段流量以及节点载荷、压力数据，如果管段流量结果出现负值的情况，说明水流方向与管段模型初始设置流向相反，程序将自动修改不合适的管道流向。基于油田注水工程设计规范给出的相关能耗指标，选取其中的注水泵单耗、注水泵效率、注水管网效率、注水系统单耗等指标分析注水系统运行状态。同时采用柱状图对比不同注水站、注水泵的运行情况，采用饼状图分析注水站、管网以及配水间等系统不同阶段的能量损失情况，为现场采取节能降耗措施提供依据。

程序同时还具有Excel输出接口，将计算结果以及数据分析图形以Excel表格的形式保存至模型文件中，方便日后进行历史数据的对比和分析。

3 计算实例

根据某油田注水管网实际拓扑结构图建立管网模型(见图6)，以注水站为起点，以配水间为终点。模型中包括：注水站数为8，运行注水泵台数为5，配水间数为72，管段数为188。该模型采用注水站定压力，配水间定流量的水力计算边界条件。

图6 某油田注水管网拓扑结构图

选取部分节点压力和管段流量进行数据对比。表1分别展示水力仿真软件计算的节点压力和SPS软件计算的节点压力。通过计算偏差分析可知，水力仿真软件的计算精度高于SPS软件。

表1 节点压力计算结果对比

表2分别展示水力仿真软件的管段流量计算结果和SPS软件的管段流量计算结果。通过计算偏差分析可知，水力仿真软件的计算精度高于SPS软件。

通过构建较复杂注水管网模型实例，验证软件操作方便，计算精度较好，适用于大规模注水管网的水力仿真计算。

表2 管段流量计算结果对比

4 结语

利用Python编程语言和Qt图形用户界面应用程序开发框架开发了可视化注水管网水力仿真软件。该软件实现了管网建模、数据的输入输出以及水力仿真计算等功能，为用户快速地实现注水管网的水力仿真提供了平台。基于注水管网水力仿真算法，采用迭代的思想求解注水管网矩阵方程组，实现了注水管网的水力仿真计算。通过实例分析表明，该软件计算精度较高。基于软件的水力仿真计算结果，展示管网的运行状态，可为现场及时发现管网运行问题提供依据。

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[编辑] 赵宏敏

2016-09-16

山西省自然科学基金项目(2014012012)。

张意(1992-)，男，硕士生，现主要从事油气集输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]张意.注水管网水力仿真软件的开发[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(34)：27～32.