注水管網(wǎng)水力仿真軟件的開(kāi)發(fā)

張意 (中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

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注水管網(wǎng)水力仿真軟件的開(kāi)發(fā)

張意 (中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

基于圖論法相關(guān)理論，通過(guò)研究注水管網(wǎng)水力仿真算法，將圖形建模和管網(wǎng)模型節(jié)點(diǎn)矩陣緊密結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化構(gòu)建數(shù)學(xué)表達(dá)式功能，減輕處理數(shù)據(jù)的工作量，提高仿真效率。通過(guò)實(shí)例分析，與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了軟件的可靠性，同時(shí)證明軟件操作的實(shí)用性，大幅提高了注水管網(wǎng)水力計(jì)算的自動(dòng)化水平。

注水管網(wǎng)；水力計(jì)算；圖形建模

目前，各大中型油田在開(kāi)采中形成了較為完善的油田地面注水系統(tǒng)。隨著油田進(jìn)入開(kāi)采后期，管網(wǎng)系統(tǒng)不斷改造更新，僅僅依靠現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)維護(hù)日常生產(chǎn)運(yùn)行存在很多弊端，同時(shí)缺乏可靠的監(jiān)測(cè)手段，導(dǎo)致注水能耗不斷增加，給油田的高效生產(chǎn)帶來(lái)困難。因此提高系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行水平，有效地控制系統(tǒng)能耗，降低生產(chǎn)成本成為關(guān)鍵[1]。目前，水力仿真模擬將管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖與計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式相分離，主要依靠人工處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立管網(wǎng)求解矩陣，操作人員很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入的錯(cuò)誤，從而影響了大規(guī)模注水系統(tǒng)仿真的可靠性，限制了注水仿真模擬研究的發(fā)展。雖然石油領(lǐng)域出現(xiàn)了如Pipephase、SPS等仿真模擬軟件，但是這些專業(yè)軟件的部分功能不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，數(shù)據(jù)的輸入和數(shù)據(jù)處理等方面也有很多欠缺[2]。因此，有必要基于注水現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)出一套精度高、通用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的可視化注水系統(tǒng)水力仿真軟件。

1 注水管網(wǎng)水力仿真軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

注水管網(wǎng)水力仿真軟件利用Python語(yǔ)言編程技術(shù)[3]，基于Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，開(kāi)發(fā)用戶界面窗口，并且結(jié)合numpy工具包強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能[4]，編寫注水管網(wǎng)水力計(jì)算內(nèi)核。該程序可在Windows環(huán)境下運(yùn)行，方便用戶操作。

1.1 程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是管網(wǎng)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的邏輯方式和數(shù)據(jù)文件的組織方式，反映了管網(wǎng)數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系。注水管網(wǎng)水力計(jì)算采用字典和列表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。注水管網(wǎng)的屬性數(shù)據(jù)包括管段參數(shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)，管段參數(shù)包括管段的起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)和編號(hào)、管長(zhǎng)、管徑、管材以及粗糙度等參數(shù)，節(jié)點(diǎn)參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)、坐標(biāo)以及壓力、載荷數(shù)據(jù)等參數(shù)。該屬性采用字典的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)軟件中圖形的編號(hào)，方便存儲(chǔ)、調(diào)用管網(wǎng)數(shù)據(jù)，不容易發(fā)生混亂。管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)中管段、節(jié)點(diǎn)的連接情況，該數(shù)據(jù)采用列表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?；诠芏紊舷掠喂?jié)點(diǎn)的編號(hào)，通過(guò)圖論法相關(guān)理論，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為0～1矩陣，可以快速構(gòu)建水力計(jì)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式[5]，并且便于對(duì)管網(wǎng)模型進(jìn)行添加、刪減等操作，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與水力仿真算法的自動(dòng)對(duì)接。

1.2 程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 注水管網(wǎng)水力仿真軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用戶通過(guò)軟件界面上的菜單欄、工具欄以及圖形建模區(qū)等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。操作人員基于主框架類、視圖類以及其他對(duì)話框類(見(jiàn)圖1)，完成管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)壓力、流量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的人機(jī)對(duì)話輸入，在進(jìn)行水力仿真操作后，計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)

管網(wǎng)參數(shù)輸入和管網(wǎng)建模模塊用來(lái)輸入管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和水力計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)，管網(wǎng)編輯和視圖模塊方便更改管網(wǎng)結(jié)構(gòu)形狀，并且動(dòng)態(tài)觀察局部區(qū)域，管網(wǎng)水力仿真模塊根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算，管網(wǎng)結(jié)果可視化和結(jié)果輸出模塊讀取并分析計(jì)算結(jié)果，同時(shí)標(biāo)注在管網(wǎng)模型圖上，最后輸出Excel表格以及分析結(jié)果。具體軟件模塊分類如圖2所示。

2 注水管網(wǎng)水力仿真軟件的功能

2.1 計(jì)算數(shù)據(jù)的輸入

用戶根據(jù)建模需求，在可視化界面上利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)(水源、配水間、注水井)圖源，在畫布區(qū)域繪制管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。當(dāng)確定管段起點(diǎn)后，移動(dòng)鼠標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)可伸縮的直線，當(dāng)再次點(diǎn)擊管段終點(diǎn)圖源時(shí)，就會(huì)形成連接2點(diǎn)并且表示流向的管道。在繪制節(jié)點(diǎn)同時(shí)，為了滿足水力計(jì)算建立數(shù)學(xué)方程的需求，程序自動(dòng)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都帶有坐標(biāo)屬性，可以精確表示彼此之間的位置關(guān)系。針對(duì)大型管網(wǎng)構(gòu)建模型的工作量大的特點(diǎn)，程序利用Excel表格作為數(shù)據(jù)接口，導(dǎo)入模型節(jié)點(diǎn)屬性和基礎(chǔ)參數(shù)，自動(dòng)繪制管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，簡(jiǎn)化建模操作，提高水力仿真效率。

圖2 注水管網(wǎng)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(qū)域，包圍節(jié)點(diǎn)圖形的小面積正方形為點(diǎn)捕捉區(qū)域，利用鼠標(biāo)雙擊上述區(qū)域，彈出節(jié)點(diǎn)或者管段屬性對(duì)話框，輸入相應(yīng)參數(shù)。如節(jié)點(diǎn)選擇固定流量或者固定壓力計(jì)算，輸入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)；管段輸入管長(zhǎng)、管徑、粗糙度等信息(見(jiàn)圖4)。針對(duì)多點(diǎn)定壓和多點(diǎn)定流量的混合邊界條件，為了提高計(jì)算效率，編寫預(yù)處理程序，對(duì)自由編號(hào)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分塊處理，保證編號(hào)為1～(i-h)的節(jié)點(diǎn)具有已知載荷和未知壓力，而編號(hào)為(i-h+1)～i的節(jié)點(diǎn)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(jì)算[6]。針對(duì)不同時(shí)間段內(nèi)的水力仿真計(jì)算，頻繁的人工輸入容易出現(xiàn)較多錯(cuò)誤，同時(shí)影響計(jì)算結(jié)果的時(shí)效性。因此基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的自動(dòng)導(dǎo)入功能，可避免人為因素影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖3 節(jié)點(diǎn)屬性對(duì)話框

圖4 管段屬性對(duì)話框

圖5 注水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

程序具有放大、縮小以及平移等視圖功能，可以通過(guò)滑動(dòng)鼠標(biāo)滑輪實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的縮放，便于仔細(xì)查看管網(wǎng)局部區(qū)域，同時(shí)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)整體或者單個(gè)圖形的拖動(dòng)功能。

2.2 注水管網(wǎng)水力仿真算法

基于質(zhì)量守恒和能量守恒方程，建立管網(wǎng)模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(tài)，關(guān)系式為：

ΣQi+Σi∈Iqj=0

式中，I是與節(jié)點(diǎn)i相連接管段的集合;Qi為節(jié)點(diǎn)i與外界交換的流量，令注入節(jié)點(diǎn)i的外界流量為負(fù)值；qj為與節(jié)點(diǎn)i相連接管段的流量，令流入節(jié)點(diǎn)i的管段流量為正值[7]。圖5為簡(jiǎn)化的注水管網(wǎng)圖，包括6個(gè)節(jié)點(diǎn)(i=1,2,…,6)、7個(gè)管段(j=1,2,…,7)。

由此得出圖5所示注水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的流量方程為：

(1)

將管網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)表達(dá)式和流量平衡方程用矩陣表示：

AQ=q

(2)

式中，q=(q1,q2,…,q6)為節(jié)點(diǎn)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(shù)矩陣，表征管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與管段的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

當(dāng)模型中存在注水泵組件時(shí)，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(shí)管線壓降公式變?yōu)?

式中，a、b是注水泵曲線方程系數(shù)。

綜上所述，管網(wǎng)流量與壓力降關(guān)系可表示為：

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

(3)

式中，B=(B1,B2,…,Bj)為管網(wǎng)的導(dǎo)納矩陣；n為常數(shù)，取10.67； AT為管網(wǎng)連接矩陣A的轉(zhuǎn)置；p=(p1,p2,…,pi)為節(jié)點(diǎn)壓力向量；dp=(dp1,dp2,…,dpj)為管段壓降殘差向量。

聯(lián)合節(jié)點(diǎn)流量和管段壓降平衡方程，確定管網(wǎng)求解矩陣[9]：

(4)

記：

(5)

(6)

(7)

則式(4)變?yōu)椋?/p>

MX=b

(8)

式中，M為系數(shù)矩陣；X為變量矩陣；b為常數(shù)矩陣。

式(8)中有i個(gè)方程，2i個(gè)水力參數(shù)(即i個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力，i個(gè)節(jié)點(diǎn)流量)。為求得該方程的唯一解，需要給定i個(gè)參數(shù)的值?，F(xiàn)有的做法為一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)某一個(gè)參數(shù)值(壓力或者流量)，求解余下的未知值。給定管段流量初值，對(duì)節(jié)點(diǎn)矩陣進(jìn)行多次迭代，直到相鄰2次計(jì)算的管段流量差值滿足精度要求為止，輸出每個(gè)節(jié)點(diǎn)未知值。節(jié)點(diǎn)模型方法相對(duì)于解環(huán)方程法和解管段方程法[10]，計(jì)算速度快，精度高。

2.3 計(jì)算結(jié)果展示及分析

程序讀取計(jì)算結(jié)果，在管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上展示管段流量以及節(jié)點(diǎn)載荷、壓力數(shù)據(jù)，如果管段流量結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值的情況，說(shuō)明水流方向與管段模型初始設(shè)置流向相反，程序?qū)⒆詣?dòng)修改不合適的管道流向。基于油田注水工程設(shè)計(jì)規(guī)范給出的相關(guān)能耗指標(biāo)，選取其中的注水泵單耗、注水泵效率、注水管網(wǎng)效率、注水系統(tǒng)單耗等指標(biāo)分析注水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)采用柱狀圖對(duì)比不同注水站、注水泵的運(yùn)行情況，采用餅狀圖分析注水站、管網(wǎng)以及配水間等系統(tǒng)不同階段的能量損失情況，為現(xiàn)場(chǎng)采取節(jié)能降耗措施提供依據(jù)。

程序同時(shí)還具有Excel輸出接口，將計(jì)算結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析圖形以Excel表格的形式保存至模型文件中，方便日后進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比和分析。

3 計(jì)算實(shí)例

根據(jù)某油田注水管網(wǎng)實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖建立管網(wǎng)模型(見(jiàn)圖6)，以注水站為起點(diǎn)，以配水間為終點(diǎn)。模型中包括：注水站數(shù)為8，運(yùn)行注水泵臺(tái)數(shù)為5，配水間數(shù)為72，管段數(shù)為188。該模型采用注水站定壓力，配水間定流量的水力計(jì)算邊界條件。

圖6 某油田注水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

選取部分節(jié)點(diǎn)壓力和管段流量進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。表1分別展示水力仿真軟件計(jì)算的節(jié)點(diǎn)壓力和SPS軟件計(jì)算的節(jié)點(diǎn)壓力。通過(guò)計(jì)算偏差分析可知，水力仿真軟件的計(jì)算精度高于SPS軟件。

表1 節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2分別展示水力仿真軟件的管段流量計(jì)算結(jié)果和SPS軟件的管段流量計(jì)算結(jié)果。通過(guò)計(jì)算偏差分析可知，水力仿真軟件的計(jì)算精度高于SPS軟件。

通過(guò)構(gòu)建較復(fù)雜注水管網(wǎng)模型實(shí)例，驗(yàn)證軟件操作方便，計(jì)算精度較好，適用于大規(guī)模注水管網(wǎng)的水力仿真計(jì)算。

表2 管段流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

利用Python編程語(yǔ)言和Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架開(kāi)發(fā)了可視化注水管網(wǎng)水力仿真軟件。該軟件實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)建模、數(shù)據(jù)的輸入輸出以及水力仿真計(jì)算等功能，為用戶快速地實(shí)現(xiàn)注水管網(wǎng)的水力仿真提供了平臺(tái)?；谧⑺芫W(wǎng)水力仿真算法，采用迭代的思想求解注水管網(wǎng)矩陣方程組，實(shí)現(xiàn)了注水管網(wǎng)的水力仿真計(jì)算。通過(guò)實(shí)例分析表明，該軟件計(jì)算精度較高?；谲浖乃Ψ抡嬗?jì)算結(jié)果，展示管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，可為現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題提供依據(jù)。

[1]林永茂.油田注水系統(tǒng)的模擬、控制、優(yōu)化及效率分析[D].成都：西南石油學(xué)院,2003.

[2] Zhang K Z, Liu L.Research of hydraulic system simulation software[J]. Coal Mine Machinery, 2007,28(12):102～104.

[3] 羅霄.基于python的混合語(yǔ)言編程及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2004,21(12):17～18.

[4] 沈殊璇.適合于科學(xué)計(jì)算的腳本語(yǔ)言python[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2002,23(5):289～291.

[5] 曹慧哲.基于圖論的多定壓節(jié)點(diǎn)管網(wǎng)水力計(jì)算方法的研究[J].給水排水,2008,29(1):105～107.

[6] 李成樂(lè)，田貫三．燃?xì)夤芫W(wǎng)水力圖計(jì)算機(jī)輸入的探討[J].煤氣與熱力,2005,25(2):32～35.

[7]李成樂(lè)，田貫三．燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算圖節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)編號(hào)的方法[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2005,20(4):51～54.

[8] 高勝,郭俊忠,常玉連.油田注水管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其計(jì)算方法研究[J].鉆采工藝,2001,24(5):54～56.

[9] Palsson B，Davies D R，Todd A C，et al．The water injection process：a technical and economic integrated approach[J]．Chemical Engineering Research & Design, 2003, 81(3):333～341.

[10] 田貫三，張?jiān)鰟?，江億.城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)水力分析數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法[J].天然氣工業(yè),2002,22(3):96～98.

[編輯] 趙宏敏

2016-09-16

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014012012)。

張意(1992-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事油氣集輸?shù)孛婀こ谭矫娴难芯抗ぷ?；E-mail:81897277@qq.com。

TE357.6

A

1673-1409(2016)34-0027-06

[引著格式]張意.注水管網(wǎng)水力仿真軟件的開(kāi)發(fā)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(34)：27～32.