CN104133958B - 一种复杂管网模拟仿真计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂管网模拟仿真计算方法及装置，用于利用热力学动力学耦合模拟仿真复杂管网，该方法包括：根据管网拓扑模型生成关联矩阵；初始化各流股的初始压力、初始流量、初始温度及初始组成向量；由关联矩阵联立物料守恒方程以及能量守恒方程，计算各流股的流量与压力；按照管道序贯矩阵的顺序计算各流股的组成向量，并根据热量守恒方程依次计算各流股的温度；判断各流股的温度与初始温度的温度差绝对值之和是否满足设定范围，如果是，则保存各流股的流量、压力、温度及组成向量，如果否，则将各流股的流量、压力、温度及组成向量作为各流股的初始压力、初始流量、初始温度及初始组成向量，返回计算步骤。

Description

一种复杂管网模拟仿真计算方法及装置

技术领域

本发明涉及模拟仿真计算技术领域，具体涉及一种复杂管网模拟仿真计算方法及装置。

背景技术

水、蒸汽、炉气、煤气、瓦斯与天然气等能源介质或者物质原料流，被广泛用于炼油、化工、钢铁、轻工、热电、城市供水供气等各个领域，而这些能源介质或物质原料流从产生源到各个用户之间的输送均通过复杂管网实现，这些复杂管网系统结构复杂，生产参数复杂，气源和用户数量较多，监控难度较大。

在现有技术中，对工业管网模拟仿真计算主要针对的是蒸汽或者水管网，并没有针对炉气、煤气、瓦斯与天然气等复杂混合流体的模拟仿真计算方法。并且现有的蒸汽或者水管网模拟仿真计算方法，一般只选择动力学计算，而忽略流体流动过程的动力学工况和热力学工况之间的相互影响，使得计算结果和流体在实际管网中的流动存在巨大差异，计算结果往往难以满足工程需要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种复杂管网模拟仿真计算方法及装置，以解决现有技术中没有针对炉气、煤气、瓦斯与天然气等复杂混合流体的模拟仿真计算，且已有的管网模拟仿真计算结果和流体在实际管网中的流动存在巨大差异，难以满足工程需要的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

一种复杂管网模拟仿真计算方法，所述方法包括：

根据管网拓扑模型生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki；

初始化各个流股的初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量

利用所述初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量调用化工热力学立方型状态方程计算各个流股的物性参数，所述物性参数包括密度ρ；

获得管道长度l、管道直径d、管道粗糙度λ以及其他管件当量长度l_e，计算各个管道的压降系数

由所述内节点邻接矩阵A_ji、所述管道邻接矩阵D_ki、所述外节点通路矩阵B_mi以及所述内节点通路矩阵E_ji联立物料守恒方程以及能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k；

按照管道序贯矩阵的顺序计算得到各个流股的组成向量并根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k；

判断各个流股的所述温度T_i ^k与所述初始温度T_i ⁰的温度差绝对值之和是否满足设定范围，如果是，则保存各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量如果否，则将各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量分别作为各个流股的所述初始流量F_i ⁰、初始压力P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量返回所述计算各个流股的物性参数步骤。

相应的，所述根据管网拓扑模型生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki，包括：

根据j个内节点与i股流股之间的关联关系生成内节点邻接矩阵A_ji与内节点通路矩阵E_ji，根据m个外节点与i股流股之间的关联关系生成外节点通路矩阵B_mi，根据k段管道与i股流股之间的关联关系生成管道邻接矩阵D_ki。

相应的，所述由所述内节点邻接矩阵A_ji、所述管道邻接矩阵D_ki、所述外节点通路矩阵B_mi以及所述内节点通路矩阵E_ji联立物料守恒方程以及能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k，包括：

对于任意内节点有方程(1)：A_jiF_i＝0，其中A_ji为内节点邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意管道有方程(2)：D_kiF_i＝0，其中D_ki为管道邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意的已知流量的外节点有方程(3)：B_miF_i+F_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵，F_m,out为已知流量的外节点流量矩阵；

外节点通路矩阵对于任意内节点有方程(4)：E_jiP_i＝0，其中E_ji为内节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵；

对于任意管道有方程(5)：其中D_ki为管道邻接矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，C_k为所述各个管道的压降系数矩阵，F_k为各个管道的流量矩阵；

对于任意的已知压力的外节点有方程(6)：B_miP_i+P_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，P_m,out为已知压力的外节点压力矩阵；

所述方程(1)、方程(2)、方程(3)为物料守恒方程，所述方程(4)、方程(5)、方程(6)为能量守恒方程，联立所述方程(1)、方程(2)、方程(3)、方程(4)、方程(5)、方程(6)，求解得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k。

相应的，所述根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k，包括：

管道内流体对环境散热量

流体的内能降低量ΔH＝H_in(P_in,T_in,z_in)-H_out(P_out,T_out,z_out)；其中，总传热系数d_i为管道的内径，d_o为管道外径，l为管道的长度，T_out为管道出口温度，T_in为管道入口温度，ta为外界环境温度，P_in为管道入口压力，P_out为管道出口压力，α_i为管内流体对流传热系数，α_o为管外流体对流传热系数，R_si为内管壁热阻，R_so为外管壁热阻，d_k为第k层保温层外径，λ1_k为第k层保温层的导热系数；

热量守恒方程为所述管道内流体对环境散热量Q等于所述流体的内能降低量ΔH，计算获得管道入口温度T_in或者管道出口温度T_out，所述管道入口温度T_in以及管道出口温度T_out作为各个流股的温度T_i ^k。

相应的，所述方法还包括：

通过调整流体动力学因子、热力学因子、保温层裸露因子和保温层厚度因子对计算得到的各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k以及温度T_i ^k进行修正。

一种复杂管网模拟仿真计算装置，所述装置包括：

生成单元，用于根据管网拓扑模型生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki；

初始化单元，用于初始化各个流股的初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量

第一计算单元，用于利用所述初始压力P_i ⁰、初始流量P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量调用化工热力学立方型状态方程计算各个流股的物性参数，所述物性参数包括密度ρ；

第二计算单元，用于获得管道长度l、管道直径d、管道粗糙度λ以及其他管件当量长度l_e，计算各个管道的压降系数

第三计算单元，用于由所述内节点邻接矩阵A_ji、所述管道邻接矩阵D_ki、所述外节点通路矩阵B_mi以及所述内节点通路矩阵联立物料守恒方程以及能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k；

第四计算单元，用于按照管道序贯矩阵的顺序计算得到各个流股的组成向量

第五计算单元，用于根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k；

判断单元，用于判断各个流股的所述温度T_i ^k与所述初始温度T_i ⁰的温度差绝对值之和是否满足设定范围；

保存单元，用于如果所述判断单元的判断结果为是，则保存各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及成分组成向量

返回单元，用于如果所述判断单元的判断结果为否，则将各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量分别作为各个流股的所述初始流量F_i ⁰、初始压力P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量返回所述第一计算单元。

相应的，所述生成单元具体用于：

根据j个内节点与i股流股之间的关联关系生成内节点邻接矩阵A_ji与内节点通路矩阵E_ji，根据m个外节点与i股流股之间的关联关系生成外节点通路矩阵B_mi，根据k段管道与i股流股之间的关联关系生成管道邻接矩阵D_ki。

相应的，所述第三计算单元具体用于：

对于任意内节点有方程(1)：A_jiF_i＝0，其中A_ji为内节点邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意管道有方程(2)：D_kiF_i＝0，其中D_ki为管道邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意的已知流量的外节点有方程(3)：B_miF_i+F_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵，F_m,out为已知流量的外节点流量矩阵；

对于任意内节点有方程(4)：E_jiP_i＝0，其中E_ji为内节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵；

对于任意管道有方程(5)：其中D_ki为管道邻接矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，C_k为所述各个管道的压降系数矩阵，F_k为各个管道的流量矩阵；

对于任意的已知压力的外节点有方程(6)：B_miP_i+P_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，P_m,out为已知压力的外节点压力矩阵；

所述方程(1)、方程(2)、方程(3)为物料守恒方程，所述方程(4)、方程(5)、方程(6)为能量守恒方程，联立所述方程(1)、方程(2)、方程(3)、方程(4)、方程(5)、方程(6)，求解得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k。

相应的，所述第五计算单元具体用于：

管道内流体对环境散热量

流体的内能降低量ΔH＝H_in(P_in,T_in,z_in)-H_out(P_out,T_out,z_out)；其中，总传热系数d_i为管道的内径，d_o为管道外径，l为管道的长度，T_out为管道出口温度，T_in为管道入口温度，ta为外界环境温度，P_in为管道入口压力，P_out为管道出口压力，α_i为管内流体对流传热系数，α_o为管外流体对流传热系数，R_si为内管壁热阻，R_so为外管壁热阻，d_k为第k层保温层外径，λ1_k为第k层保温层的导热系数；

热量守恒方程为所述管道内流体对环境散热量Q等于所述流体的内能降低量ΔH，计算获得管道入口温度T_in或者管道出口温度T_out，所述管道入口温度T_in以及管道出口温度T_out作为各个流股的温度T_i ^k。

相应的，所述装置还包括：

调整单元，用于通过调整流体动力学因子、热力学因子、保温层裸露因子和保温层厚度因子对计算得到的各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k以及温度T_i ^k进行修正。

由此可见，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种热力学动力学耦合模拟仿真工业企业复杂管网的方法及装置，不仅考虑了流股(例如水、蒸汽、炉气、煤气、瓦斯与天然气等流体)的可压缩性、状态变化、摩擦和传热等多种自身物性参数的作用，而且考虑流体与管道之间的摩擦和传热、管道和保温材料的老化、管道铺设情况等因素的作用，建立流体流动过程中的热力学和动力学耦合计算模型，并以此为计算依据仿真模拟流体输送过程中流量、压力、温度和组成关系，所获得的仿真结果精度高，与实际工况误差小，为管网监控管理、管网设计和改造等领域提供更为准确的数据。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的复杂管网模拟仿真计算方法实施例的流程图；

图2为本发明实施例中复杂管网拓扑结构的示意图；

图3为本发明实施例中提供的复杂管网模拟仿真计算装置实施例的示意图；

图4为本发明实施例中提供的复杂管网模拟仿真计算系统实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

现有技术中管网模拟仿真计算主要针对的是蒸汽或者水管网，而没有针对炉气、煤气、瓦斯与天然气等复杂混合流体的模拟仿真计算方法，并且现有的蒸汽或者水管网模拟仿真计算方法，大多数只选择动力学计算，而忽略流体流动过程的动力学工况和热力学工况之间的相互影响，对于状态参数的计算只考虑压力随着流体流动的变化，而忽略温度随着流体流动的变化，即忽略了相态、密度、粘度和导热系数等物性参数对流体流动的影响，使得计算结果和流体在实际管网中流动存在巨大差异，计算结果难以满足工程需要。从而本发明实施例提供的一种复杂管网模拟仿真计算方法及装置，采用热力学与动力学耦合计算，实现对炉气、煤气、瓦斯与天然气等复杂混合流体管网的模拟仿真计算。

参见图1所示，本发明实施例中提供的复杂管网模拟仿真计算方法实施例，可以包括以下步骤：

步骤101：根据管网拓扑模型生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki。

本发明实施例可以由管网模拟计算模块执行。管网拓扑模型是将整个管网结构抽象化的结果，管道、内节点和外节点均抽象化成为点，点与点之间通过有向线连接(即流股)，每个点包括入口流股(连接线)、出口流股(连接线)，每个连接线包括起始点、目标点，由此搭建成整个管网的拓扑模型，管网拓扑模型可以以二进制文件进行存储，计算内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki可以直接根据管网拓扑模型分析获得。

假设管网中内节点的个数为j个，外节点的个数为m个，流股数为i股，管道数为k段，则可以根据j个内节点与i股流股之间的关联关系生成内节点邻接矩阵A_ji与内节点通路矩阵E_ji，根据m个外节点与i股流股之间的关联关系生成外节点通路矩阵B_mi，根据k段管道与i股流股之间的关联关系生成管道邻接矩阵D_ki。

具体可以根据以下条件生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki。

内节点邻接矩阵A_ji中每一行代表第j个内节点与i个流股之间的关联关系，关联关系可以为：

例如，第2个内节点与第5个流股关联，且第5个流股指出第2个内节点，则A_ji中第2行第5列的元素则为-1，依次类推，生成整个内节点邻接矩阵A_ji。

内节点通路矩阵E_ji中每一行代表第j个内节点与i个流股之间的关联关系，关联关系可以为：

例如，第2个内节点与第5个流股关联，则E_ji中第2行第5列的元素则为1，依次类推，生成整个内节点通路矩阵E_ji。

外节点通路矩阵B_mi中每一行代表第m个外节点与i个流股之间的关联关系，关联关系可以为：

例如，第3个外节点与第3个流股关联，则B_mi中第3行第3列的元素则为1，依次类推，生成整个外节点通路矩阵B_mi。

管道邻接矩阵D_ki中每一行代表第k段管道与i个流股之间的关联关系，关联关系可以为：

例如，第1段管道与第1个流股关联，且第1个流股指向第1段管道，则D_ki中第1行第1列的元素则为1，依次类推，生成整个管道邻接矩阵D_ki。

步骤102：初始化各个流股的初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量

其中，P_i ⁰代表i个流股的初始压力，F_i ⁰代表i个流股的初始质量流量，T_i ⁰代表i个流股的初始温度，代表i个流股的初始组成向量。

各个流股中有一部分的压力、流量可以是已知的，可以从实时数据库获得，部分流股中已知组成向量可以从Lims组分数据库中获得，未知的数据则可以根据初始数据的数量级，并按照初始化数据的种类不同根据实际情况进行初始化设置。

步骤103：利用初始压力P_i ⁰、初始流量P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量调用化工热力学立方型状态方程计算各个流股的物性参数。

化工热力学立方型状态方程(Peng_Robinson方程)，可以根据压力、温度和组成计算焓值H、粘度μ、密度ρ、导热系数λ1等物性参数，密度ρ可以用于构造后续的压降系数C_k，粘度μ可以用于计算管内流体对流传热系数α_i，α_i与λ1均用于计算管道总传热系数K。

步骤104：获得管道长度l、管道直径d、管道粗糙度λ以及其他管件当量长度l_e，计算各个管道的压降系数

管道直径d默认为管道内径，根据管道长度l、管道直径d、管道粗糙度λ以及其他管件当量长度l_e可以计算出各个管道的压降系数C_k为k段管道的压降系数，可以为一个向量。

步骤105：由内节点邻接矩阵A_ji、管道邻接矩阵D_ki、外节点通路矩阵B_mi、内节点通路矩阵联立物料守恒方程和能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k。

步骤106：按照管道序贯矩阵的顺序计算得到各个流股的组成向量并根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k。

步骤107：判断各个流股的温度T_i ^k与初始温度T_i ⁰的温度差绝对值之和是否满足设定范围。

也即判断是否成立，其中δ为设定的收敛条件。

步骤108：如果上述判断的判断结果为是，则保存各个流股的流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及成分组成向量

步骤109：如果上述判断的判断结果为是，则将各个流股的流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量分别作为各个流股的初始流量F_i ⁰、初始压力P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量返回步骤103。

若满足上述设定范围，则计算结束，保存模拟仿真运算结果，如果不满足，则需要循环再次运算知道满足收敛条件为止。

在本发明的一些实施例中，由内节点邻接矩阵A_ji、管道邻接矩阵D_ki、外节点通路矩阵B_mi、内节点通路矩阵E_ji联立物料守恒方程和能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k的具体实现可以包括：

根据物料平衡原理，可以得到以下等式：

对于任意内节点j可以有方程(1)：A_jiF_i＝0，其中A_ji为内节点邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵，即i个流股的流量组成的矩阵，为了满足矩阵乘法规则，此时F_i可以为列矩阵。

对于任意管道有方程(2)：D_kiF_i＝0，其中D_ki为管道邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵。

对于任意的已知流量的外节点m有方程(3)：B_miF_i+F_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵，F_m,out为已知流量的外节点流量矩阵。

根据能量守恒原理，可以得到以下等式：

对于任意内节点有方程(4)：E_jiP_i＝0，其中E_ji为内节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，即i个流股的压力组成的矩阵，为了满足矩阵乘法规则，此时P_i可以为列矩阵。

对于任意管道有方程(5)：其中D_ki为管道邻接矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，C_k为各个管道的压降系数矩阵，F_k为各个管道的流量矩阵，即k段管道的流量组成的矩阵，F_k与F_i的关系可以为：F_k＝1/2abs(D_ki)F_i。

对于任意的已知压力的外节点有方程(6)：B_miP_i+P_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，P_m,out为已知压力的外节点压力矩阵。

方程(1)、方程(2)、方程(3)为物料守恒方程，方程(4)、方程(5)、方程(6)为能量守恒方程，联立方程(1)、方程(2)、方程(3)、方程(4)、方程(5)、方程(6)，即可求解得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k，F_i ^k代表i个流股的计算得到的质量流量，P_i ^k代表i个流股的计算得到的压力。

在本发明的一些实施例中，根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k的具体实现可以包括：

管道内流体对环境散热量

流体的内能降低量ΔH＝H_in(P_in,T_in,z_in)-H_out(P_out,T_out,z_out)；

其中，H_in(P_in,T_in,z_in)为通过管道入口的焓值，利用管道入口压力P_in、管道入口温度T_in和管道入口组成z_in调用上述化工热力学立方型状态方程可以计算得到管道入口的焓值，H_out(P_out,T_out,z_out)即管道出口的焓值，利用管道出口压力P_out、管道出口温度T_out和管道出口组成z_out可以计算得到管道出口的焓值。

总传热系数d_i为管道的内径，d_o为管道外径，l为管道的长度，T_out为管道出口温度，T_in为管道入口温度，ta为外界环境温度，P_in为管道入口压力，P_out为管道出口压力，α_i为管内流体对流传热系数，α_o为管外流体对流传热系数，R_si为内管壁热阻，R_so为外管壁热阻，d_k为第k层保温层外径，λ1_k为第k层保温层的导热系数；

热量守恒方程为管道内流体对环境散热量Q等于流体的内能降低量ΔH，计算获得管道入口温度T_in或者管道出口温度T_out，管道入口温度T_in以及管道出口温度T_out作为各个流股的温度T_i ^k。T_out或者T_in已知其中一个即可利用方程求出另一个，管道入口温度T_in以及管道出口温度T_out作为各个流股的温度T_i ^k，T_i ^k代表i个流股的计算得到的温度。

另外，在本发明的一些实施例中，本发明实施例提供的复杂管网模拟仿真计算方法还可以包括：

通过调整流体动力学因子、热力学因子、保温层裸露因子和保温层厚度因子对计算得到的各个流股的流量F_i ^k、压力P_i ^k以及温度T_i ^k进行修正。

其中，流体动力学因子等是介于[0,1]的一个数值，用于修正流体动力学、热力学计算等，保温层厚度因子可以根据设计情况进行设定，比如是0.5，那实际保温层厚度＝设计保温层厚度*0.5。利用流体动力学因子、热力学因子、保温层裸露因子和保温层厚度因子等因子可以对计算得到的模拟结果进一步进行修正。

本发明实施例中涉及到热力学动力学耦合，热力学部分是指根据压力P_i ^k、温度T_i ^k和组成向量调用热力学算法(化工热力学立方型状态方程)可以得到粘度、密度、导热系数等影响流体流动的物性参数；动力学部分是流体在管道流动会有压损，即对管道、内节点(分离器和混合器)、外节点按照质量守恒方程和能量守恒方程联立求解，联立求解得到的是流股的压力和流量；联立求解后再按序贯矩阵去计算得到各流股组成和温度。所谓的耦合即流体流动过程中动力学工况和热力学工况两者是相互影响，非独立的，即压力和流量影响温度，温度和压力影响各物性参数，各物性参数又影响到压力和流量。所以必须要反复通过热力学算法去更新流股的物性参数和动力学算法去更新流股的压力和流量，才能使计算结果与实际工况接近。

以下以一个应用实例对本发明实施例提供的复杂管网模拟仿真计算方法实施例进行说明，参见图2所示，是一管网拓扑结构示意图，其中共有8段管道(Pipe1、Pipe2、……、Pipe8)，4个外节点(Mixer4、Tee2、Tee5和Tee6)，16个物料流股(1、2……15、16)，4个外节点(所谓外节点即只有一端有邻接的流股)，一个环(Pipe5、pipe6、pipe7和pipe8构成一个闭环)。其中可以已知流股1的压力、温度和物料组成，流股6、流股12和流股16的流量。

复杂管网模拟仿真计算过程如下：

(1)根据管网拓扑模型可以生成关联矩阵。

其中，内节点邻接矩阵A_ji：

外节点通路矩阵B_mi：

管道邻接矩阵D_ki：

内节点通路矩阵E_ji：

(2)初始化各个流股的初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量

(3)通过压力P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量调用化工热力学立方型状态方程计算各个流股的粘度μ、密度ρ、导热系数λ1等物性参数，再结合管道长度l、管道直径d、管道粗糙度λ以及其他管件当量长度l_e，计算各个管道的压降系数

(4)通过联立物料守恒方程、能量守恒方程，计算各个流股的流量F_i ^k、压力P_i ^k。

(5)根据流量F_i ^k生成管道序贯矩阵。

在化工原理中将管道Pipe、分离器Tee、混合器Mixer，均看作单元操作，所谓序贯就是所有的单元操作按一定顺序进行计算，序贯矩阵把该问题数学化处理。假设物流的流向和图中所示的一致。则本例中的序贯矩阵为[Pipe1 Tee5 pipe5 Tee2 Pipe2 Pipe6Pipe8 Tee6 Pipe4 Pipe7 Mixer4 Pipe3]。

(6)根据序贯矩阵和能量守恒原理去遍历各单元操作(管道、分离器和混合器)，可以求得各个流股的组成向量和温度T_i ^k。

求得各个流股的组成向量参见以下说明：

对于管道pipe(一个流股进入管道一个流股离开管道，简称一进一出)则z_in＝z_out；对于分离器Tee(一进多出)则各个出口流股的组成z_out＝z_in；对于混合器Mixer(多进一出)各个出口流股的组成

例如两进一出的混合器，a、b流股均进入混合器，组成和流量入下表所示：

	a流股	b流股
			流量kg/h	10	20
氮气(摩尔分数)	0.5	0.4

氢气	0.5	0.5
			一氧化碳	0	0.1

则c流股离开混合器的组成为氮气：(10*0.5+20*0.4)/(10+20)＝0.4333；

氢气：(10*0.5+20*0.5)/(10+20)＝0.5；

一氧化碳：(10*0+20*0.1)/(10+20)＝0.0667；

由此即可求得各个流股的组成向量各个流股的温度T_i ^k则根据热量守恒方程按照序贯矩阵的顺序依次计算得到。

(7)判断前后两轮绝对温度差绝对值之和是否满足设定范围如果是，则进入下一步，如果否，则将流量F_i ^k赋予F_i ⁰、压力P_i ^k赋予P_i ⁰、温度T_i ^k赋予T_i ⁰、组成向量赋予循环到步骤(3)。

(8)保存计算得到的流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量退出循环。

复杂管网建模可以获得各供气单位、用气单位以及中间各节点的温度、压力、流量、组成、相分率以及粘度、密度和导热系数等物性参数，达到指导操作，提高调度管理水平、达到节能降耗的目的。

这样，本发明实施例提供了一种热力学动力学耦合模拟仿真工业企业复杂管网的方法及装置，不仅考虑了流股(例如水、蒸汽、炉气、煤气、瓦斯与天然气等流体)的可压缩性、状态变化、摩擦和传热等多种自身物性参数的作用，而且考虑流体与管道之间的摩擦和传热、管道和保温材料的老化、管道铺设情况等因素的作用，建立流体流动过程中的热力学和动力学耦合计算模型，并以此为计算依据仿真模拟流体输送过程中流量、压力、温度和组成关系，所获得的仿真结果精度高，与实际工况误差小，为管网监控管理、管网设计和改造等领域提供更为准确的数据。

相应的，参见图3所示，本发明实施例中还提供一种复杂管网模拟仿真计算装置实施例，可以包括：

生成单元301，用于根据管网拓扑模型生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki。

初始化单元302，用于初始化各个流股的初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量

第一计算单元303，用于利用初始压力P_i ⁰、初始流量P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量调用化工热力学立方型状态方程计算各个流股的物性参数，物性参数包括密度ρ。

第二计算单元304，用于获得管道长度l、管道直径d、管道粗糙度λ以及其他管件当量长度l_e，计算各个管道的压降系数

第三计算单元305，用于由内节点邻接矩阵A_ji、管道邻接矩阵D_ki、外节点通路矩阵B_mi、内节点通路矩阵E_ji联立物料守恒方程以及能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k。

第四计算单元306，用于按照管道序贯矩阵的顺序计算得到各个流股的组成向量

第五计算单元307，用于根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k。

判断单元308，用于判断各个流股的温度T_i ^k与初始温度T_i ⁰的温度差绝对值之和是否满足设定范围。

保存单元309，用于如果判断单元的判断结果为是，则保存各个流股的流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及成分组成向量

返回单元310，用于如果判断单元的判断结果为否，则将各个流股的流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量分别作为各个流股的初始流量F_i ⁰、初始压力P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量返回第一计算单元303。

在本发明的一些实施例中，生成单元可以具体用于：

根据j个内节点与i股流股之间的关联关系生成内节点邻接矩阵A_ji与内节点通路矩阵E_ji，根据m个外节点与i股流股之间的关联关系生成外节点通路矩阵B_mi，根据k段管道与i股流股之间的关联关系生成管道邻接矩阵D_ki。

在本发明的一些实施例中，第三计算单元可以具体用于：

对于任意内节点有方程(1)：A_jiF_i＝0，其中A_ji为内节点邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意管道有方程(2)：D_kiF_i＝0，其中D_ki为管道邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意的已知流量的外节点有方程(3)：B_miF_i+F_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵，F_m,out为已知流量的外节点流量矩阵；

对于任意内节点有方程(4)：E_jiP_i＝0，其中E_ji为内节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵；

对于任意管道有方程(5)：其中D_ki为管道邻接矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，C_k为各个管道的压降系数矩阵，F_k为各个管道的流量矩阵；

对于任意的已知压力的外节点有方程(6)：B_miP_i+P_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，P_m,out为已知压力的外节点压力矩阵；

方程(1)、方程(2)、方程(3)为物料守恒方程，方程(4)、方程(5)、方程(6)为能量守恒方程，联立方程(1)、方程(2)、方程(3)、方程(4)、方程(5)、方程(6)，求解得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k。

在本发明的一些实施例中，第五计算单元可以具体用于：

管道内流体对环境散热量

流体的内能降低量ΔH＝H_in(P_in,T_in,z_in)-H_out(P_out,T_out,z_out)；其中，总传热系数d_i为管道的内径，d_o为管道外径，l为管道的长度，T_out为管道出口温度，T_in为管道入口温度，ta为外界环境温度，P_in为管道入口压力，P_out为管道出口压力，α_i为管内流体对流传热系数，α_o为管外流体对流传热系数，R_si为内管壁热阻，R_so为外管壁热阻，d_k为第k层保温层外径，λ1_k为第k层保温层的导热系数；

热量守恒方程为管道内流体对环境散热量Q等于流体的内能降低量ΔH，计算获得管道入口温度T_in或者管道出口温度T_out，管道入口温度T_in以及管道出口温度T_out作为各个流股的温度T_i ^k。

另外，在本发明的一些实施例中，本发明实施例提供的复杂管网模拟仿真计算装置实施例还可以包括：

调整单元，用于通过调整流体动力学因子、热力学因子、保温层裸露因子和保温层厚度因子对计算得到的各个流股的流量F_i ^k、压力P_i ^k以及温度T_i ^k进行修正。

参见图4所示，本发明实施例中还可以提供一种复杂管网模拟仿真计算系统实施例，可以包括：

管网模拟计算模块401、关系数据存储模块402、数据库采集和录入模块403以及管网展示模块404。

管网模拟计算模块可以为本发明实施例提供的复杂管网模拟仿真计算装置实施例。

关系数据库存储模块用于存储用户录入的所有信息，如管道信息(具体包括管道材料、管道公称直径、保温层材料和壁厚等)、管道邻接信息、各节点信息(包括节点压力、温度、压力指定情况及位号信息)、气源组成信息(各组分的具体含量、物性参数以及各组分间的交互作用因子)等。

数据库采集和录入模块可以包括实时数据库和关系数据库采集子模块和实时数据库录入子模块，数据库采集子模块包括从实时数据库中采集气源和用户各节点的温度、压力、流量等数值信息以及从关系数据库中采集管道信息、气源和用户的指定情况及位号信息、气源组成等信息；数据录入子模块可以用于录入管网模拟计算模块的计算结果到实时数据库中。

管网展示模块可以包括两方面，其一管网模型部分，主要展示了管网结构，管道的具体信息(如管道材料、管道公称直径、保温层材料和壁厚等)，气源和用户各节点的流量、压力、温度指定情况，流量、压力、温度和组成位号，环境温度、组分参数等信息，便于工艺人员查看；其二管网数据部分，主要展示了管网的录入数据和管网模拟计算结果。

管网参数信息和管网模拟计算结果均以可视化的方式显示在管网信息展示模块控件中，非常便于工艺人员查看管网信息和计算结果，大大改善了工业企业对炉气、煤气、瓦斯与天然气等介质管网模拟的监控管理，使能源利用的经济效益最大化，取得显著的节能减排效果。

这样，本发明实施例提供了一种热力学动力学耦合模拟仿真工业企业复杂管网的方法及装置，不仅考虑了流股(例如水、蒸汽、炉气、煤气、瓦斯与天然气等流体)的可压缩性、状态变化、摩擦和传热等多种自身物性参数的作用，而且考虑流体与管道之间的摩擦和传热、管道和保温材料的老化、管道铺设情况等因素的作用，建立流体流动过程中的热力学和动力学耦合计算模型，并以此为计算依据仿真模拟流体输送过程中流量、压力、温度和组成关系，所获得的仿真结果精度高，与实际工况误差小，为管网监控管理、管网设计和改造等领域提供更为准确的数据。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种复杂管网模拟仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括：

根据管网拓扑模型生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki；

初始化各个流股的初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量

利用所述初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量z_i ⁰调用化工热力学立方型状态方程计算各个流股的物性参数，所述物性参数包括密度ρ；

获得管道长度l、管道直径d、管道粗糙度λ以及其他管件当量长度l_e，计算各个管道的压降系数

由所述内节点邻接矩阵A_ji、所述管道邻接矩阵D_ki、所述外节点通路矩阵B_mi以及所述内节点通路矩阵E_ji联立物料守恒方程以及能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k；

按照管道序贯矩阵的顺序计算得到各个流股的组成向量并根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k；

判断各个流股的所述温度T_i ^k与所述初始温度T_i ⁰的温度差绝对值之和是否满足设定范围，如果是，则保存各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量如果否，则将各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量分别作为各个流股的所述初始流量F_i ⁰、初始压力P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量返回所述计算各个流股的物性参数步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据管网拓扑模型生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki，包括：

根据j个内节点与i股流股之间的关联关系生成内节点邻接矩阵A_ji与内节点通路矩阵E_ji，根据m个外节点与i股流股之间的关联关系生成外节点通路矩阵B_mi，根据k段管道与i股流股之间的关联关系生成管道邻接矩阵D_ki。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述由所述内节点邻接矩阵A_ji、所述管道邻接矩阵D_ki、所述外节点通路矩阵B_mi以及所述内节点通路矩阵E_ji联立物料守恒方程以及能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k，包括：

对于任意内节点有方程(1)：A_jiF_i＝0，其中A_ji为内节点邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意管道有方程(2)：D_kiF_i＝0，其中D_ki为管道邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意的已知流量的外节点有方程(3)：其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵，F_m,out为已知流量的外节点流量矩阵；

外节点通路矩阵对于任意内节点有方程(4)：E_jiP_i＝0，其中E_ji为内节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵；

对于任意管道有方程(5)：其中D_ki为管道邻接矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，C_k为所述各个管道的压降系数矩阵，F_k为各个管道的流量矩阵；

对于任意的已知压力的外节点有方程(6)：B_miP_i+P_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，P_m,out为已知压力的外节点压力矩阵；

所述方程(1)、方程(2)、方程(3)为物料守恒方程，所述方程(4)、方程(5)、方程(6)为能量守恒方程，联立所述方程(1)、方程(2)、方程(3)、方程(4)、方程(5)、方程(6)，求解得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k，包括：

管道内流体对环境散热量

流体的内能降低量ΔH＝H_in(P_in,T_in,z_in)-H_out(P_out,T_out,z_out)；其中，总传热系数d_i为管道的内径，d_o为管道外径，l为管道的长度，T_out为管道出口温度，T_in为管道入口温度，ta为外界环境温度，P_in为管道入口压力，P_out为管道出口压力，z_in为管道入口组成，z_out为管道出口组成，α_i为管内流体对流传热系数，α_o为管外流体对流传热系数，R_si为内管壁热阻，R_so为外管壁热阻，d_k为第k层保温层外径，λ1_k为第k层保温层的导热系数，H_in(P_in,T_in,z_in)为通过管道入口的焓值，H_out(P_out,T_out,z_out)为管道出口的焓值；

热量守恒方程为所述管道内流体对环境散热量Q等于所述流体的内能降低量ΔH，计算获得管道入口温度T_in或者管道出口温度T_out，所述管道入口温度T_in以及管道出口温度T_out作为各个流股的温度T_i ^k。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过调整流体动力学因子、热力学因子、保温层裸露因子和保温层厚度因子对计算得到的各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k以及温度T_i ^k进行修正。

6.一种复杂管网模拟仿真计算装置，其特征在于，所述装置包括：

生成单元，用于根据管网拓扑模型生成内节点邻接矩阵A_ji、内节点通路矩阵E_ji、外节点通路矩阵B_mi以及管道邻接矩阵D_ki；

初始化单元，用于初始化各个流股的初始压力P_i ⁰、初始流量F_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量

第一计算单元，用于利用所述初始压力P_i ⁰、初始流量P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量调用化工热力学立方型状态方程计算各个流股的物性参数，所述物性参数包括密度ρ；

第二计算单元，用于获得管道长度l、管道直径d、管道粗糙度λ以及其他管件当量长度l_e，计算各个管道的压降系数

第三计算单元，用于由所述内节点邻接矩阵A_ji、所述管道邻接矩阵D_ki、所述外节点通路矩阵B_mi以及所述内节点通路矩阵联立物料守恒方程以及能量守恒方程，计算得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k；

第四计算单元，用于按照管道序贯矩阵的顺序计算得到各个流股的组成向量

第五计算单元，用于根据热量守恒方程依次计算得到各个流股的温度T_i ^k；

判断单元，用于判断各个流股的所述温度T_i ^k与所述初始温度T_i ⁰的温度差绝对值之和是否满足设定范围；

保存单元，用于如果所述判断单元的判断结果为是，则保存各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及成分组成向量

返回单元，用于如果所述判断单元的判断结果为否，则将各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k、温度T_i ^k以及组成向量分别作为各个流股的所述初始流量F_i ⁰、初始压力P_i ⁰、初始温度T_i ⁰以及初始组成向量返回所述第一计算单元。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述生成单元具体用于：

根据j个内节点与i股流股之间的关联关系生成内节点邻接矩阵A_ji与内节点通路矩阵E_ji，根据m个外节点与i股流股之间的关联关系生成外节点通路矩阵B_mi，根据k段管道与i股流股之间的关联关系生成管道邻接矩阵D_ki。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第三计算单元具体用于：

对于任意内节点有方程(1)：A_jiF_i＝0，其中A_ji为内节点邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意管道有方程(2)：D_kiF_i＝0，其中D_ki为管道邻接矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵；

对于任意的已知流量的外节点有方程(3)：B_miF_i+F_tmu,o＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，F_i为各个流股的流量矩阵，F_m,out为已知流量的外节点流量矩阵；

对于任意内节点有方程(4)：E_jiP_i＝0，其中E_ji为内节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵；

对于任意管道有方程(5)：其中D_ki为管道邻接矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，C_k为所述各个管道的压降系数矩阵，F_k为各个管道的流量矩阵；

对于任意的已知压力的外节点有方程(6)：B_miP_i+P_m,out＝0，其中B_mi为已知流量外节点的外节点通路矩阵，P_i为各个流股的压力矩阵，P_m,out为已知压力的外节点压力矩阵；

所述方程(1)、方程(2)、方程(3)为物料守恒方程，所述方程(4)、方程(5)、方程(6)为能量守恒方程，联立所述方程(1)、方程(2)、方程(3)、方程(4)、方程(5)、方程(6)，求解得到各个流股的流量F_i ^k和压力P_i ^k。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第五计算单元具体用于：

管道内流体对环境散热量

流体的内能降低量ΔH＝H_in(P_in,T_in,z_in)-H_out(P_out,T_out,z_out)；其中，总传热系数d_i为管道的内径，d_o为管道外径，l为管道的长度，T_out为管道出口温度，T_in为管道入口温度，ta为外界环境温度，P_in为管道入口压力，P_out为管道出口压力，z_in为管道入口组成，z_out为管道出口组成，α_i为管内流体对流传热系数，α_o为管外流体对流传热系数，R_si为内管壁热阻，R_so为外管壁热阻，d_k为第k层保温层外径，λ1_k为第k层保温层的导热系数，H_in(P_in,T_in,z_in)为通过管道入口的焓值，H_out(P_out,T_out,z_out)为管道出口的焓值；

热量守恒方程为所述管道内流体对环境散热量Q等于所述流体的内能降低量ΔH，计算获得管道入口温度T_in或者管道出口温度T_out，所述管道入口温度T_in以及管道出口温度T_out作为各个流股的温度T_i ^k。

10.根据权利要求6-9任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

调整单元，用于通过调整流体动力学因子、热力学因子、保温层裸露因子和保温层厚度因子对计算得到的各个流股的所述流量F_i ^k、压力P_i ^k以及温度T_i ^k进行修正。