CN104573143A - 一种管网仿真系统及水力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管网仿真系统及水力计算方法，系统包括由用户输入子模块和实时数据库构成的用于获取已知参数的数据采集模块、由仿真计算子模块和计算结果修正子模块构成的用于求解和修正管网水力模型以得到待求参数计算值的仿真计算模块和由计算结果显示子模块和数据存储子模块构成的用于显示已知参数和待求参数计算值的显示模块。管网水力计算方法建立管网水力模型即绘制管网图、选择节点流量方程和阻力计算公式建立方程组，利用牛顿迭代算法求解并对管网水力模型进行修正，最后把待求参数的计算值进行显示和输出。实施本发明可自识别管网模型中流量方向错误，并精确计算稳态工况下包含多个环的复杂管网的水力参数。

Description

一种管网仿真系统及水力计算方法

技术领域

本发明属于给水管网仿真计算技术领域，特别涉及一种管网仿真系统及水力计算方法。

背景技术

核电厂对供水流量、压力范围有较高的精确度要求较高，系统流量、压力超出设计范围将给机组运行带来较大的风险。环状管网在供水可靠性、消除水击等方面具有独特的优越性，在核电厂供水及消防系统中大量使用。但是包含多个环的复杂管网的水力计算却比树状管网复杂的多，环状管网由于部分管道流量方向在计算前无法确定，给建模带来较大的困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于牛顿迭代法的管网仿真系统及水力计算方法，可有效解决计算过程中管道流量方向无法确定导致建模困难的问题，精确计算稳态工况下包含多个环的复杂管网的水力参数。本管网仿真系统及水力计算方法可用于核电厂水系统工程改造、设计变更等过程中复杂管网水力设计计算，以验证能否满足设计要求，也可用于系统局部故障、特殊运行工况等情况下复杂管网的可用性校核计算。同时，本计算系统及方法也可用于其它工业或民用场所给水、消防领域等复杂管网的水力设计计算，可计算稳态情况下压力、流量、流速分布，分析流速的经济性，实现节约管材、减少工程成本等目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种管网仿真系统，用于对给水管网进行仿真，所述系统包括数据采集模块、与所述数据采集模块相连接的仿真计算模块和与所述仿真计算模块相连接的显示模块；

所述数据采集模块包括输入子模块和实时数据库；所述输入子模块用于用于将所述给水管网的已知参数输入到所述实时数据库中存储，所述已知参数包括所述给水管网的已知节点信息、已知管段信息和已知元件信息；

所述仿真计算模块包括仿真计算子模块和计算结果修正子模块；建立管网水力模型即绘制管网图、根据所述已知参数选择节点流量方程和阻力计算公式建立方程组，并调用牛顿迭代算法进行管网水力模型求解得到待求参数；所述计算结果修正子模块用于根据所述牛顿迭代算法计算得到的正确流量方向对所述管网水力模型进行修正，并进一步利用牛顿迭代算法计算待求参数的解，最后把待求参数的计算值传输至显示模块进行显示和输出；所述待求参数包括所述给水管网的节点水压，管段流量和元件流量；

所述显示模块包括计算结果显示子模块和数据存储子模块；所述计算结果显示子模块用于显示和输出所述已知参数及所述待求参数的计算值；所述数据存储子模块用于存储所述已知参数及所述待求参数的计算值。

在本发明所述的管网仿真系统中，所述已知参数包括所述核电站给水管网的已知节点信息、已知管段信息和已知元件信息，所述已知节点信息包括节点编号、节点标高、节点流量，所述已知管段信息包括管段编号、管段长度、管件当量长度、当量总长和管件内径，所述已知元件信息包括元件编号、流量特性和元件标高。

在本发明所述的管网仿真系统中，所述仿真计算子模块包括：管网结构建立子模块、管网仿真模型建立子模块、管网仿真模型求解子模块；

所述管网结构建立子模块用于绘制管网图，把所述管网中的节点和管道抽象为图论中的点和线，定向后成为一个有向图，并在所述有向图上标注节点、管段、元件、用户的编号；

所述管网仿真模型建立子模块用于列写j个节点流量连续性方程、g个管段压降方程、y个元件压降方程、p个用户压降方程，所述j为为未知压力的节点数，所述g为未知流量的管段数，所述y为未知流量的元件数，所述p为未知流量的用户数；所述管网仿真模型建立子模块还用于建立方程组F(X)=0，其中X=[H;Qg;Qy;Qp]=[x1,x2,…,xn]，H为未知节点压头,Qg为未知管段流量,Qy为未知元件流量，Qp为未知用户流量；

所述管网仿真模型求解子模块用于调用牛顿迭代算法求解方程组F(X)=0，由牛顿迭代算法x(n+1)=x(n)-F(x(n))/F'(x(n))，将迭代初始值x0带入x(n+1)=x(n)－F(x(n))/F'(x(n))并循环迭代。

在本发明所述的管网仿真系统中，所述计算结果修正子模块包括管网仿真模型修正子模块；所述管网仿真模型修正子模块用于取循环迭代得到的结果进行比较分析，若流量方向不正确，则根据正确流量方向修正所述管网仿真模型；若流量方向正确但所述计算结果结果发散，则先检查所述管网仿真模型中的错误，再调整迭代系数、最大迭代次数和初始迭代值并重新调用牛顿迭代算法进行计算；当流量方向正确且向量x(n+1)-x(n)的偏差小于预定偏差后，即可得到数值解x(n+1)。

在本发明所述的管网仿真系统中，所述输入子模块和计算结果显示子模块均为Excel数据表格。

相应地，本发明还提供了一种管网水力计算方法，用于对给水管网进行水力计算，所述方法包括步骤：

S1、用户在数据表格中输入已知参数，所述已知参数包括所述给水管网的已知节点信息、已知管段信息和已知元件信息；

S2、根据所述已知参数，建立管网水力模型即绘制管网图、选择节点流量方程和阻力计算公式建立方程组，并调用牛顿迭代算法进行管网水力模型求解得到待求参数，所述待求参数包括所述给水管网的节点水压、管段流量和元件流量；

S3、根据所述牛顿迭代算法计算得到的正确流量方向，对所述管网水力模型进行修正，并进一步利用牛顿迭代算法计算待求参数的解；

S4、将待求参数的计算值和所述已知参数通过数据表格进行显示、输出和存储。

在本发明所述的管网水力计算方法中，所述已知参数包括所述给水管网的节点信息、管段信息和元件信息，所述节点信息包括节点编号、节点标高、节点流量，所述管段信息包括管段编号、管段长度、管件当量长度、当量总长和管件内径，所述元件信息包括元件编号、流量特性和元件标高。

在本发明所述的管网水力计算方法中，所述步骤S2进一步包括：

S21、绘制管网图：把所述管网中的节点和管道抽象为图论中的点和线，定向后成为一个有向图，并在所述有向图上标注节点、管段、元件、用户的编号；

S22、选择节点流量方程和阻力计算公式建立方程组：

列写j个节点流量连续性方程、g个管段压降方程、y个元件压降方程、p个用户压降方程，所述j为为未知压力的节点数，所述g为未知流量的管段数,所述y为未知流量的元件数,所述p为未知流量的用户数；

建立方程组F(X)=0，其中X=[H;Qg;Qy;Qp]=[x1,x2,…,xn]，H为未知节点压头,Qg为未知管段流量,Qy为未知元件流量，Qp为未知用户流量；

S23、调用牛顿迭代算法求解方程组F(X)=0：由牛顿迭代算法x(n+1)=x(n)-F(x(n))/F'(x(n))，将迭代初始值x0带入x(n+1)=x(n)－F(x(n))/F'(x(n))并循环迭代。

在本发明所述的管网水力计算方法中，所述步骤S3进一步包括：取所述步骤S23中循环迭代的计算结果进行分析，若流量方向不正确，则根据正确流量方向修正所述仿真计算子模块模型；若流量方向正确但所述计算结果结果发散，则先检查模型中的错误，再调整迭代系数、最大迭代次数和初始迭代值并重新调用牛顿迭代算法进行计算；当流量方向正确且向量x(n+1)-x(n)的偏差小于预定偏差后，即可得到数值解x(n+1)。

在本发明所述的管网水力计算方法中，所述数据表格为Excel数据表格。

因此，本发明可以获得以下的有益效果：系统的仿真计算模块在管网建模时针对管网的已知量和所求量进行分类，为水力计算提供了建模依据；求解过程采用了牛顿迭代算法，收敛速度、收敛域可调节，具备求解过程中修正初始模型流量方向的能力，对不同类型的复杂管网模型适应性好，可适用于多类型管道、多类型水力特性元件、多类型用户的复杂管网水力计算；系统采用模块化的设计方法，各个子模块可独立运行，可以随时调整输出量以优化管网设计。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例的管网仿真系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的管网水力计算方法的流程图；

图3是本发明一个实施例的管网图部分结构示意图；

图4是本发明一个实施例的管网仿真系统的待求参数计算值部分显示列表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明本发明一个实施例的管网仿真系统的结构示意图。如图1所示，一种管网仿真系统，包括以下模块：

数据采集模块1，包括输入子模块11和实时数据库12，输入子模块用于在Excel表格中输入已知参数，包括各节点标高、管段参数（长度、管件当量长度、内径）、已知节点压力，输入后的数据将保存在实时数据库12中，并由数据采集模块1向仿真计算模块2提供实时参数信息；

仿真计算模块2，包括仿真计算子模块21和计算结果修正子模块22，仿真计算子模块21从数据采集模块1取所述已知参数，建立管网水力模型即绘制管网图、根据已知参数选择节点流量方程和阻力计算公式建立方程组，并调用牛顿迭代算法进行管网水力模型求解得到待求参数。计算结果修正子模块22用于根据牛顿迭代算法计算得到的正确流量方向对管网水力模型进行修正，并进一步利用牛顿迭代算法计算待求参数的解，最后把待求参数的计算值传输显示模块3进行显示和输出；待求参数包括所述给水管网的节点水压，管段流量和元件流量；仿真计算子模块21包括管网结构建立子模块211、管网仿真模型建立子模块212、管网仿真模型求解子模块213，计算结果修正子模块22包括管网仿真模型修正子模块221，其中：

管网结构建立子模块211用于绘制管网图，把管网中的节点和管道抽象为图论中的点和线，定向后成为一个有向图，并在所述有向图上标注节点、管段、元件、用户的编号；

管网仿真模型建立子模块212用于选择节点流量方程和阻力公式并建立方程组，具体实现过程为：假设未知压力的节点数为j，未知流量的管段数为g、未知流量的元件数为y，未知流量的用户数为p；可列写节点流量连续性方程j个，管段压降方程g个，元件压降方程y个，用户压降方程p个；则未知量个数与方程数量相等，模型可求解；设未知节点压头为H=[h1,h2,…,hj]^T；未知管段流量为Qg=[qg1,qg2,…,qgg]^T；未知元件流量为Qy=[qy1,qy2,…,qyy]^T；未知用户流量为Qp=[qp1,qp2,…,qpp]^T；

令X=[H;Qg;Qy;Qp]=[x1,x2,…,xn]；X为1*n阶列向量，n=j+g+y+p；以X为自变量，可将节点流量连续性方程、管段压降方程、元件压降方程、用户压降方程汇总成n个方程，依次表示为：f1(X)=0,f2(X)=0,…,fn(X)=0；令F(X)=[f1(X)，f2(X),…,fn(X)]^T，F(X)为n阶列向量；则复杂管网方程组模型可表示为F(X)=0；

管网仿真模型求解子模块213用于调用牛顿迭代算法求解方程组F(X)=0，复杂管网水力计算问题等效为求解n元非线性方程组F(X)=0的解，由牛顿迭代算法x(n+1)=x(n)-F(x(n))/F'(x(n))，式中F'(x(n))为n*n阶矩阵，各元素如下：

将迭代初始值x0带入x(n+1)=x(n)－F(x(n))/F'(x(n))并循环迭代；

管网仿真模型修正子模块221用于取循环迭代得到的计算结果进行比较分析，若流量方向不正确，则根据正确流量方向修正所述管网仿真模型；若循环迭代得到的计算结果结果发散，则先检查所述管网仿真模型中的错误，再调整迭代系数、最大迭代次数和初始迭代值并重新调用牛顿迭代算法进行计算；当流量方向正确且向量x(n+1)-x(n)的偏差小于预定偏差后，即可得到数值解x(n+1)；

显示模块3，包括计算结果显示子模块31和数据存储子模块32；计算结果显示子模块31用于显示和输出已知参数及待求参数的计算值，采用Excel表格的形式呈现；所述数据存储子模块用于存储已知参数及待求参数的计算值。

图2是本发明一个实施例的管网水力计算方法的流程图，包括步骤如下：

S201、绘制管网图，标注管段、用户等编号；

S202、输入/更新节点、管段参数信息：当用户首次使用该系统时，需要先在Excel表格中输入节点、管段参数信息，包括各节点标高、管段长度、管件当量长度、内径和已知节点压力等；当用户并非首次使用该系统，则只需输入更新的参数信息；

S203、标记管段的流量方向，无法确定的流量先任意假设方向；

S204、系统建模：选择节点流量方程和阻力计算公式并建立方程组；

S205、模型求解：采用牛顿迭代算法进行方程组求解；

S206、根据牛顿迭代算法迭代计算的结果判断流量方向是否正确，若流量方向不正确，则根据正确流量方向修正模型并重新调用牛顿迭代算法进行计算；若流量方向正确，则执行步骤S207；

S207、判断迭代是否超出迭代次数并判断计算结果是否发散，若超出最大迭代次数和/或计算结果发散，则先检查所述管网仿真模型中的错误，再调整迭代系数、最大迭代次数、初始迭代值并重新调用牛顿迭代算法进行计算；若没有超出最大迭代次数且计算结果不发散，则执行步骤S208；

S208、计算结束，将结果输出显示到Excel表格中并保存。

在上述系统建模和模型求解的过程中，可采用matlab编程实现，将已知量如管段长度、管件当量长度、管段内径、节点标高、用户或元件的阻力特性系数等已知参数输入Excel表格，将上述模型、牛顿迭代算法、管段、元件、用户等的压降-流量公式分别用matlab语言编写为相应的程序或子程序，计算后再通过Excel表格进行显示和输出。全过程为矩阵数值运算，运算能力强，可计算任意规模的复杂管网水力模型，对计算及硬件要求低，人工输入的数据较少。

图3是本发明一个实施例的管网图部分结构示意图。如图3所示，在绘制管网图的过程中，把管网中的节点和管道抽象为图论中的点和线，定向后成为一个有向图，并在有向图上标注节点、管段、元件、用户的编号。在本实施例中，h1、h34等为节点标号，g1、g34等为管段编号，图中“（）”内数据为管道上相邻两个节点之间的距离，“（）”外的数据为管道公称直径，单位为mm。图中尺寸单位及管径单位以mm计算，标高单位以m计。管网图采用AutoCAD或其它绘图软件绘制。

图4是本发明一个实施例的管网仿真系统的待求参数计算值部分显示列表。如图4所示，该列表包括已知参数及修正后得到的待求参数，已知参数包括节点标号、节点标高、管段编号、管段长度、管件当量长度、当量总长、管道内径、喷头编号、流量系数和喷头标高，修正后得到的待求参数包括节点压力、管段流量和喷头流量。用户首次使用时，需要Excel表格中输入上述所有已知参数再进行计算；当已知参数发生变化时，用户需及时在输入模块中进行已知参数的更新。已知参数及修正后得到的待求参数的输出同样以Excel表格形式呈现，并存储在数据存储模块中。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种管网仿真系统，用于对给水管网进行仿真，其特征在于：

所述管网仿真系统包括数据采集模块（1）、与所述数据采集模块相连接的仿真计算模块（2）和与所述仿真计算模块相连接的显示模块（3）；

所述数据采集模块（1）包括输入子模块（11）和实时数据库（12）；所述输入子模块（11）用于将所述给水管网的水力计算已知参数输入到所述实时数据库（12）中存储，所述已知参数包括所述给水管网的已知节点信息、已知管段信息和已知元件信息；

所述仿真计算模块（2）包括仿真计算子模块（21）和计算结果修正子模块（22）；所述仿真计算子模块（21）从所述数据采集模块（1）取所述已知参数，建立管网水力模型即绘制管网图、根据所述已知参数选择节点流量方程和阻力计算公式建立方程组，并调用牛顿迭代算法进行管网水力模型求解得到待求参数；所述计算结果修正子模块（22）用于根据所述牛顿迭代算法计算得到的正确流量方向对所述管网水力模型进行修正，并进一步利用牛顿迭代算法计算待求参数的解，最后把待求参数的计算值传输至显示模块（3）进行显示和输出；所述待求参数包括所述给水管网的节点水压，管段流量和元件流量；

所述显示模块（3）包括计算结果显示子模块（31）和数据存储子模块（32）；所述计算结果显示子模块（31）用于显示和输出所述已知参数及所述待求参数的计算值；所述数据存储子模块（32）用于存储所述已知参数及所述待求参数的计算值。

2.如权利要求1所述的管网仿真系统，其特征在于，所述已知参数包括所述给水管网的已知节点信息、已知管段信息和已知元件信息，所述已知节点信息包括节点编号、节点标高、节点流量，所述已知管段信息包括管段编号、管段长度、管件当量长度、当量总长和管件内径，所述已知元件信息包括元件编号、流量特性和元件标高。

3.如权利要求1所述的管网仿真系统，其特征在于，所述仿真计算子模块（21）包括：管网结构建立子模块（211）、管网仿真模型建立子模块（212）、管网仿真模型求解子模块（213）；

所述管网结构建立子模块（211）用于绘制管网图，把所述管网中的节点和管道抽象为图论中的点和线，定向后成为一个有向图，并在所述有向图上标注节点、管段、元件、用户的编号；

所述管网仿真模型建立子模块（212）用于列写j个节点流量连续性方程、g个管段压降方程、y个元件压降方程、p个用户压降方程，所述j为为未知压力的节点数，所述g为未知流量的管段数，所述y为未知流量的元件数，所述p为未知流量的用户数；所述管网仿真模型建立子模块还用于建立方程组F(X)=0，其中X=[H;Qg;Qy;Qp]=[x1,x2,…,xn]，H为未知节点压头,Qg为未知管段流量,Qy为未知元件流量，Qp为未知用户流量；

所述管网仿真模型求解子模块（213）用于调用牛顿迭代算法求解方程组F(X)=0，由牛顿迭代算法x(n+1)=x(n)-F(x(n))/F'(x(n))，将迭代初始值x0带入x(n+1)=x(n)－F(x(n))/F'(x(n))并循环迭代。

4.如权利要求1所述的管网仿真系统，其特征在于，所述计算结果修正子模块（22）包括管网仿真模型修正子模块（221）；所述管网仿真模型修正子模块（221）用于取循环迭代得到的计算结果进行比较分析，若流量方向不正确，则根据正确流量方向修正所述管网仿真模型；若流量方向正确但所述计算结果结果发散，则先检查所述管网仿真模型中的错误，再调整迭代系数、最大迭代次数和初始迭代值并重新调用牛顿迭代算法进行计算；当流量方向正确且向量x(n+1)-x(n)的偏差小于预定偏差后，即可得到数值解x(n+1)。

5.如权利要求1所述的管网仿真系统，其特征在于，所述输入子模块（11）和计算结果显示子模块（31）均为Excel数据表格。

6.一种管网水力计算方法，用于对给水管网进行水力计算，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、用户在数据表格中输入已知参数，所述已知参数包括所述给水管网的已知节点信息、已知管段信息和已知元件信息；

S2、根据所述已知参数，建立管网水力模型即绘制管网图、选择节点流量方程和阻力计算公式建立方程组，并调用牛顿迭代算法进行管网水力模型求解得到待求参数，所述待求参数包括所述给水管网的节点水压、管段流量和元件流量；

S3、根据所述牛顿迭代算法计算得到的正确流量方向，对所述管网水力模型进行修正，并进一步利用牛顿迭代算法计算待求参数的解；

S4、将待求参数的计算值和所述已知参数通过数据表格进行显示、输出和存储。

7.如权利要求6所述的管网水力计算方法，其特征在于，所述已知参数包括所述给水管网的已知节点信息、已知管段信息和已知元件信息，所述已知节点信息包括节点编号、节点标高、节点流量，所述已知管段信息包括管段编号、管段长度、管件当量长度、当量总长和管件内径，所述已知元件信息包括元件编号、流量特性和元件标高。

8.如权利要求6所述的管网水力计算方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21、绘制管网图：把所述管网中的节点和管道抽象为图论中的点和线，定向后成为一个有向图，并在所述有向图上标注节点、管段、元件、用户的编号；

S22、选择节点流量方程和阻力计算公式建立方程组：

列写j个节点流量连续性方程、g个管段压降方程、y个元件压降方程、p个用户压降方程，所述j为未知压力的节点数，所述g为未知流量的管段数，所述y为未知流量的元件数，所述p为未知流量的用户数；

建立方程组F(X)=0，其中X=[H;Qg;Qy;Qp]=[x1,x2,…,xn]，H为未知节点压头,Qg为未知管段流量,Qy为未知元件流量，Qp为未知用户流量；

S23、调用牛顿迭代算法求解方程组F(X)=0：由牛顿迭代算法x(n+1)=x(n)-F(x(n))/F'(x(n))，将迭代初始值x0带入x(n+1)=x(n)－F(x(n))/F'(x(n))并循环迭代。

9.如权利要求6所述的管网水力计算方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：取所述步骤S23中循环迭代的计算结果进行比较分析，若流量方向不正确，则根据正确流量方向修正所述管网仿真模型；若流量方向正确但所述计算结果结果发散，则先检查所述管网仿真模型中的错误，再调整迭代系数、最大迭代次数和初始迭代值并重新调用牛顿迭代算法进行计算；当流量方向正确且向量x(n+1)-x(n)的偏差小于预定偏差后，即可得到数值解x(n+1)。

10.如权利要求6所述的管网水力计算方法，其特征在于，所述数据表格为Excel数据表格。