流体管网模拟软件调研

1国外天然气管网模拟软件概况

自二十世纪80年代以来，世界上许多著名的管道公司都花费了大量的人力物力从事管道模拟仿真技术的研究，并开发出了相应的模拟仿真软件。随着管道技术和计算机技术的不断发展，这些软件的更新换代很快，其功能越来越强，使用也越来越方便。1.1TGNET软件

TGNET(TransientGasNetwork)软件是美国科学软件公司（SSI

Scientific

SoftwareIntercomp）推出的天然气集输管网瞬态模拟软件，可以对大型复杂的天然气集输管网进行稳态模拟和瞬态模拟。该软件是我国最早从国外引进的输气管道仿真软件。该软件可用于分析含有球阀、止回阀、调节阀及压缩机等多种元件的管道系统的水力、热力工况。它可以根据气体参数变化程度灵活自动选择仿真时间步长，并能保证所要求的计算精度。早期版本的TGNET是离线仿真软件，SSI公司在此基础上又开发了在线仿真软件(On-lineSystem)，它利用SCADA系统提供的实时检测数据作为初始条件和边界条件[1]。

TGNET软件的主要功能包括[2]：

(1)能够对管道中的单相流进行稳态模拟和动态模拟，诸如节点的压力、流量、温度、管壁粗糙度等参数的模拟，以确定最佳的设计方案、改扩建方案或最有效的操作方式；

(2)对输气管道的正常工况和事故工况进行分析，测试和评价输气管道的设计参数或操作参数，最终获得优化的系统性能；

(3)当管网结构发生变化或配产发生变化时，对管线的运行数据进行模拟预测，为生产决策提供有力依据；

(4)为实时模拟软件的组态提供建模数据。

TGNET的一个完整模拟过程包括四个部分，管网模拟建立、基本参数输入、启动稳态与瞬态模拟、模拟结果的输出。

此外，SSI公司还研发了针对液体管网的瞬态模拟软件TLNET。1.2

SPS软件

美国Stoner公司(该公司于2001年5月被英国Advantica公司收购，Advantica公司又于2007年被德国GermanischerLloyd工业服务公司收购)开发了用于气体稳态管网设计的软件SWS(StonerWebSimulator)和长输管道动态工况模拟软件SPS(StonerPipelineSimulator)。SPS既可以对管道系统的水力、热力工况进行仿真，又可以对管道系统的调节过程及结果进行仿真。SPS还设置了理想化的调节

1器，可以方便的模拟管道系统的控制，如：进、出站压力控制，流量控制等。

SPS软件的气体计算模块，采用国际上标准的气体计算方程BWRS和AGA等，适用于多种工况(组合)的计算。例如，多个气源同时给1个系统供气，其中每个气源的气体组份不同、进气量不同；同一系统中有多个用气点，每个用气点的用气曲线不同；环状管网结构；枝状管网结构；环状管网结构和枝状管网结构的组合[3]。

下面总结几点SPS与TGNET的异同[4]：

(1)SPS与TGNET计算的结果比较相近，特别是动态模拟结果几乎没有差别，可见两者均适用于天然气管网的动静态仿真。

(2)动静态模型的模拟速度有所差别。TGNET的模拟速度明显不如SPS快，特别是动态模拟。有关文献对于大型复杂的管网建议使用SPS软件进行仿真计算。

(3)建立模型方式不同。两者模型建立好后，均提供了有效性检验，即查错模式，方便使用者快速查找出模型中的错误。TGNET一旦有效性检验通过后，便可进行动静态模拟；但SPS在模型建好并通过有效性检验后，仍然不能进行计算，因为完整的SPS模型还需要一个非常重要的INTRAN文件，该文件需要使用者按照SPS自定义的语言进行编程，才能进行模拟计算。

(4)结果查看方式不同。TGNET静态模拟过程中不能随时查看结果，SPS在动静态模拟过程中均能查看结果，但在动态时其结果随时间变化快不易查看，需要通过建立INGRAF文件，运行GRAF后，才能查看软件自行生成了OUTGRAF结果文本文档(静态也一样)；TGNET则不需要编写任何程序，可以直接查看结果趋势和表。

(5)逻辑控制方式不同。TGNET几乎没有什么逻辑控制，而SPS则提供了非常丰富的逻辑控制，这是源于其INTRAN文件的强大功能，在INTRAN文件中，使用者可以按照现场实际情况提前定义阀门、压缩机、泵等设备在指定情况下的开启和停止。而且TGNET模型一旦运行，在运行过程中不能改变任何参数，而SPS在模型是否运行，都不影响其参数的变化，而且模拟图示会立即反映出因某个参数变化后系统压力、流量等参数的变化趋势。SPS还可模拟在某些危险情况下，自动开启某些阀门或停止某些设备等工况，而TGNET则基本没有这项功能。另外在动态模拟中，有的用户的用气量是随时间有规律的变化，因此，SPS提供了自动循环语句，即只需要输入一个周期的数据后，使用“RAMP……RE-PEAT=YES”语句，软件就自动无限重复该周期，这样减少了输入的数据;而TGNET则是通过另一种方式实现该功能，即完成一个周期模拟后，可以重新启动动态模拟，选择是否以上次结果作为本次模拟的初始状态，重复的选择后达

2到循环功能，明显SPS更为方便。

(6)实现功能有所不同。两者均可进行一般的天然气管网仿真计算，但最新的TGNET7.2增加了模拟地下储气库的功能，SPS暂无此功能。但SPS能够实现在线仿真功能，只要与SCADA系统结合，对该软件进行二次开发，便能方便的实现在线仿真。1.3

PCASIM软件[5]加拿大Novacorp公司开发了一套输气管道系统稳态仿真软件PCASIM，并于80年代初投入使用。该软件可对包括压缩机、阀门等设备的复杂输气管网和输气干线进行仿真。仿真管道系统的节点数可达200多点。在90年代初用该软件对四川输配气系统进行改造和扩建研究，获得了较好的效果。软件采用的状态方程为BWRS方程。可以采用四种流量方程形式，即美国天然气协会(AGA)公式，潘汉德尔公式，修正潘汉德尔公式，科尔布鲁克—怀特公式。软件功能包括输气能力计算、副管计算、某一参数的敏感性分析、沿线压力与温度计算、流量分配计算、压缩机参数计算等。1.4

SIMONE软件[5]SIMONE软件是捷克斯洛伐克开发的气体输配系统仿真软件，基本上可以模拟管网可能出现的所有瞬变过程，如阀门操作、压气站工作点的变化以及各种自然灾害引起的事故（如输量变化、管道破裂）等。可以计算压力、流量以及整个管网或局部管道充装量随时间的变化规律，跟踪气体物性参数在管网中的变化以及压气站工作点的变化轨迹等。1.5

SIROGAS软件[5]SIROGAS软件是澳大利亚开发的仿真软件，能对天然气管道中气体的单相流动进行稳态和动态仿真。此软件包括两个模型：跟踪模型与预测模型。跟踪模型能实时模拟复杂管网的运行工况，通过SCADA系统的数据库获取管网系统的边界值与约束条件，计算最后一次获取数据信息时刻管网的运行工况，然后等待更多信息计算下一时刻管网的运行工况，如此反复进行。预测模型可模拟管网从当前状态到未来某时刻的运行工况。1.6

ESIPAS软件[6]ESIPAS软件是ESI公司推出的天然气管网在线实时模拟软件。该软件由实时模型(RealTimeModel，RTM)、预测模型(PredictiveModel)、预报模型(LookaheadModel)、组分跟踪(CompositionTracking)、管线存量分析(PipelineInventory)等5个模块组成。

实时模型是整个实时仿真系统的基石和核心部分,其主要功能是：建立管网

3水力模型、实现与SCADA系统的数据交换、对SCADA系统数据进行有效性效验、通过水力计算实现对管道运行状态的仿真模拟。预测模型提供操作者在实际执行前的操作策略。该模型利用实时模型提供的即时管网动态运行状态,模拟所有类型操作条件的变化。如：压力和流量设定点的改变,设备状态改变,压缩机停止/起动,阀门开/关等。预报模型提供基于当前管道动态生产状态,在不改变运行参数条件的情况下,对管线未来生产状况变化趋势的预测和分析。组分跟踪用于分析不同气体组分在一个管线系统中的混合情况。ESIPAS从SCADA系统得到来自气相色谱仪的在线测量值,通过组分计算对管道内每个计算点的热动力和物理性质重新计算,从而得到每个计算点的实际组分值。管线存量分析通过基于压力、温度和密度特征的计算,测算出当前管道储气体积。这包括提供动态和静态管道工艺条件下的管容气量。

2国产天然气管网模拟软件概况

我国输气管道稳态仿真和非稳态仿真的研究工作始于20世纪80年代，虽然在软件实现的功能和应用广度等方面与国外开发的软件存在较大差距，但在建立数学模型和求解模型所采用的数学方法上作了许多探索，并且开发了一些模拟软件。

80年代中期，西南石油学院王寿喜等人采用节点压力法建立了天然气输配气管网的稳态分析模型，考虑了高程的影响，按水力学关系严格计算摩阻系数，求解过程引入了拟牛顿迭代法，提高了计算的收敛性和计算效率，并开发了相应的仿真软件。2.1

GASFLOW软件[7]1995年，西南石油学院王寿喜、曾自强等基于静态仿真节点压力法、动态仿真特征线法研制了天然气管网静动态仿真软件GASFLOW。该软件对管网结构不作任何限制，适于模拟由管道、调压阀、压缩机、气田和用户组成的任意环状和枝状管网，实现天然气集、输、配管网的静动态仿真。该软件是用C语言编程实现的MSDOS下的应用程序。由于采用特征线法进行瞬态仿真，要求时间步长较小，因而不适用于持续时间长的非稳态工况。2.2

EGPNS软件

1997年，西南石油学院李长俊、汪玉春等研制了气体管道静、动态仿真软件EGPNS。该软件适合于仿真由管道、压缩机、阀门、储气田等多种元件组成的任何结构的天然气管道系统。其主要功能包括论证管道系统设计方案、改造方案和运行方案；确定管道系统所要增设的副管或所需压缩机功率；计算管道系统储气量的变化情况，评价调峰方案；分析管道系统的事故工况及进行敏感性分析等。该软件应用于分析四川输气干线和川东输气管网,其仿真结果和功能达到国外离线软件的效果[5]。

4软件是采用C语言、Fortran语言混合编程技术和结构化程序设计相结合来实现的。其中采用C语言进行菜单和窗口设计，并实现对整个软件的管理。其主菜单包括项目选择、数据管理、内容设置、系统仿真、图形输出、数据输出项，各主菜单还含有多级子菜单。通过各级菜单，可以输人(出)和修改所要仿真管道系统的总体数据、结构数据、气体组分、操作数据，提出仿真的具体要求，同时对输人、输出数据单位类型(英制单位、公制单位、国际单位、法定单位)和摩阻计算公式类型(给定值、威莫斯公式、潘汉德公式、前苏联早期公式、前苏联近期公式、柯尔布鲁克公式)进行任意选择。通过具体仿真后，可以对仿真结果按用户要求进行图形输出(压力、流量、储气量分布的柱状图和随时间变化的曲线图)和表格输出。在所有操作过程中，可以通过帮助键获得所需的帮助信息，对于错误的操作提示错误类型，对于静、动态仿真的核心软件采用Fortran语言编程，这是为了获得最快的计算速度[8]。

该软件由于采用隐式法进行瞬态仿真，在每一个时间步长要求解一个非线性方程组，因而在求解大型管网时需要较大的计算机存储量，而且求解过程比较麻烦[9]。2.3

SimuPipe软件[9]2005年，中国石油大学（北京）左丽丽开发了输配气管网运行仿真通用软件SimuPipe。该软件是用VisualC++6.0和VisualFortran6.5两种语言在WINDOWS2000环境下联合开发的，其基本功能包括输配气管网的稳态和瞬态仿真。该软件具有方便的用户操作界面以及完善的数据输入、输出功能；采用模块化结构设计，便于修改和进行功能扩充。将SimuPipe软件的仿真结果与TGNET的仿真结果进行了对比分析，两者的误差满足工程精度的要求。2.4

PES软件[10]2007年，西南石油大学杨毅等对复杂管网系统进行稳态和瞬态仿真，其中稳态仿真采用节点压力法建立非线性方程,瞬态仿真采用隐式法建立问题的非线性差分方程，应用广义阻尼牛顿2拉夫逊法求解非线性方程组，为了节省计算机内存和加快求解速度,本文对方程的稀疏矩阵进行压缩存贮,并在稀疏意义下对方程组进行求解,实际表明,这样处理可大大的扩充管网分析规模和节省计算时间。在此基础上,研制出了“管道仿真系统PES(PipelineEmulationSystem)”仿真软件包。对某片区的目前管网和规划管网进行仿真分析。结果表明：规划后管网中的管道压力没有超过允许压力,大部分管道可以增加流量,个别管道应该改换成较大管径的管道。

虽然国外的模拟软件能够应用于中国的输配气管网，关键问题是它们非常昂贵，而且维护起来也不是很方便。因此国内有必要开发自己的输配气管网仿真软

5件。韩国已经于2001年开发了自己的气体仿真软件GNAP。这项研究使韩国不再依赖国外的软件，并且使国内的操作人员能够最大限度的使用和理解该软件。我国也应该集中人力物力开发输配气管网仿真软件，缩小与国外的差距，为管道工业发展做出贡献[9]。2.5

RealPipe-Gas软件[11]2010年，中国石油管道科技研究中心自主研发了大型天然气管网仿真软件RealPipe-Gas1.0。通过该软件与国际先进软件SPS的仿真计算结果进行对比分析，表明：其计算精度、计算效率与软件稳定性均达到国际同类商业软件的先进水平，为油气管道系列仿真软件产品的国产化奠定了基础。

该软件以Microsoft公司的VisualStudio2008下C++和boost库1.43版位为主要开发工具完成了RealPipe-Gas公用库、管网模型设计子系统的开发；以VisualStudio2010下C#和WPF4.0为主要工具完成了管网模型仿真运行子系统的开发。

该软件具有以下特点：

（1）良好的架构，是可扩展的管道仿真平台；

（2）国际上第一款基于WPF/MEF架构体系的管网组态建模环境；（3）集图形化建模、仿真运行、操作培训于一个平台的“集成式”环境；（4）超强的模型脚本验证功能；（5）适应任何复杂管网拓扑结构；

（6）仿真计算引擎实现数学算法的“插件化”；

（7）仿真运行时操作控制的“多样化”与参数监视的“多视图化”。天然气管网仿真软件RealPipe-Gas可用于任意拓扑结构天然气管网的仿真计算和各种特殊工况的运行模拟，目前已经进入大规模工业应用测试阶段，具有十分重要的工程意义和行业应用拓展前景。同时，该软件又是一个通用的天然气管道仿真应用平台，具有良好的扩展性，可以进一步扩展为油气管道仿真软件平台，在平台基础上可以根据特定的业务需求，开发出系列油气管道运行仿真与优化软件产品。

此外，四川石油管理局勘察设计研究院陈凤等人研制了城市输配气网络水力分析软件CNSA，由于该软件仅适用于稳定的网络系统，所以不能分析输配气网络中的瞬变流动；哈尔滨建筑工程学院徐彦峰等人研制了燃气管网仿真软件LIFF。但是国内的很多软件在计算程序的编制上或多或少的存在一些问题，比如说很多软件要求将已知压力节点的编号编为最大（或者最小）等，并且数据的输入输出也不太方便，因此有改进的必要[9]。

63给水管网模拟软件[12]3.1

EPANET软件

EPANET由美国国家环保局主持开发，虽界面简单，但计算能力较大,可直接在Windows平台上运行。该软件几乎可用于所有配水系统的模拟，包括管道流量、节点压力、物质输移等，进行多方案互相分析，也适用于供水量随时空变化的管网系统。它不仅能进行延时水力和水质模拟,还能针对化学物质扩散来进行水龄的动态模拟，计算管流中来自不同源头的水体的百分比并进行追踪。在计算方法上，它采用联合梯度算法来代替之前一贯采用的繁琐的Hardy-Cross方法，是给水管网模拟软件发展的一大进步。联合梯度算法将管网计算转化为一系列的线性方程来求解，既简化了计算过程，也提高了计算精度和速度。

迄今为止，它依然是世界公认的最好的给水管网软件计算引擎之一。由于其源代码完全开放,还提供免费的EPANET程序工具包，故很多软件采用其作为内置计算引擎。EPANET程序工具包是一个动态连接库，它允许用户根据自己的需求对EPA-NET计算引擎进行个性化的更改，书写语言包括C/C++、Delphi、Pascal以及其他任何可用Windows动态连接库的计算机语言。用户可以利用此功能将EPANET计算引擎集成到CAD或GIS软件中，也可以使该软件生成指定的结果输出报告格式。3.2

WaterCAD软件

WaterCAD是美国Bentley公司开发的HaestadMethods系列产品之一，能较全面地模拟管道水流输送及物质浓度输移，用户界面友好，可对管网系统进行静态和动态分析,为用户在水力计算、运营管理、消防流量分析和水质模拟等方面提供轻松的平台。

该软件界面简洁,操作方便,建模准确性高。尤其是它能同时快速地管理、计算和分析多个方案，并通过数据报告和可视化结果表现工具来快速定位需要改善的管网位置或设置水库或水泵的最合理位置的功能，广受好评。该软件也被北京采用，作为规划设计和模拟计算2008年北京奥运会期间北京市的供水需求。3.3

InfoWorksWS软件

InfoWorksWS是英国Wallingford软件公司开发的供水管网系统水质和水力模拟软件。

该软件主要包含管网水力计算模块、水质分析模块、消防流量分析模块、管线重要性评估模块、爆管分析模块、沉积物分析模块、干管冲洗分析模块、管道漏水分析模块、管网优化分析模块等，集数据库(支持ACCESS、SQLServer和Oracle)、水力计算引擎和实时监控分析工具于一体，为给水管网的建模和计算

7提供较完整的分析结果。它的数据兼容性好，可导出管网数据并将其导入到多种GIS系统中，如SmallWorld、ARC/Info、Intergraph等。GIS系统软件的数据也可直接导入到该软件中，特别是与MapInfoProfessional和ArcViewGIS之间可直接连接，大大方便管网模型的精确定位。此外，它还兼容同类模型的数据，如WesNet、WatNet、Syn-erGEEWater等。3.4

MIKENET软件

MIKENET是丹麦水力研究所的一款城市供水管网模拟及管理专业软件。该软件内嵌先进的水力专业引擎和强大的SQLServer数据库管理系统，采用EPANET模拟压力管道系统内水力和水质,跟踪每根管道内的水体流动、节点压力、水池水位和化学物浓度，并能对大量数据进行科学有效地管理、输出、编辑和查询。它具有清晰便捷的操作界面，可以导入MapInfo、ArcInfo和Arc-View等GIS软件的数据格式，方便用户快速建立模型。同时它还具备管网实时监控功能，用任何SCADA系统实现供水取水，从水源到用户的实时监测和操作运行模拟，实时控制和掌握供水系统的运行状况。在结果输出方面，该软件提供多种图象表示方式，动态演示平面和剖面管网压力分布、水质变化等模拟结果。

Fontenot等将该软件和SCADA系统结合起来开发了一款新的给水管网实时监控系统MIKENET-SCADA，该系统提供On-Line和Off-Line两个模块,是系统管理、管网优化、紧急响应甚至风险分析的有效工具。3.5

H2ONET软件

H2ONET是由美国MWH公司开发的给水管网软件，运行速度快，具备全面的水力和动态水质建模、能耗管理、实时模拟和控制、单向冲刷等功能及自动化的在线SCADA界面。它能通畅地与所有的标准GIS、电子表格和数据库软件进行数据交换。支持PostGISSpatialDataEngine，且可导入其他建模软件创建的数据。该软件可根据随时间变化的参数创建动画序列，并通过鼠标点击展示精确的光滑等值线。它目前多用于美洲地区的配水管网设计与规划。2005年，美国Pajaro流域水资源管理局采用该模型评估并设计了海岸给水管网分布系统，确定了设计基础设施的尺寸规模和增压泵站的规模，评估了不同的管道走线和配水时间方案。3.6

其它软件

SynerGEEWater由美国Stoner公司开发，过去主要被用于超大规模的复杂配水管网，采用Newton-Raphson节点法替代混合法来求解管网方程。上海市曾在1995年利用该软件进行给水管网的动态水力模拟，业已建立了完整的管网系统模型,在日常更新、监控和维护中起了非常重要的作用。

PICCOLO是由法国SAFEGE公司开发的给水管网系统模拟软件，其市场主

8要集中在法国及欧洲部分地区。Harmant等利用该软件对法国Cholet地区给水管网进行了模拟，并对由管道和节点形成的矩阵方程进行了计算求解，建立了一种挑选最佳水质监测点的新方法。

国内目前主要有两大给水管网系统模拟软件：HY-NetSimu和WNW。前者是上海三高宏扬软件有限公司研究开发的，可进行管网规划、数据查询、管网计算等功能。后者是哈尔滨工业大学给排水系统研究所研究开发的系列软件，不仅可以进行管网的水力模拟，还可以进行管网的水质模拟，包括余氯、三卤甲烷、折算水龄的动态模拟等。

参考文献

[1]杨光大．天然气集输管网瞬态模拟软件TGNET及其应用[J]．天然气与石

油，1998，16(1)：1~4

[2]魏美吉，等．TGNNET软件在苏里格气田的适应性研究[J]．石油化工应用，2009，28(6)：57~58

[3]郭雁冰，等．利用SPS软件分析城市高压燃气管网工况[J]．油气储运，2010，29(10)：788~789

[4]苏欣，等．SPS与TGNET在天然气管网仿真中应用与认识[J]．天然气与石油，2009，27(1)：1~4[5]李长俊，等．1999，27(1)：输气管道系统仿真技术发展状况[J]．管道技术与设备，32~34[6]刘巍，2007，等．管网在线模拟软件在川渝输气管网的应用[J]．天然气与石油，25(2)：43~45

[7]王寿喜，等．天然气管网静动态仿真[J]．天然气工业，1995，15(2)：59~63[8]李长俊，等．气体管网系统的仿真[J]．油气储运，1997，16(2)：21~25[9]左丽丽．输配气管网运行仿真研究[D]．北京：中国石油大学，2005

[10]杨毅，等．某气田集输配气管网仿真分析[J]．西南石油大学学报，2007，

29(2)：141~143[11]郑建国，等．大型天然气管道仿真软件RealPipe-Gas研发[J]．油气储运，2011，

30(9)：1~5

[12]俞梅欣，等．港区给水工程管网模拟软件的选择[J]．水利水电技术，2010，

41(1)：43~46

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