PIPENET笔记汇总（2012.2）

Pipenet培训笔记
§1 Pipenet简介
Pipenet软件于七十年代起源于剑桥大学，在经历了近三十年的拓展与研发之后，已广泛应用于石油化工、工业循环水以及跨流域输送等行业。

该软件不仅是一个高效、简洁、准确的计算工具，更是一个强大的工程设计优化平台；工程管网系统的计算和优化、设备的选型以及事故工况下的水力分析均可在Pipenet平台下实现。

Pipenet具有计算速度快，能自动生成标准化计算报告，容易满足业主要求，且维护成本低等优点；在石油化工、造船业、电力和市政等工程领域有良好的用户口碑，已被多家跨国大型企业列入本企业推荐软件名单。

§2 软件界面
1.进入pipenet界面，可在window下拉菜单中选择use window menu style使用常用的pipenet菜单模式。

2.点击init进行初始化，包括标题、流体、单位、管道类型等的定义；应先定义好这些参数方便计算。

3.libraries用于用户自己创建系统中元件模型的信息，包括管道、附件、阀门、流体、阀门等，只有在libraries里定义了模型，才能在init里选用并用于计算。

打开pipenet，不建立任何模型，此时建立数据库为系统库，否则为当地库，file-import libraries可导入其他库。

4.view菜单主要用于pipenet窗口以及工具条的显示，窗口具体包括schematic window、data window、properties、schematic overview，工具条一般保持系统默认设置。

5.tools中make path对于分析指定管路的压降、流量等特性非常有用。

§3 Standard Module 标准模块
标准模块——Standard Module（以下简称STM）。

STM拥有广泛的工业用途，用于解决稳态工况下流体（液体，气体，蒸汽）的水力计算问题。

包括：系统的流场分布和阻力的计算、管道（或风道）和设备（泵、阀门、孔板等等）的选型和优化、异常工况（管道堵、漏和破裂）的模拟等功能。

规范化建模流程：
第一步：新建一个文件夹保存建模过程产生的文件，为每一个Project建一个单独的文件夹，这样在后续维护时会更加便利。

在Libraries（以下简称库）中输入本项目所用管材和设备的参数设置，若所用设备均为默认库中已含有的则可跳过本步。

本地库设置包括Schedules（管材）、Fittings（管道附件）、Control valves
（控制阀）、Fluids（模型流体）、Pumps-coefficients unknown（工作曲线系数未知的泵）和Pumps- coefficients known（工作曲线系数已知的泵）。

（1）技巧：用一个空的PROJECT文件将常用的管道、泵及其他特性参数设置好，以备将来使用调入。

有两种调入方法，IMERGE和LOAD，前者是将其他工程文件包含进来，文件占用空间增加，后者是通过指针指向调用，文件占用空间不增加，但一旦对象文件路径变动，则指针将丢失这个库。

（2）每个项目若需新建参数都需要首先点击该选项卡左下的New按钮，一般较多需要自行设置的是管材和未知系数的泵。

（3）管材设置需要输入管道系列的名称、Roughness即该系列管材的糙度和与公称管径相对应的内径；
（4）水泵设置需要设置Name水泵名称、Curve type曲线类型（包括二次型、三次型和样条插值型）、Ref. Fluid Water-density泵内流体密度、Flowrate， Head流量与水头单位、Working range水泵最低和最高工作流量、Degeneration factor超出正常工况流量范围后工作曲线的衰退指数以及三个及以上Q-H曲线已知点。

关于曲线选型需要注意，cubic和smooth比quadratic有更好的拟合效果，但是smooth在Working range之外的曲线形状具有很大的不确定性，对非正常工况下泵工作的模拟没有精度保证，实际工程中应该避免使用，一般情况下采用quadratic即可；其次：由于在大于泵出水输送能力极限流量范围扬程将急剧下降，还提供了一个选项来拟合这种情况。

第二步：通过Init初始化模型。

Init设置包括Title、Standard Options、Units、Fluid、Pipe types、Display、Calculation、Tables、Defaults，其中Title、Fluid、Pipe types必须要设置。

（1）Title项一般设置项目名以及必要的注释，如设备选型等；
（2）Fluid项从本地库提供的流体类型中选择系统内流体并设置流体温度；
（3）Pipe types项设置项目所用管材参数，打开该选项卡然后点击左下的New按钮激活设置；然后从Schedule下拉菜单中选择所需的管材，调入的管材参数会显示右下的列表中，表格第一列为公称管径、第二列为管道内径，均由你所选管材所设定，第三列是管道最大流速则需要在这里设置，有个小技巧：若相邻的若干管道最大流速相同，可在第一格输入数值后点住此格向下拖动，这样数值会自动填充到你所选中的所有单元格，设置完成后需单击一下表格上方的‘Use in design’键。

（4）Units项一般需根据项目数据实际设置，该选项卡分为左右两部分，左边为单位设置包括SI、公制、英制、美制和用户自定义，右边则提供了显示精度设置和单位换算计算器。

其他设置项目大都可保留默认值。

补充说明：①设置模型标高基准点的办法，在Calculation选项卡下有Hydraulic Gradient Calculation设置项，Reference Node Label项输入模型的高程基点标号，Reference Node Height则输入该点的高程即可；②Standard Options选项卡下Elevations设置可决定模型标高是标注管道的两端高差（Use pipe/duct elevations）还是直接标定节点高程（Use node elevations）。

第三步：在图形窗口中建模。

建模过程主要使用Tools工具条。

（1）5个图标是基本的绘图工具。

Select可以选取模型中的元件；
●Zoom/Pan的功能是缩放，选择该工具在图形窗口中点住向左拖动能使图形缩小，而向右
上下拖动则能使图形放大；
●Area能选择图形中的一个矩形区域；
●Polygon则可以选择图形中的不规则区域；
●Text可以在图形中写入文字标注。

（2） 11个图标则是代表元件。

最常用的：Pipe圆管、Pump/Fan泵、No-return valve止回阀和Control valve控制阀。

Pipe在图形上绘制时，可以点住shift键再用左键在图形窗口内点击
直到松开shift键，这样可以建立一根折线型的单管。

右键用有删除复制等图形建模编辑
功能。

其他元件用法类似。

（3） 设置元件参数。

有两种方法：①可以在图形窗口中用select工具选中要添加参数的元件，然后在Properties窗口中输入；②打开Data window根据元件标号对位输入。

需注意某些
参数只能在Properties窗口输入。

●Pipe需要输入的参数有，Length管长、Diameter管径、Elevation管道两端高程变化；
●Fittings附件的添加，Fittings的设置和Properties为同一窗口，窗口下端有标签卡切换，
常用的管道附件有45/90 deg elbow45、90度弯头、Tee（branch）/Tee（run）三通（旁路）
/（干管）；
●注意三通附件的设置，如果三通是一进两出，则在两根出流管上添加Fittings，入流管不
加，以入流管方向为干管方向，同向的出流管加Tee（run），垂向的出流管加Tee（branch）；
若三通是两进一出，则出流管不加，以其流向为干管方向，同向的入流管加Tee（run），
垂向的入流管加Tee（branch）；
●孔板是稳态模块中常用的降压元件，包括正算和反算，即可以根据需要的压降计算孔板
尺寸，也可以根据孔板尺寸计算压降。

第四步：完成图型搭建和参数设置后，模型就建立好了，可以进行设计和水力计算。

在Calculation 工具条右端有D、C两个模块，分别对应Design和Calculation两大功能，
（1） Design可用于管道设计，不需要预先给定管径，只需要给定一个边界的压力和（边界数-1）个的边界流量，然后点击工具条上的Sizing就能计算出各管管径。

（2） Calculation功能必需先给定管径和至少一个边界的压力，然后点击Calculate就可进行水力计算。

计算完成后可在Data window看到计算部分结果，
（3） 完整的计算结果可使用Browse output查看完整的计算报告。

（4） Check Network可以在计算前检查管网是否存在不合理的参数或者错误参数。

（5） 按住Ctrl键用鼠标选取所需节点，然后在Tools菜单下选择Make path，就可以在Data Window的Graph标签下看到沿所选管路的高程和压力变化图。

以上步骤为一个稳态水力分析计算的主要流程，若需要将稳态模型转换为瞬态模型，可以使用
安装目录下的Utilities文件夹的Convert2Transient工具。

稳定流模块小结及其他问题：
1.标准模块适用于各种流体的水力仿真，同时可以进行管路系统中的设备选型。

具体来说，选用calculation工具条中的D时，是用于设计，即设备选型（可不输入管径，定义流量，自动计算管径），选用C时，须输入管路的参数，根据边界条件计算水力特性。

2.对环路计算时，软件采用的是牛顿迭代法。

（需进一步了解）
4.稳态计算时，一般选用Darcy公式，计算较精确。

5.稳态计算包括以下流程：首先建立模型，选用D模式，根据系统的流量和压力要求，计算管道的管径等参数，然后选用C模式，根据边界条件校核系统，对不合理的地方进行调整并重新计算直至满足要求。

§3 Spray/Sprinkler Module 消防模块
Spray/Sprinkler Module（以下简称SPM）消防模块是目前国际工程界独一无二的专业消防系统设计计算软件，符合NFPA（美国消防协会）、FOC（英国消防协会）以及GB(国标)等消防规范对消防系统设计的各种强制性计算要求。

可满足舰船、海洋平台、石油、化工、电站等行业对消防系统的
严格且特殊的设计要求。

消防模型跟其他模型有一个重要的区别，它的设计规范一般是强制性的，在初始化时需要选择规范标准。

与STM相似的过程就不再赘述，库设置中新增有Nozzles喷头，其设置需要输入流量系数
K-factor，最低喷压Minimum pressure，最大喷压Maximum pressure和喷雾分散角度Spray divergence angle。

Init的Spray Options里Design rules就是规范标注选择，包括NFPA、NFPA 1996/2001、FOC、OLDFOC、Chinese Standard（GB）。

其中NFPA、FOC和GB分别为美国、英国和我国的现行消防规范标准，而其余两个为旧版本标准，为了兼容旧系统而保留；Pressure Model压力计算模型，一般选择H-W，Darcy公式过于理性化实际工程中不适用，而GB则为与Design rules中GB挂钩的选项。

Calculation里的Specifications计算规范，Remote nozzle specifications表示依据最不利点进行计算，是最常用的选择；Mass balance specifications表示大部分点满足要求，是比较经济的选择；User-defined specifications表示以用户设定点为依据进行计算，一般用于工况校核。

消防模块小结：
1.消防模块与标准模块的区别有两点：（1）规范不同，即使采用同样的管径、流量，也会因规范的不同计算中不同的压降；消防模块较标准模块更安全。

（2）流体不同，标准模块适用于各种流体，消防模块仅适用于水和泡沫。

2.常用的消防标准NEPA（美国消防标准）、GB、FOC（英联邦标准），其中FOC使用较少，GB 的安全性最高。

3.消防模块计算时，一般不选用Darcy公式，因其安全性较低，常采用默认的Haizen-Williams公式。

4.消防的计算包括以下流程：首先根据设计的系统模型，选用C模型，输入边界条件（即最不利点的流量和压力要求），计算消防水泵的流量和压力要求，然后根据计算结果选用合适的消防泵，再将选用的泵加入系统中，校核最不利点的流量和压力，若压力过高，还要添加孔板降压。

§4 Transient Module 瞬变模块
Transient Module（以下简称TM）模块用于模拟由于设备启停、阀门操作等因素造成的管网内流场的瞬息变化。

计算系统压力和流量的波动，分析水击或汽锤，验证系统对动态工况的响应性，以及检验控制系统在瞬态情况下是否会控制失效，最终达到快速、准确、高效、安全的建设目标。

与STM和SPM不同的是，TM在其本地库中可以设置Turbo Pumps和General Pressure Loss。

泵类元件有SIMPLE PUMPS和Turbo Pumps，前者用于泵正常运行范围的性能（只需设置厂家提供的性能曲线），后者用于全特性运行性能，包括启动和倒转，其设置需要输入泵的额定工作参数Rated Quantities，包括pressure压力、flowrate流量、speed转速和torque转矩，转动惯量Moment of Inertia，以及Suter Curve的数据。

关于SIMPLE PUMPS的性能曲线，输入方式与前两个模块相同，关于Turbo Pumps的全特性曲线，软件分别提供了离心泵(ns=)、混流泵（ns=）、轴流泵(ns=)三种有实验数据的泵，其他需要用户自行输入数据。

由于ns相同，泵不一定相似，已知ns泵的全特性曲线暂时无法通过较合理的计算方式得到，因此软件不愿意提供我们通常采用的内插方式得到，但他们另外提供了一种线性内插的计算程序，用户可以用但软件商不承担由此带来的误差，FLOWMASTER也是因为这个原因没有提供实际ns全特性曲线数据，需要用户自己计算输入，软件可以通过拷贝电子表格结果输入89或者67组数据。

管材参数的输入，Schedules中不仅需要输入内径，还需输入外径，管壁厚的值要用于计算波速。

Init设置的Transient Options项里要设置Simulation times（仿真计算时间），时步设置若选择User Defined Timestep，则还需设置Calculation Timestep（计算时步）。

时步设置不仅关系到计算精度，还要考虑计算经济性，因此不宜过小。

系统默认的计算时步△t 是将所有用户所划分的管段长度比较取最小一段作为△X，在根据波速计算得出系统默认△t，该值可能会因为用户定义的管长较小而过小，因此提供用户自定义时步，如果若某管段长度小于设置时步×波长，则该管会被系统处理为短管(short pipe)，即认为该管为集中惯性元件，该功能非常有用，用户建模时不必特定定义短管，只需定义所期望的时步即可，但是计算时步应该足够小以使计算中应该出现的峰值、谷值以及抖动波形能精确反映，时步可以先大后小，慢慢试出一个合适的时步。

虽然Pipenet可自动探寻操作时间小于时步的控制件状态变化，但若时步大于控制元件的动作时间仍可能会使控制元件的改变过程被忽略，所以最短的长管长度不一定完全决定时步，有时阀门操作控制的动作时间比时步小，这时可能会以这个时间作为时步（不知是否理解正确）。

如果不是这样，对于小于时步的动作控制PIPENET令其等于时步，或者在时步内部自动搜寻相当于一个时步长的阀门setting位置，但如果在一个时步中PIPENET已经完成了一个起停，则软件将无法在非单值的setting 范围搜索。

Cavitation为气穴设置，有三个选项，No cavitation没有气穴发生，Vapour Cavitation蒸汽气穴，Channel Cavitation。

由于空化模型计算时间较长，因此技巧是先假设系统没有空化，观察计算结果，如果所有降压极值都大于系统汽化压力，则计算通过，否则认为系统有空化，重新回到这里设置Vapour Cavitation，并定义工程要求的汽化压力，再行计算真实情况。

Channel Cavitation选项针对计算空化气穴所涉及或影响的管长范围，但这个模型计算结果不太可靠，因此一般不使用此项。

TM还需要注意设置Calculation options，特别是Initial state初始状态，Initial starting point一般保留默认设置，Run-in time控制元件达到稳定状态的初始化时间，应该根据模型使用控制元件的情况做相应调整。

勾选Calculate final steady state则可以给出最终稳态计算结果，即使计算时长内没有达到稳态。

补充计算时间的定义，边界初值录入后，模型会进行初始化计算，经过Run-in time后达到初始稳态，即simulation start time，然后经过设置的simulation stop time，结束模拟计算。

（这一点需要大家继续试用，验证并提供交流经验）
下面介绍TM的模型元件、控制元件以及力的设置和计算。

一、管道元件
管道元件有Pipe、Short pipe和Compressible pipe。

Compressible pipe在特殊工况下使用，Short pipe（短管）只传递压降，其上下游端流量相等，一般可也以不用，通过用户自定义时步让软件自动将符合条件的管处理成短管，一般用Pipe元件。

二、动力元件
动力元件有Pump和Turbo Pump两种，图标上面的圆圈点击后出现setting的设置，通过这里设置启动时间范围中转速的变化、突然停泵、已经停泵再起动等等参数。

1.4版将提供一个惯性泵选项，即提供停泵过程中，考虑电动机启动力矩曲线和泵及水的阻力矩曲线之差产生加速度能量，转速提高至额定转速后启动结束，记录启动时间和转速上升曲线，惯性泵实际上是在普通泵（simple pump）资料的基础上增加了上述功能，使得对启动的计算不再依赖于假定的时间和线性提升的转速而是通过机泵的启动特性来计算实际流量、扬程的变化。

该功能不能模拟大的倒转，并且我认为根本不要用它去模拟倒转，倒转只是正转外延的假设模型。

由于启动大型机组启动时间较长，该选项的增加是有实际应用价值，但是对小机组，尤其是离心泵机组，由于启动时间本来就很短，该功能提供的计算结果的差别应该不大。

而且需要输入电机启动过程动力矩曲线和水泵阻力矩曲线，这一点也将增加工作量。

三、阀元件
Operating是控制阀，可以由控制元件调节其操作，需要设置其过流系数(Cv或Kv)以及启闭动作过程（setting设置开度过程），需要知道Cv~开度变化，一般关阀是先慢后快。

No-return valve、Check valve、Fluid damped、Inertial check均是止回阀。

●non-return valve是无阻力元件，仅仅控制系统中不出现倒流，且为瞬间关闭；
●check valve用于模拟一般的止回阀，需要给出流量系数Cv或压降系数Kv，设置参数time
constant指阀门动作时间（或滞后时间？？大家查查看）；
●inertial check用于模拟回摆式止回阀，即阀门的一端固定，另一端可转动。

●另注意Cv和Kv对应的流量或压降公式。

Liquid surge、Regulating、Bursting disc和Pressure surge则都是水锤防护所以的安全阀。

需要设置开启压力和关闭压力参数。

●Liquid surge有一个节点，一般设置入口压力，且造价很贵，一般工程中使用口径不超过
350mm（不记得说过这句话）；
●Regulating有两个连接点，出、入口压力均可控制，靠机械压力控制。

较小时类似Liquid
surge，较大时，工作响应有一段时间滞后（time respond order），其功能可覆盖Liquid surge 安全阀；
●Bursting disc（爆破门）可以替代安全阀，造价相对低，口径可以做的较大，但是只能使
用一次，一旦打开就不再关闭。

●Pressure surge是美国一家企业的专利产品，能实现快开慢关的操作要求，但是价格较高，
工程使用很少。

四、容器（池）元件
Accumulator聚能器：水锤防护元件起稳定管网压力作用，罐体内储有一定量的水和气体，当其与管网连接处压力升高时，管网内的水被压入罐内可降低管网的压力，而当连接处出现负压时，罐体内储水吸入管网补充压力；但是若罐内储水全被吸走空气泻入管网，则计算会自动停止，此时聚能器已失效。

目前版本其上气体是双原子气体，新版本将提供多原子气体（如CO2）。

Surge tank无压水箱，储水元件，当箱内水空或者水满时均会失效使计算中止。

调压塔可用此选项。

Receiving vessel与Surge tank类似，但是允许溢出，且溢流量可计算获得，但不能根据堰上水头计算不同流量，当池内水放空时会报错，所以不考虑堰高的溢流堰可选此项。

Simple tank（以下简称ST）有压水箱，与前三个水箱不同，ST有两个节点，故其可以设置在管线中。

其上部可设置不同压力模拟有压情况，计算不允许气体倒流进入上游水管或水箱放空或充满，若出现这些情况，水箱就会失效，计算将会中止。

管线中的储水池或泵前池可选此项。

五、进排气阀
Vacuum breaker（真空破坏阀）可模拟进、排气阀，注意其边界条件是流量为0，而非压力边界条件，即该阀不能泄流。

真空破坏阀设置实际由两个空气阀组成，一个进气一个出气。

六、空管元件
Caisson、2-node和2-node-type2均为空管元件（水赶气元件），必须设置高差，且有方向性。

Caisson只能用于管道末端，当水满至溢出后计算自动中止；后二者空气阀和逆止阀，一般用于干管系统。

2-node类似于Caisson，但有2个节点，其下游端包括空气阀和止回阀各一个，能阻止水在该管内发生倒流；
2-node-type2结构完全类似2-node，是某公司的专利产品，针对该公司开发，其空气阀可以缓慢放气，阀门调节更智能化。

一般用户不用。

七、控制元件
TM提供了7种控制元件，用于模拟模型运行过程中的调节动作。

（该部分需进一步试用，注意交流经验）
其中Flow sensor（流量传感器）、Pressure sensor（压力传感器）和Pressure difference sensor （差压传感器）三个传感器是信号源，用于采集管网控制点的水力信息供调控元件判断，这些元件可以设置其信号模式Analogue模拟信号、Digital数字信号，若选择数字信号还需要设置Scan frequency 扫描频率，模拟信号输出的是连续的曲线，而数字信号是阶梯形的折线。

如：流量传感器：使用时串联在系统中，其传输信号部件在头部，压力、压差传感器与之相类似。

PID controller（以下简称PID）和Cascade PID controller（以下简称CPID）是调控元件，根据传感器传来的信号源与预设的判断条件，发出相应的信号以控制模型中对应元件的动作，PID直接控制模型内元件，而CPID则是控制PID简介控制模型元件动作，但是CPID能提高控制反应速度，帮助文档内有关于PID和CPID的详细信息及参数设置含义。

Transfer function，信号传送器，将调控元件的信号指令传到模型元件上。

Switch开关，其既可以直接连接传感器和信号传送器与模型元件，起到调控元件的作用，也可以连接调控元件和信号传送器与模型元件，起计时器的作用，可以通过设置Deadtime滞后时间来防止‘噪音’信号的误操作。

控制器类型：
P：是指等比例
I：积分，用于消除控制偏差
D：微分控制 用于避免剧烈变化
PI：等比例控制和微分控制相结合
一般常使用PI功能。

其设置中，Gain值越小，控制的衰减越慢，但其值不能大于控制上限与下限之差的倒数（比如需控制液位为4，最大液位为8，最小液位为3，则Gain值应小于0.2）；
resettime值需大于一个控制波动周期，系统大时可取稍大值（一般1—20s），在使用时可先取稍大的值，再逐渐减小；
ratetime应小于0.25倍resettime；
deadtime是指信号的反应时间。

PD：
ID：
PID：
在实际的工程应用中，一般使用PI控制就已经足够，PID控制器由于造价昂贵，实际工程很少使用，PD和ID控制器一般不用。

注意：
由于控制器中设计了积分问题，所以在进行数值模拟之前需要一段较长的准备时间，因而控制系统所需要的时间较长，根据工程经验，在进行模拟时间的设置时要求至少是阀门操作时间的2倍。

八、计算瞬变力（继续试用）
Force options力设置，Output total forces显示绝对力，而dynamic项为相对力。

全力：指包括动态力和静态力；动态力：系统动态改变的力，相对于某一时间而言；稳态时，动态力为0，动态力方向沿流速方向。

§5 库文件的创建与使用
Libraries设置是Pipenet应用过程中较为繁琐的一个步骤，通过调用其他模型的库文件，能够大大简化这一过程。

打开PIPENET后，不做建模，直接在Libraries中设置所需的元件参数，然后保存就可得，单纯的库文件*.slf。

调用已有的库有两种方式，File菜单下的Open library和Import library，Open library打开其他的库文件，导入的库类似于默认的本地库不可本地修改，但可以随着原库文件的修改实时更新，Import library 导入其他的库文件，导入的库能类似于自建的本地库内容，可以本地修改，也不能随原库文件的修改实时更新。

§6问题探讨（2009.5）
（1）计算数据输入输出问题，提供数据输出，需要计算前设置需要输出的表单。

练习关于包络线以及压力随时间变化线的做法，输出数据转化为EXCEL文件的技巧，等。

（2）考虑软件中如何实现以下功能:
●考虑有回流情况的建模
●全特性线正确输入问题、阀的开度和阻力系数或流量系数关系
（3）建议软件开发功能：
●堰流边界、调压塔边界、连续空管的充满过程；渠流的计算；
●阀的关闭阶段性不同阻力系数的处理；
●关于软件的优化功能的智能化：两阶段操作阀关阀程序的优化。

●进、排气阀增加时间控制方式。