CADmaster

Уважаемые пользователи программ «Гидросистема» и «Поток-1Ф»! Возможно, читая в журнале CADmaster статьи о таких новых программах НТП «Трубопровод», как «Изоляция» и «Пассат», о быстро развивающемся семействе СТАРТ, программах СТАРС и «Предклапан», вы могли подумать: «А как же мы? Когда же „Трубопровод“ вспомнит о нас, одном из самых больших сообществ пользователей его программ? Неужели он потерял интерес к гидравлическим расчетам?»

Нет ничего дальше от истины! Все это время мы активно работали и продолжаем работать над новым поколением программ гидравлических расчетов. Пришло время приподнять завесу тайны над нашими планами, поделиться с вами тем, каким мы видим дальнейший путь развития наших программ, услышать ваши пожелания и предложения. А чтобы лучше понять будущее, предварим наш рассказ небольшим экскурсом в прошлое.

Гидравлика трубопроводов — древняя и молодая наука

Гидравлический расчет трубопроводов — одна из старейших инженерных задач в истории человечества. С появления примерно три с половиной тысячи лет назад первых водопроводов и до наших дней с этой задачей обязательно сталкивается любой проектировщик трубопроводов. Казалось бы, в этой области всё уже должно быть изучено вдоль и поперек, где тут место научным открытиям и новым разработкам. Как глубоко заблуждаются те, кто так думает!

Научные основы гидравлических расчетов были заложены только в XVIII—XIX вв.еках, вместе со становлением механики жидкости и газа, и неразрывно связаны с именами основоположников современной механики — Даниила Бернулли (уравнение Бернулли для течения жидкости), Жана Луи Мари Пуазейля (закон ламинарного течения Гагена-Пуазейля), Осборна Рейнольдса (число Рейнольдса, определяющее режим течения) и многих других. С открытием закона квадратичного турбулентного течения (уравнения Дарси-Вейсбаха) задача гидравлического расчета трубопроводов обретает точную математическую формулировку.

Уравнения, описывающие даже простейший случай однофазного установившегося изотермического течения в разветвленном трубопроводе, существенно нелинейны, и задача их эффективного решения далеко не тривиальна. Первый эффективный инженерный метод их решения — метод поконтурной увязки Лобачева-Кросса (в западной литературе называемый просто методом Харди Кросса) — был предложен в 30-х годах прошлого века и до сих пор широко используется в ручных инженерных расчетах.

Разнообразие и сложность задач, возникающих в области гидравлического расчета и оптимального выбора параметров трубопроводных систем, являются своеобразным вызовом работающим в этой области специалистам. Исследования и разработки в этой области продолжают развиваться по нарастающей в таких направлениях, как:

• накопление опытных данных и математическое описание по гидравлическим сопротивлениям при различных режимах течения;
• совместный тепловой и гидравлический расчет;
• расчет многофазных течений;
• течение неньютоновских жидкостей;
• расчет переходных процессов и гидроударов в трубопроводных системах;
• решение задач оптимизации параметров трубопроводов при проектировании;
• моделирование, расчет и управление трубопроводами в реальном времени

и многих других.

Надо сказать, что отечественные ученые и инженеры всегда были на передовом рубеже этой работы — начиная от выдающегося российского инженера В.Г. Шухова, заложившего основы гидравлического расчета нефтепроводов и предложившего известную формулу падения температуры продукта в трубопроводе (формула Шухова). Среди наших соотечественников — основоположники теории гидравлических цепей В.Я. Хасилев и А.П. Меренков, создавшие научные основы применения ЭВМ для гидравлических расчетов трубопроводов; И.Е. Идельчик, составивший и опубликовавший мировой бестселлер — до сих пор непревзойденный по качеству и охвату справочник гидравлических сопротивлений. Традиции отечественной научной школы не прерываются, и многие разработчики НТП «Трубопровод»" имеют честь быть учениками М.Г. Сухарева — одного из ведущих российских специалистов в области математического и компьютерного моделирования трубопроводных систем нефти и газа.

С появлением ЭВМ стали возможны гидравлические расчеты и решение задач оптимизации очень больших трубопроводных систем масштаба предприятий, населенных пунктов и даже целых регионов и стран, для чего понадобились намного более эффективные методы решения. Были разработаны значительно усовершенствованные модификации и комбинации традиционных методов гидравлических расчетов, ориентированных на ручные расчеты. Важным и совсем недавним прорывом в этом направлении стали работы одного из ведущих современных специалистов в области гидравлики и гидрологии Эзио Тодини ¹ - в частности, изобретение им в 1988 году так называемого «градиентного» алгоритма (Global Gradient Algorithm — GGA). Данный алгоритм, сочетающий быструю сходимость метода контурных расходов с простотой метода узловых давлений, уже нашел широкое применение в расчетах водопроводных и других инженерных наружных сетей.

Среди самых многообещающих и удивительных направлений, возникших в области гидравлических расчетов трубопроводов за последние десять лет, — применение так называемых «генетических алгоритмо" ², моделирующих процесс эволюции, мутаций и естественного отбора для решения задач калибровки моделей реальных трубопроводов и оптимизации параметров (выбора диаметров) трубопроводных систем ³.

Из истории программы «Гидросистема»

В области создания коммерческих инженерных программ и систем САПР почти не бывает быстрых успехов. Чтобы получить известность и уважение на этом рынке, нужна многолетняя и планомерная работа по совершенствованию, внедрению и поддержке программы. Это в полной мере относится и к программам гидравлических расчетов трубопроводов.

Все по-настоящему известные коммерческие программы в этой области (как отечественные, так и западные) имеют многолетнюю историю, истоки которой относятся к 70-м, а то и более ранним годам прошлого века. Не является исключением и программа гидравлического расчета НТП «Трубопровод».

Коллектив «Трубопровода» (в то время лаборатории трубопроводных систем института ВНИПИнефть) занялся программами гидравлических расчетов сразу как только началось внедрение ЭВМ в проектных институтах — считая их одной из основ проектирования трубопроводов. В конце 70-х были составлены первые методики и разработаны программы гидравлического и теплового расчета для «Минска-32», а затем и для ЕС ЭВМ. Эти программы предназначались прежде всего для проектных нужд ВНИПИнефти и были ориентированы на расчет технологических трубопроводов нефтепереработки и нефтехимии.

Особенности технологических трубопроводов состоят в том, что они, как правило, не содержат колец (имеют древовидную структуру), но имеют много местных сопротивлений (поворотов, арматуры) и могут транспортировать продукты, самые разнообразные по свойствам и составу. Именно эти особенности определили преимущества и ограничения, заложенные в основу решений «Трубопровода».

Программы «Трубопровода» изначально базируются не на упрощенных (разработанных для ручного расчета), а на достаточно точных методиках расчета гидравлических потерь. Методики в свою очередь основаны на самых современных разработках, созданных ведущими специалистами коллектива «Трубопровода». Программы автоматически определяют режим течения и вычисляют гидравлические потери на трение и на местных сопротивлениях, при этом в них включена значительная часть справочника Е.И. Идельчика. Методики расчета гидравлического сопротивления трения прошли экспертизу и одобрены Е.И. Идельчиком — ведущим отечественным экспертом в этой области. Опыт многолетней успешной эксплуатации программ полностью подтвердил практическую применимость заложенных методик.

Вместе с программами гидравлического расчета в начале 80-х годов была разработана и библиотека расчета теплофизических свойств продуктов по составу, с банком данных для порядка 200 индивидуальных компонент, которая была включена в состав программ. Таким образом, при необходимости программы сами выполняли пересчет плотности, вязкости, теплоемкости и других теплофизических свойств транспортируемых продуктов по их составу в различных точках трубопровода.

К моменту появления персональных компьютеров (конец 80-х — начало 90-х годов) в лаборатории трубопроводных систем уже имелось целое семейство программ для выбора диаметров, гидравлического и теплового расчета технологических трубопроводов жидкости и газа, а также расчета и выбора насосов, причем все эти программы прошли успешную эксплуатацию во ВНИПИнефти и родственных организациях. Программы были перенесены на ПЭВМ, приобрели коммерческий вид (диалоговый пользовательский интерфейс под DOS, подробную пользовательскую документацию) и начали активно распространяться. Одновременно были разработаны коммерческие программы расчета газоходов и выбора дымососов и вентиляторов, расчета и выбора регулирующих и предохранительных клапанов. Для собственных расчетных исследований созданы экспериментальные программы расчета двухфазных газожидкостных потоков («Поток-2Ф») и расчета трансферных ⁴ трубопроводов («Трансфер») ⁵. Кроме того, в сотрудничестве с НИИ Тепловых процессов были разработаны программы расчета динамических (переходных) процессов в трубопроводах.

Таким образом, к началу XXI века коллектив «Трубопровода» подошел с богатым многолетним опытом разработки программ технологических расчетов трубопроводов и практического решения соответствующих разнообразных инженерных задач.

В 2001 году начался процесс перевода программ под Windows и расширения круга их пользователей. В начале 2001-го вышла новая версия 2.0 основной программы «Гидросистема» для выбора диаметров и гидравлического расчета трубопроводов, а в 2002 году — аналогичные версии программ теплового и гидравлического расчета «Поток-1Ф», расчета и выбора предохранительных клапанов «Предклапан». Вместе с современным Windows-интерфейсом программы обрели мощный и настраиваемый пользователем генератор выходных документов, систему онлайновой помощи и другие атрибуты современных коммерческих Windows-программ. Кроме того, в 2002 году в них были включены два важных дополнения:

• разработанная в НТП «Трубопровод» библиотека расчета теплофизических свойств и фазовых равновесий, позволяющая рассчитывать смеси нефтяных фракций и индивидуальных веществ на основе данных Киевского термодинамического центра по 1500 индивидуальным веществам;
• разработанный в МЭИ модуль WaterSteamPro для точного расчета свойств воды и водяного пара по международной формуляции IAPWS IF-97.

За четыре года пользователями программ версии 2.х стали около ста отечественных и зарубежных компаний. Коллектив разработчиков технологических программ НТП «Трубопровод» выпустил множество обновлений этих программ, вносящих отдельные улучшения и исправляющих замеченные ошибки. Однако в 2003–2004 годах основные силы были сосредоточены на создании новой программы расчета и проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов («Изоляция»), выпуска которой с таким нетерпением ожидали наши пользователи. Теперь настало время для нового поколения программ гидравлических расчетов.

Сохранить и приумножить!

Так можно сформулировать девиз «Трубопровода» при разработке и внедрении программы гидравлических расчетов нового поколения — надежной современной универсальной системы массового применения и умеренной стоимости. Что же именно мы хотим сохранить и что приумножить?

Необходимо сохранить те достоинства программы, которые заложены в нее с момента создания и развиты при последующем совершенствовании:

• положенная в основание программы точная, современная и проверенная расчетная модель, включающая детальный анализ режимов течения и местных сопротивлений;
• высокая скорость счета, позволяющая пользователю мгновенно просчитывать различные варианты расчетной схемы;
• заложенные в программу возможности проектного расчета (выбор диаметров);
• возможность автоматического расчета необходимых теплофизических свойств широкого круга транспортируемых продуктов;
• простота интуитивно понятного пользовательского интерфейса;
• достаточная универсальность программы, позволяющая использовать ее не только для технологических, но и для других видов трубопроводов;
• умеренная стоимость программы, которая по силам широкому кругу проектных организаций и подразделений.

При этом мы намерены радикально приумножить возможности программы и количество постоянных пользователей, устранив недостатки и пополнив ее функциональность по следующим основным направлениям:

• Программная и функциональная интеграция во всех ее аспектах:
  • от набора специализированных и слабо интегрированных между собой программ следует перейти к единой, модульной структуры программе гидравлических расчетов, обеспечивающей тепловой расчет, учет обогревающих спутников и электрообогрева, расчет труб произвольного сечения (в том числе газоходов), расчет и выбор насосов, другого оборудования, расчет и выбор регулирующих устройств;
  • обеспечение программной интеграции (включая передачу данных) с другими программами НТП «Трубопровод», в первую очередь с программами «Изоляция», «Предклапан», СТАРС;
  • интеграция с различными графическими САПР, в первую очередь предназначенными для проектирования технологических установок, а также подземных трубопроводов;
  • интеграция с другими системами технологического расчета (в первую очередь с системами моделирования технологических процессов HYSYS, PRO/II и аналогичных) с использованием международного стандарта CAPE OPEN (поддержка протоколов Thermo и Unit) ⁶.
• Повышение удобства пользовательского интерфейса. В частности:
  • обеспечение графического ввода и редактирования расчетной схемы;
  • графическое представление результатов расчета (включая пьезометр).
• Расширение функций программы и ее применимости для расчета различных видов трубопроводов. В том числе:
  • обеспечение расчета трубопроводов произвольной топологии (включая кольцевые системы), что позволит применять программу для расчета наружных инженерных сетей;
  • обеспечение возможности задавать и учитывать при расчете изменяющиеся по ходу протяженного трубопровода окружающие условия (грунт и параметры заложения, тепловая изоляция и др.), что позволит шире использовать программу для расчета магистральных трубопроводов;
  • реализация в программе рекомендованных отраслевых нормативов и методик гидравлического расчета газопроводов (СП 42−101−2003), тепловых сетей (СНиП 41−02−2003), магистральных нефтепроводов (РД 153−39.4−113−01), нефтепромысловых трубопроводов (РД 39−132−94) и др.
  • расчет многофазных потоков, что важно для трубопроводов обвязки нефтяных и газовых месторождений.
• Расширение проектных функций программы, решение на ее основе задач оптимизации параметров сложных трубопроводных систем и оптимального выбора оборудования.

Там, за поворотом…

«И когда же это планов громадьё будет реализовано? — наверняка уже подумали недоверчивые пользователи. — Лет через десять?» А вот и нет!

Работа над проектом «Гидросистема 2005» уже идет, и мы намерены поэтапно реализовать эти планы в течение 2005−2006 года, выпуская не реже чем раз в полгода новое большое обновление программы гидравлического расчета. Пользователи, оплатившие годовую поддержку, должны видеть, на что идут их денежки!

Ближайшее обновление — версию 2.5, — надеемся, многие из вас уже подержали в руках. В этом обновлении вас ждет:

• Объединение программ «Гидросистема» и «Поток-1Ф» в единую многомодульную программу «Гидросистема» (рис. 1)! Отныне — никаких повторных вводов данных, все данные хранятся в едином формате, для проведения дополнительного теплового расчета достаточно ввести лишь дополнительные недостающие данные по изоляционной конструкции и окружающей среде. Обеспечен импорт данных из файлов программы «Поток-1Ф» и предыдущих версий «Гидросистемы». Пользователи сами смогут решить, покупать ли лицензию на модуль изотермического расчета, теплового расчета или на оба модуля. Пользователи «Поток-1Ф» с оплаченной поддержкой смогут бесплатно поменять его на модуль теплового расчета «Гидросистемы».

Рис. 1

• Общие информационные ресурсы с программой «Изоляция». В модуль теплового расчета версии 2.5 включена новейшая база данных материалов теплоизоляционных конструкций, а также базы данных грунтов, материалов трубопроводов, нормативных параметров, модуль строительной климатологии. Включен и редактор базы данных материалов изоляции (рис. 2). Пользователи «Изоляции» смогут вносить изменения в БД материалов одновременно для обеих программ. Кроме того, «Изоляция» и модуль теплового расчета «Гидросистемы» теперь используют единое расчетное ядро для расчета термических сопротивлений и тепловых потоков. В дальнейшем это позволит добавить в «Гидросистему» функции автоматического подбора толщин изоляции для трубопроводов.

Рис. 2

• Усовершенствования для теплового расчета магистральных трубопроводов. Теперь можно описать и учесть при расчете изменение расположения, параметров окружающей среды, грунта и теплоизоляционной конструкции вдоль трубопровода. Расчетная схема может включать участки наземной и подземной прокладки, учитывать изменения глубины заложения и т.д.
• Полезным дополнением к предыдущему усовершенствованию должна стать возможность задавать перепад высот для прямых участков и других элементов трубопровода (рис. 3), что особенно удобно при вводе данных о подземном трубопроводе с его профиля. При этом также сохраняется возможность задания перепада высот отдельным элементом расчетной схемы.

Рис. 3

• Возможность задания продукта таблицей теплофизических свойств от температуры (рис. 4−6), которую теперь можно использовать как для теплового, так и изотермического расчета — причем и для жидкого, и для газообразного продукта (в последнем случае он рассчитывается как идеальный газ).

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

• Усовершенствованный пользовательский интерфейс на основе библиотеки профессионального Windows-интерфейса Prof-UIS ⁷. Плавающие и прикрепляемые меню пиктограмм с выпадающими подменю, панели и закладки позволяют пользователю настраивать интерфейс на свой вкус так, как ему удобно для работы. Можно, например, синхронно просматривать списки исходных данных и результатов расчета по ветвям или участкам (рис. 7). Особо хочется отметить новое окно протокола расчета, диагностические сообщения в котором синхронизированы с другими окнами интерфейса и тем самым позволяют сразу перейти к элементу расчетной схемы, вызвавшему проблемы.

Рис. 7

• Экспорт результатов в файлы формата CSV для построения пьезометрических графиков в MS Excel (рис. 8).

Рис. 8

• Улучшенные формы отчетов, полностью включающие все исходные данные и результаты расчета, а также оформленные в соответствии со стандартами СПДС (с возможностью компактного вывода в формате PDF).
• Возможность работы с сетевым ключом защиты от копирования.

Одновременно с выпуском версии 2.5 полным ходом идет работа над версией 2.7, выпуск которой намечается на осень этого года. В этой версии пользователей ждет как минимум два важнейших усовершенствования:

• обновление расчетного ядра модуля изотермического расчета, который сможет теперь решать задачи поверочного расчета и расчета пропускной способности (потокораспределения) для трубопроводов произвольной конфигурации (включая кольца). Алгоритм нового ядра основан на «градиентном» алгоритме Тодини, о котором мы говорили выше. Насколько нам известно, это первая реализация данного алгоритма в российской коммерческой программе гидравлического расчета;
• возможность графического ввода и редактирования расчетной схемы.

В версии 3.0 (выход которой ожидается в начале 2006 года) планируется реализовать тепловой расчет трубопроводов произвольной конфигурации, уточнить расчетные модели насосов и других видов аппаратов, улучшить интеграцию с программой «Изоляция» в части расчета изоляционных конструкций трубопроводов, обеспечить усовершенствованное графическое представление расчетной схемы и результатов расчета. Эта версия призвана стать основой для последующих улучшений, дополнительных расчетных модулей и интерфейсов с другими программами, которые должны увидеть свет в 2006 году.

Таковы наши планы по разработке нового поколения программы «Гидросистема». Но окончательные приоритеты в этих планах зависят от вас, уважаемые пользователи! Ждем ваших писем с отзывами и предложениями по адресу hst@truboprovod.ru.

Скачать статью в формате PDF — 187.9 Кбайт