На страницах журнала CADmaster мы не раз рассказывали о проекте «Гидросистема-2005», предусматривавшем глубокую модернизацию программы тепловых и гидравлических расчетов трубопроводов 1. В 2009 году все основные цели этого проекта были достигнуты и «Гидросистема» вступила в новый этап своего развития. Наша статья посвящена текущему состоянию программы и ее дальнейшим перспективам.

Гидросистема 3.0 — надежная основа дальнейшего развития

С выпуском в январе 2009 года версии 3.0 завершилась огромная работа по переработке программы «Гидросистема» на современной технологической и научной основе. Фактически программа была переписана с нуля, при этом удалось в полной мере реализовать сформулированный в 2005 году принцип «Сохранить и приумножить!». Ни одна пользовательская функция не была утрачена, программа обрела современный пользовательский интерфейс с многовариантным графическим представлением расчетной схемы, возможность теплового и гидравлического расчета трубопроводов любой сложности с кольцами и рециклами, модуль вывода пьезометрических графиков. «Гидросистема» научилась самостоятельно определять направления потоков по ветвям и учитывать их перекрытие запорной арматурой, учитывать характеристики насосов и пересчитывать их с учетом вязкости продуктов. Сделаны первые шаги в интеграции программы и автоматизации обмена данными с другими популярными программами НТП «Трубопровод», такими как СТАРТ и «Изоляция».

В версии 3.0 к этим усовершенствованиям добавился ряд новых возможностей.

Модернизированный модуль выбора диаметров теперь обеспечивает их подбор для трубопроводов произвольной конфигурации (в том числе с кольцами и рециклами) по давлениям в источниках и потребителях и заданному пользователем предпочтительному распределению расходов по ветвям. Охвачен и случай, когда диаметры части ветвей заданы, характерный для задач реконструкции трубопроводных систем. Таким образом, теперь все виды расчетов, предусмотренные в программе (расчет изотермического течения, совместный тепловой и гидравлический расчет, выбор диаметров), могут быть выполнены для трубопроводов произвольной сложности и конфигурации.

Реализован также расчет трубопроводов с регуляторами расхода (регулирующими клапанами). Программа рассчитывает требуемую пропускную способность регулятора Kv, обеспечивающую в месте его установки заданный пользователем расход. В новой версии возможно и задание арматуры коэффициентом пропускной способности Kv, который часто известен для импортной арматуры.

Одно из важнейших новшеств версии 3.0 — дополнительный режим ввода и отображения расчетной схемы с возможной привязкой к фоновому растровому изображению, например, к карте населенного пункта или плану завода (рис. 1). При этом программа сможет самостоятельно определять длины участков в соответствии с масштабом карты. Новый режим ввода позволяет вручную перемещать узлы расчетной схемы, придавая ей тот вид, который представляется пользователю наиболее наглядным. Эта функция особенно полезна при проведении расчетов тепловых, газораспределительных и других наружных инженерных сетей. Полученную схему можно затем просматривать и редактировать уже в привычном изометрическом виде.

Рис. 1. Отображение расчетной модели трубопровода на растровом плане
Рис. 1. Отображение расчетной модели трубопровода на растровом плане

Результаты расчета трубопровода теперь можно будет увидеть на расчетной схеме в виде цветового выделения, наглядно показывающего как ответственные за наибольшие гидравлические потери элементы, так и распределение расходов и температур в трубопроводе.

Новый модуль «Экспорт в DXF» обеспечивает вывод расчетной схемы в формате DXF с возможностью дальнейшей работы с ней в AutoCAD и любых других графических системах, поддерживающих импорт формата DXF. При этом расчетная схема выводится строго в масштабе и в 3D, а каждый ее элемент — как отдельный блок, что существенно упрощает дальнейшую работу со схемой.

Усовершенствована и работа с модулем «Пьезометр». Добавлена возможность задания точного пути для построения пьезометрического графика для схем, содержащих кольца, а также задания абсолютных высот узлов с пересчетом высот остальных узлов.

После выхода версии 3.0 на ее основе развернулась работа над новыми значительными усовершенствованиями программы, призванными существенно расширить область ее применимости и степень интеграции с другими программами, а также сделать работу с ней более удобной.

Как это часто бывает, задумки разработчиков и многочисленные пожелания заказчиков иногда обгоняют реально имеющиеся ресурсы. Но благодаря росту продаж программы, увеличению числа ее активных пользователей, ресурсы и возможности команды разработчиков постепенно растут.

Пришло время поделиться нашими планами с вами, уважаемые пользователи, чтобы уточнить (а, возможно, в чем-то и скорректировать) их в соответствии с вашими советами и рекомендациями.

Расширение расчетных возможностей

В ближайших версиях программы планируется сосредоточить усилия на следующих наиболее важных расчетных задачах:

  • расчет многофазных потоков;
  • расчет течения сжимаемых продуктов с высокими скоростями (включая расчет критического течения в элементах трубопровода);
  • расчет систем отвода дымовых газов.

Каждая из перечисленных задач сама по себе является весьма сложной и включает целый ряд отдельных подзадач. Поэтому решать их планируется «методом последовательных приближений», с каждой очередной версией постепенно расширяя доступный пользователям функционал.

На пути к расчету многофазных течений

Расчет многофазных течений — один из самых сложных и быстроразвивающихся разделов гидравлики трубопроводов. Необходимость теплового и гидравлического расчета трубопроводов, транспортирующих многофазные продукты, возникает для самых разнообразных отраслей и видов трубопроводов: технологических (например, так называемых «трансферных» трубопроводов от печей к ректификационным колоннам), трубопроводов систем аварийного сброса, трубопроводов обвязки нефтегазовых месторождений, систем обогрева и охлаждения оборудования и трубопроводов… Многообразие проблем и методов их решения, предложенных теоретических и эмпирических корреляций в этой области таково, что их изучению и усовершенствованию многие исследователи посвящают всю свою жизнь. Расчет различных случаев многофазных течений в трубопроводах реализован в таких пользующихся заслуженным авторитетом (и стоящих десятки тысяч долларов за одну копию) программах, как OLGA (SPT GROUP), PIPESIM (Schlumberger), PIPEPHASE (Invesys SimSci-ESSCOR), ГазОйлТранс (Термогаз).

Своей целью в этой области мы видим не конкуренцию с мощными возможностями программ данного класса (что заведомо нереалистично), а разработку на современных научных основах модуля расчета многофазных потоков, доступного по уровню цены широкому кругу заинтересованных инженеров-технологов и в то же время в достаточной для инженерной практики мере решающему наиболее часто встречающиеся задачи многофазного течения.

Рис. 2. Диаграмма режимов течения
Рис. 2. Диаграмма режимов течения

Уже в ближайшую версию программы, выход которой ожидается летом 2010 года, планируется включить возможности теплового и гидравлического расчета так называемого «замороженного" 2 двухфазного газо-жидкостного течения в неразветвленных трубопроводах. Несмотря на указанные функциональные ограничения, пользователю этой версии будет доступен большой набор как проверенных временем, так и современных методов расчета.

Режим двухфазного течения в любой точке трубопровода будет определяться и наглядно показываться (рис. 2) на основе современных так называемых «механистических» моделей двухфазного течения Taitel-Dukler, Barnea и Petalas-Aziz. Расчет гидравлических и тепловых потерь будет основываться на моделях равновесного однородного течения и равновесного раздельного течения. Для расчета истинного объемного газосодержания (и, соответственно, гидростатического перепада давления) предусмотрен широкий набор популярных эмпирических корреляций (Zivi, Fauske, Thome, Baroczy, Wallis, Lockhart & Martinelli, Chisholm, Smith, Premoli), а также корреляций на основе модели потока дрейфа (различные варианты корреляций Rouhani, Dix, Goda-Hibiki-Kim-Ishii-Uhle). Потери давления на трение могут быть рассчитаны как исходя из модели однородного течения (на основе методов Beattie — Whalley или Shannak), так и с использованием различных разновидностей метода двухфазных мультипликаторов (Lockhart & Martinelli, Chisholm, Friedel, Muller-Steinhagen & Heck). Потери на местных гидравлических сопротивлениях также могут рассчитываться как по модели однородного течения, так и по специализированным разновидностям метода двухфазных мультипликаторов (Chisholm, Simpson, Morris).

Решая, когда, при каких условиях и какие методы расчета применять, пользователь сможет задействовать поставляемые с программой правила выбора или создавать, сохранять и применять свои собственные. Для этого в программе используются простые и легко редактируемые XML-файлы, которыми пользователи и разработчики смогут без всяких затруднений обмениваться для более тонкой настройки возможностей программы под специфику решаемой задачи.

До конца 2010 года планируется также реализовать расчет двухфазного газо-жидкостного течения в условиях массообмена между фазами (то есть с учетом процессов кипения и конденсации).

Другие планы совершенствования расчетов многофазного потока в «Гидросистеме» предусматривают работу по постепенной реализации в программе следующих возможностей:

  • расчет двухфазных газожидкостных потоков с интенсивным теплообменом с окружающей средой, что в итоге позволит реализовать расчет систем подогрева и охлаждения аппаратов и трубопроводов (включая совместный расчет трубопроводов и обогревающих спутников);
  • расчет трубопроводов обвязки нефтегазовых месторождений, транспортирующих двухфазные (нефть-вода, нефть-газ) и трехфазные (газ-нефть-вода) продукты, на основе универсальных и специализированных методик;
  • расчет многофазных потоков для трубопроводов произвольной конфигурации (разветвленных, с кольцами и рециклами), включая учет слияния и сепарации в тройниках;
  • реализация в программе новейших методов расчета многофазных потоков, учитывающих специфику и гидродинамические модели различных режимов течения.

Этапы и приоритеты реализации перечисленных возможностей будут определяться с учетом пожеланий пользователей.

Расчет критического течения

В настоящее время расчет течения газообразных продуктов в программе «Гидросистема» не охватывает случай критических и околокритических течений (с числом Маха, равным 1 или близким к нему). Программа лишь проводит диагностику возможности возникновения такого рода течения (по величине числа Маха и/или величине относительного перепада давления на отдельных сопротивлениях) и предупреждает пользователя о вероятной в этом случае неточности расчета. Такой подход был оправдан, поскольку программа в основном предназначалась для тех типов трубопроводов, где возникновение критического течения нехарактерно.

Однако с реализацией в программе расчета газожидкостных течений, для которых, как известно, возникновение критических течений намного более вероятно, возникает и необходимость более корректного расчета трубопроводов с такими течениями. Это важно и в связи с планами более тесной интеграции программ «Гидросистема» и «Предклапан», поскольку в отводящих трубопроводах систем аварийного сброса возникновение критического течения не редкость, а скорее типичная ситуация. Кроме того, реализация данного расчета позволит улучшить диагностику возникновения критических течений и в других видах трубопроводов (в том числе благодаря устранению некорректности исходных данных).

Реализация расчета критического течения предполагает решение целого ряда задач. В частности, к двум уже имеющимся в программе типам расчетов (теплогидравлическому и расчету изотермического течения) планируется добавить расчет адиабатического течения (то есть течения, для которого теплообменом с окружающей средой можно пренебречь, что справедливо для относительно коротких трубопроводов с высокими скоростями продукта). Предполагается реализация в программе расчетной модели течения Fanno 3 и ее обобщений для неидеальных газов и двухфазных продуктов. Расчетные модели потерь на местных сопротивлениях планируется расширить в область критических и околокритических течений, в том числе на основе современных стандартов 4 и последних литературных данных. В перспективе предполагается также изучить возможность учета термодинамической неравновесности при расчете критических истечений газожидкостных потоков с массообменом.

Расчет систем отвода дымовых газов

Следуя принципу «все новое — это хорошо забытое старое», в этой области мы планируем воссоздать функциональные возможности нашей старой ДОСовской программы «Газоход» — на новой основе и в рамках «Гидросистемы». Планируется включить в программу расчет гидравлических и тепловых потерь в трубах и деталях прямоугольного сечения, расчет и учет самотяги дымовой трубы, возможность задания и учета характеристик дымососов и вентиляторов.

Разумеется, наши планы в области расчетных возможностей программы не исчерпываются представленными здесь направлениями и включают многие усовершенствования, подсказанные практическими нуждами наших пользователей. В их числе возможность ввода и учета в расчетной модели заданных характеристик центробежных компрессоров, теплообменного оборудования; учет и подбор параметров разнообразных типов регулирующих устройств; расчет гидравлического удара и др.

Больше продуктов — хороших и разных!

Радикальное расширение расчетных возможностей «Гидросистемы» (особенно в части расчета многофазных течений), разумеется, невозможно без значительного совершенствования заложенных в программу возможностей автоматического расчета теплофизических свойств и фазовых равновесий (ТФС и ФР) транспортируемых продуктов. И соответствующая работа нами ведется, причем сразу в нескольких направлениях.

Мы продолжаем работу по развитию библиотеки СТАРС. В 2009 — начале 2010 года библиотека дополнена расчетом энтропии продуктов и расчетом процесса изоэнтропного расширения (в том числе для двухфазных смесей), уточнен расчет процесса дросселирования при постоянной энтальпии. Взамен метода UOP для расчета углеводородов реализован более современный метод Maxwell-Bonnell. Эти и другие улучшения войдут как в новые версии программ «Гидросистема» и «Предклапан», так и в новую версию 2.25 самостоятельной программы СТАРС, выход которой запланирован на лето 2010 года.

Одновременно ведется работа по дальнейшему усовершенствованию расчетов в СТАРС нефтей и нефтепродуктов — как на основе общепризнанных международных методик (например, Американского Нефтяного Института), так и на основе методов расчета, предложенных коллективом профессора Б.А. Григорьева исходя из результатов многолетнего экспериментального изучения нефтей российских месторождений. Планируется также дополнить СТАРС расчетом ТФС мазутов.

В новые версии программ «Гидросистема», «Предклапан» и «Изоляция» войдет также новая версия 6.5 библиотеки расчета воды и водяного пара WaterSteamPro. Новая версия поддерживает расчет ТФС при высоких давлениях и температурах, использует новую более точную методику расчета вязкости и включает многие другие усовершенствования 5.

В области расчета ТФС и ФР продуктов у нас есть еще один большой и приятный сюрприз для наших пользователей. Недавно НТП «Трубопровод» заключило дистрибьюторское соглашение с известной французской фирмой ProSim и готовится предложить своим пользователям (в дополнение к собственным программным продуктам) систему расчета ТФС и ФР Simulis Thermodynamics 6. По своему назначению и структуре этот продукт схож с программой СТАРС, но охватывает категории продуктов, расчет которых по СТАРС невозможен или затруднителен.

Simulis Thermodynamics реализует существенно более широкий круг уравнений состояния и моделей фазового равновесия (уравнения состояния Редлиха-Квонга-Соаве (SRK), Пенга-Робинсона (PR) и др. в различных их современных модификациях; различные варианты моделей фазового равновесия Wilson, NRTL, UNIQUAC, UNIFAC и др., использующие как опытные значения коэффициентов активности, так и их расчет программой по структурным группам химических формул взаимодействующих веществ. Благодаря этому возможно решение, в частности, таких задач как:

  • расчет неидеального ФР смеси углеводородов с водой и полярными газами в широком диапазоне давлений и температур;
  • расчет ФР многофазных смесей жидкость-жидкость (например, нефтепродукты с водой) и газ-жидкость-жидкость, характерных для нефтегазодобычи;
  • расчет ТФС и ФР водных, спиртовых и других растворов (в том числе с учетом растворенных газов и соединений металлов — так называемые электролиты), а также растворов сильных кислот, характерных для химической отрасли.

Программы «Гидросистема», «Предклапан» и «Изоляция» будут интегрированы с Simulis Thermodynamics (работа по интеграции уже ведется). Лицензия Simulis Thermodynamics позволит покупателям получить доступ к соответствующим функциям расчета ТФС и ФР как из наших программ, так и непосредственно из программной оболочки данной библиотеки, а также из MS Excel, Matlab и собственных программ покупателя.

Наряду с перечисленными выше библиотеками НТП «Трубопровод» прорабатывает с учетом пожеланий пользователей возможность разработки и/или подключения к программе специализированных библиотек для тех или иных категорий продуктов. Так, изучается вопрос расчета алюминатных (байеровских) растворов (используемых при производстве алюминия), а также расчета ТФС и ФР природных газов на основе уравнения состояния GERG-2004.

Пользовательский интерфейс — удобнее и нагляднее

Параллельно с совершенствованием расчетного ядра программы ведется работа над модификацией пользовательского интерфейса, который предоставит удобный доступ ко всем новым расчетным возможностям.

Рис. 3. Показ гидравлических потерь на расчетной схеме в «твердотельном» представлении
Рис. 3. Показ гидравлических потерь на расчетной схеме в «твердотельном» представлении

Согласно пожеланиям пользователей, в ближайшей версии программы планируется реализовать ряд усовершенствований пользовательского интерфейса, таких как «твердотельное» представление элементов графической схемы в стиле программы СТАРТ при задании исходных данных и отображении результатов расчета (рис. 3), а также новые опции графического редактирования (в частности, удаление «лишних узлов» и смена направления ветви).

Планируется обновление системы генерации отчетов — с переходом на последнюю версию генератора отчетов List & Label и использованием ее новых возможностей.

По пути интеграции

Большое значение при развитии программы мы придаем возможностям ее совместной работы с другими программными продуктами САПР и современными компьютерными и программными системами.

В части взаимодействия с другими программами НТП «Трубопровод» основное внимание в 2010 году планируется уделить более глубокой интеграции программ «Гидросистема» и «Предклапан». Расчетное ядро и графический интерфейс «Гидросистемы» будут использованы в новых версиях программы «Предклапан» при расчете подводящих и отводящих (в том числе разветвленных) трубопроводов. Дальнейшее развитие программ «Гидросистема» и «Предклапан» будет синхронизировано.

В наших планах также и другие значительные усовершенствования программы «Предклапан» на основе новых отечественных и зарубежных нормативно-методических документов по проектированию систем аварийного сброса, в подготовке которых специалисты НТП «Трубопровод» принимают сейчас активное участие. Подробностям этой работы мы предполагаем посвятить отдельную статью.

Планируется также разработка прямых интерфейсов обмена данными с ведущими программными решениями для графического проектирования: системами 3D-проектирования технологических установок (через формат PCF), AutoCAD P&ID, российской системой Model Studio CS Трубопроводы. Изучаются возможности и перспективы поддержки в программе все более популярных стандартов CAPE OPEN и ISO 15926.

И наконец, о поддержке современных операционных систем и компьютеров. Программа «Гидросистема» (как и все наши программы) в ближайшее время будет сертифицирована для использования в среде 32-разрядной Windows 7. В 2010 году планируется обеспечить и полную поддержку программой работы в 64-разрядной версии Windows 7, с использованием преимуществ 64-разрядной архитектуры. Мы будем также двигаться в сторону более активного использования программой многопоточности и преимуществ многопроцессорной архитектуры.

Дорогие пользователи! Мы прекрасно понимаем, что претворить представленные планы в жизнь невозможно без самого активного и тесного сотрудничества с вами. Именно благодаря такому взаимодействию были быстро исправлены многие ошибки и неточности в программе, внесен ряд важных усовершенствований. Мы благодарны за сотрудничество всем нашим активным пользователям, а особую благодарность хотели бы выразить сотруднику ЗАО Фирма «ТЭПИНЖЕНИРИНГ» Александру Николаевичу Медведицкову, наблюдательность и конструктивная критика которого значительно способствовали улучшению программы.

Надеемся, что на новом этапе развития «Гидросистемы» наше взаимодействие с пользователями станет еще более активным и плодотворным. Будем рады любым предложениям и замечаниям по теме этой статьи и приглашаем всех заинтересованных пользователей принять активное участие в бета-тестировании новых версий программы!

  1. Гидравлические расчеты — от прошлого к будущему. — CADmaster, № 3/2005, с.58−62; «Гидросистема» украсилась кольцами и графикой. — CADmaster, № 5/2005, с.50−53; Гидросистема — еще один шаг навстречу пользователю. — CADmaster, № 4/2006, с.84−85; Под знаком интеграции. — CADmaster, № 3/2008, с.78−79
  2. То есть без массообмена между газовой и жидкой фазами. 
  3. Адиабатическое течение идеального газа в прямой трубе с трением. 
  4. Например, ГОСТ 8.586−2005 для различных видов сужающих устройств или ANSI/ISA 75.01.01−2007 для регулирующих клапанов. 
  5. Подробнее о версии 6.5 WaterSteamPro см. www.wsp.ru/ru/readme/wsp/6.5/readme.htm#WhatsNew
  6. Подробнее о Simulis Thermodynamics см. www.prosim.net/en/thermodynamics/simulist.html. Соглашение также предоставляет НТП «Трубопровод» право на распространение в России программы моделирования технологических процессов ProSimPlus (см. www.prosim.net/en/modeling/prosimplus.html). 
Леонид Корельштейн,
Елена Юдовина
НТП «Трубопровод»
E-mail: hst@truboprovod.ru