PDMS三維模型管道水頭損失精確計算方式研究

周建秋，張 潔，周向陽

(中廣核工程有限公司核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518172)

0 引言

近年來，國內外大型項目設計都明確要求采用三維設計，且三維設計應用體系已經形成并日趨成熟。作為工廠三維布置設計管理系統(plant design management system，PDMS)中強大的功能模塊，管道三維布置設計在各大型項目工程設計中已經得到了廣泛應用。管道三維布置協同設計理念帶來的優越性在業內早已形成了共識。管道三維布置涉及一項重要的工作是壓力管道水頭損失[1]計算。基于三維數字化模型的計算能實現實際布置路徑與模型理論計算的一體化協同。如能實現基于PDMS管道三維模型的水頭損失精確計算，將在很大程度上簡化管道三維布置設計的力學計算、提升管道布置的效率，并能指導管道布置設計，為水泵選型提供參數，以及校核水泵揚程。針對局部水頭損失計算精度要求高的設計場景，以實際模型[2]為研究對象的計算方法優勢明顯。本文基于PDMS三維模型壓力管道水頭損失計算方式的研究[3]，是應用三維布置設計成果開展理論計算的一個有效探索。

1 國內設計院傳統計算方式

管道水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。目前，國內設計院大部分設計工程師采用以下三種方式開展壓力管水頭損失計算。

①傳統估算。該方法根據計算管路的長度計算沿程水損。局部水頭損失按沿程水頭損失的5%～10%估算。這種計算方式忽略了實際計算管路上管部件,計算結果誤差很大。

②借助EXCEL表格進行計算。該方法利用EXCEL表格，對水頭損失計算公式進行編譯，然后再根據二維圖紙布置信息統計管路長度和管部件數量，并輸入表格，分別進行沿程和局部水頭損失計算。這種方式的管部件統計過程相當復雜，數據手工輸入工作量大，且計算結果仍然與實際工程存在較大偏差。

③設計人員利用計算機輔助繪圖軟件(autodesk computer aided design，AUTO CAD)和編程軟件(visual basic for application，VBA)的二次開發技術進行計算。這種計算方式雖然可以很好地利用二維管路圖形自動進行數據的輸入和輸出，計算結果誤差較小，但是圖形參數的輸入環節繁瑣、計算結果數據的可分析性差，對二維制圖要求很高。

以上計算方式都存在人工作業量大、計算結果數據偏差大的問題，不利于設計精度要求高的設計場景管道水力計算。

2 基于三維模型的計算方式

2.1 PDMS三維管道模型

自三代核電設計技術得到推廣，中廣核工程設計有限公司全面推行正向核電三維設計。通過各項標準、管理程序、技術手冊，規范了三維設計工作，已經形成一套完整且成熟的三維模型。基于PDMS設計平臺創建的管道三維模型[4]具有以下特點。①采用統一的標準元件庫，可提供準確的基礎數據。②準確的布置路徑。其管徑、長度、角度、尺寸、參數屬性等，為計算提供準確的源數據。③獨立的管部件分類標準。管部件嚴格按照管道等級SPREF碼唯一標志，便于程序對管路部件信息分類匯總。元件與等級關系如圖1所示。

標準化模型基礎數據庫的應用和規范化的模型命名，為軟件開發提供了基本條件。

圖1 元件與等級關系示意圖

2.2 水頭損失計算公式

本技術研究的對象為有壓管道，管道輸配送的液體不可壓縮。水頭損失由沿程水頭損失和局部水頭損失兩部分組成。采用的計算公式如下。

①沿程水頭損失計算公式(即海澄-威廉公式)。

(1)

式中：i為管道單位長度水頭損失，kPa/m；dj為管道計算內徑[5]，m；qg為設計流量，m3/s；Ch為海澄-威廉系數。

當管道材質[6]為塑料管、復合管、內襯塑管時，Ch=140；管道材質為銅管、不銹鋼管時，Ch=130；管道材質為襯水泥、樹脂的鑄鐵管時，Ch=130；管理材質為普通鋼管、鑄鐵管時，Ch=100。

舍維列夫公式[7]為:

(2)

式中：i為水力坡降；λ為摩阻系數[8]；dj為管道計算內徑，m；υ為平均水流速度，m/s；g為重力加速度，為9.81 m/s2；v為液體的運動黏滯度,m2/s。

沿程水頭損失為：

Hf=i×L

(3)

式中：Hf為沿程水頭損失，m；i為沿程水頭損失坡降；L為管段長度，m。

②局部水頭損失計算公式。

局部水頭損失由管部件的局部水頭損失系數和流速決定，計算公式為:

(4)

式中：Hm為局部水頭損失，m；ζ為局部水損系數；υ為平均水流速度，m/s；g為重力加速度，為9.81 m/s2。

2.3 建立三維模型與水頭損失計算參數邏輯

對海澄-威廉公式、舍維列夫公式及局部水頭損失等計算公式進行分析，得出qg、v、t、L、dj、Ch、λ、ζ等是水頭損失計算需要確定的參數。管道三維模型屬性與公式參數邏輯如表1所示。

表1 管道三維模型屬性與公式參數邏輯

根據三維模型布置路徑下各類管部件(如異徑管、彎頭、彎管、止回閥、閘閥、蝶閥、截止閥、旋塞閥、球閥、三通、伸縮節、Y型過濾器等)的參數屬性，確定對應局部水損系數的取值；根據不同設計溫度，建立對應水力粘度系數關系，確定摩擦阻力系數；根據管道材質及公稱直徑，確定管道計算內徑，并確定各類三維模型部件水頭損失計算參數的取值。

2.4 計算原理和計算過程

根據上述確定的三維模型與水頭損失計算公式參數計算邏輯，計算管路的布置信息。分別開展同類直管和管部件水頭損失計算，匯總各類計算數據。該數據即為計算管路總水頭損失。具體的計算過程如下。

①基于計算管路三維模型,開發相關程序，采用SPREF碼對同類型的直管段進行長度、管徑等參數分類匯總；根據設計流量、設計溫度、設計材質等確定摩阻系數，并編譯沿程水頭損失公式，完成所有直管段沿程水頭損失計算。

②基于計算管路三維模型,開發相關程序，采用SPREF碼對同類型的管部件進行數量、中心線長度、管徑等參數分類匯總；根據設計流量、設計溫度、設計材質等確定摩阻系數，并編譯沿程水頭損失公式，完成所有管部件的沿程水頭損失計算。

③基于計算管路三維模型,開發相關程序，采用SPREF碼對同類型的管部件進行類型、數量、管徑、角度等參數分類匯總；根據設計流量、設計溫度、設計材質等確定局部水頭損失系數，并編譯局部水頭損失公式，完成所有管部件的局部水頭損失計算。

④上述三個步驟計算結果匯總，即為計算管路上的水頭損失。

2.5 計算軟件設計

2.5.1 計算流程

該研究分別從計算管路定義、水頭損失計算、結果報表導出三個步驟，確定軟件計算過程的設計，并最終完成基于三維模型壓力管路的水頭損失計算。計算流程如圖2所示。

圖2 計算流程示意圖

2.5.2 人機界面

根據計算習慣與計算流程，在PDMS三維軟件中開展人機工具界面設計。首先，設計按鈕支持工程師方便快捷定義計算管路。然后，設置窗口支持工程設計參數輸入，工程計算部分則由后臺編譯程序建立公式參數與三維模型的對應邏輯；基于模型識別碼提取計算管路模型數據并分類匯總，分別自動計算直管和管部件沿程水頭損失和局部水頭損失。最后，形成水頭損失計算結果展示，并導出EXCEL計算報表。界面功能符合工程計算邏輯，方便工程師開展力學計算。

3 工程計算和結果分析

3.1 工程計算

選取某電站項目海水泵站CFI系統PDMS三維模型管路作為實例計算。通過加載按鈕定義計算管路，選取合適的計算公式，輸入工程設計溫度、工程設計流量，點擊計算按鈕開展管路水頭損失計算。將計算得到的管路沿程水頭損失和局部水頭損失分別顯示在界面上，并通過報表導出計算過程數據。數據報表可以很好地追溯各類相同規格直管沿程水頭損失大小、各類相同規格管部件沿程水頭損失和局部水頭損失的大小。對上述實例工程計算進行評價，可得出以下結論。①計算依托三維模型，充分利用了三維布置設計成果數據，相對傳統的計算方式，不需額外構建管道水力計算模型。②根據三維模型特性自動計算摩阻系數，簡化傳統查表和人工計算的環節。③工程計算過程清晰，有利于設計工程師快速定位布管信息，對三維布置起指導作用。④工具計算效率高，特別是對管部件部署復雜、局部水頭損失占主導地位的計算管路水頭損失計算，優勢明顯。

3.2 計算軟件的優點

計算軟件具有以下優點。①完全依托與實際管路一致的模型開展，相比傳統計算方式，計算結果精度高，更加符合實際。②導出符合水頭損失計算要求的Excel表頭信息數據，方便設計工程師對計算結果進行過程追溯和分析。③工具界面簡潔明了，使用簡單，可一鍵出結果，自動化程度高。④該方法是一種基于三維管道模型水頭損失計算的新方式，應用前景廣闊。

4 結論

本研究實現了基于PDMS管道三維模型水頭損失的自動化計算，能夠使管部件布置較多、局部水頭損失占主導地位的管路水頭損失計算更加精確和便利。工具計算形成統計報表方便設計工程師對過程數據的處理與復核，也為布置設計提供了參考依據，在運用PDMS進行管道三維布置設計上有廣闊的應用前景。

本文提出的計算方式能大大簡化設計工程師的計算工作量、提升工作效率、提高計算的精確度，并將有

力地推動PDMS三維布置設計向更深層面[9]的應用。本研究是壓力管道水頭損失計算方式的一種創新，計算形成的結果不僅精確符合實際，而且工具使用方便簡單，已在中廣核核電站項目三維管道設計工作中使用，有較高的應用價值。