PDMS三维模型管道水头损失精确计算方式研究

周建秋，张 洁，周向阳

(中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳 518172)

0 引言

近年来，国内外大型项目设计都明确要求采用三维设计，且三维设计应用体系已经形成并日趋成熟。作为工厂三维布置设计管理系统(plant design management system，PDMS)中强大的功能模块，管道三维布置设计在各大型项目工程设计中已经得到了广泛应用。管道三维布置协同设计理念带来的优越性在业内早已形成了共识。管道三维布置涉及一项重要的工作是压力管道水头损失[1]计算。基于三维数字化模型的计算能实现实际布置路径与模型理论计算的一体化协同。如能实现基于PDMS管道三维模型的水头损失精确计算，将在很大程度上简化管道三维布置设计的力学计算、提升管道布置的效率，并能指导管道布置设计，为水泵选型提供参数，以及校核水泵扬程。针对局部水头损失计算精度要求高的设计场景，以实际模型[2]为研究对象的计算方法优势明显。本文基于PDMS三维模型压力管道水头损失计算方式的研究[3]，是应用三维布置设计成果开展理论计算的一个有效探索。

1 国内设计院传统计算方式

管道水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。目前，国内设计院大部分设计工程师采用以下三种方式开展压力管水头损失计算。

①传统估算。该方法根据计算管路的长度计算沿程水损。局部水头损失按沿程水头损失的5%～10%估算。这种计算方式忽略了实际计算管路上管部件,计算结果误差很大。

②借助EXCEL表格进行计算。该方法利用EXCEL表格，对水头损失计算公式进行编译，然后再根据二维图纸布置信息统计管路长度和管部件数量，并输入表格，分别进行沿程和局部水头损失计算。这种方式的管部件统计过程相当复杂，数据手工输入工作量大，且计算结果仍然与实际工程存在较大偏差。

③设计人员利用计算机辅助绘图软件(autodesk computer aided design，AUTO CAD)和编程软件(visual basic for application，VBA)的二次开发技术进行计算。这种计算方式虽然可以很好地利用二维管路图形自动进行数据的输入和输出，计算结果误差较小，但是图形参数的输入环节繁琐、计算结果数据的可分析性差，对二维制图要求很高。

以上计算方式都存在人工作业量大、计算结果数据偏差大的问题，不利于设计精度要求高的设计场景管道水力计算。

2 基于三维模型的计算方式

2.1 PDMS三维管道模型

自三代核电设计技术得到推广，中广核工程设计有限公司全面推行正向核电三维设计。通过各项标准、管理程序、技术手册，规范了三维设计工作，已经形成一套完整且成熟的三维模型。基于PDMS设计平台创建的管道三维模型[4]具有以下特点。①采用统一的标准元件库，可提供准确的基础数据。②准确的布置路径。其管径、长度、角度、尺寸、参数属性等，为计算提供准确的源数据。③独立的管部件分类标准。管部件严格按照管道等级SPREF码唯一标志，便于程序对管路部件信息分类汇总。元件与等级关系如图1所示。

标准化模型基础数据库的应用和规范化的模型命名，为软件开发提供了基本条件。

图1 元件与等级关系示意图

2.2 水头损失计算公式

本技术研究的对象为有压管道，管道输配送的液体不可压缩。水头损失由沿程水头损失和局部水头损失两部分组成。采用的计算公式如下。

①沿程水头损失计算公式(即海澄-威廉公式)。

(1)

式中：i为管道单位长度水头损失，kPa/m；dj为管道计算内径[5]，m；qg为设计流量，m3/s；Ch为海澄-威廉系数。

当管道材质[6]为塑料管、复合管、内衬塑管时，Ch=140；管道材质为铜管、不锈钢管时，Ch=130；管道材质为衬水泥、树脂的铸铁管时，Ch=130；管理材质为普通钢管、铸铁管时，Ch=100。

舍维列夫公式[7]为:

(2)

式中：i为水力坡降；λ为摩阻系数[8]；dj为管道计算内径，m；υ为平均水流速度，m/s；g为重力加速度，为9.81 m/s2；v为液体的运动黏滞度,m2/s。

沿程水头损失为：

Hf=i×L

(3)

式中：Hf为沿程水头损失，m；i为沿程水头损失坡降；L为管段长度，m。

②局部水头损失计算公式。

局部水头损失由管部件的局部水头损失系数和流速决定，计算公式为:

(4)

式中：Hm为局部水头损失，m；ζ为局部水损系数；υ为平均水流速度，m/s；g为重力加速度，为9.81 m/s2。

2.3 建立三维模型与水头损失计算参数逻辑

对海澄-威廉公式、舍维列夫公式及局部水头损失等计算公式进行分析，得出qg、v、t、L、dj、Ch、λ、ζ等是水头损失计算需要确定的参数。管道三维模型属性与公式参数逻辑如表1所示。

表1 管道三维模型属性与公式参数逻辑

根据三维模型布置路径下各类管部件(如异径管、弯头、弯管、止回阀、闸阀、蝶阀、截止阀、旋塞阀、球阀、三通、伸缩节、Y型过滤器等)的参数属性，确定对应局部水损系数的取值；根据不同设计温度，建立对应水力粘度系数关系，确定摩擦阻力系数；根据管道材质及公称直径，确定管道计算内径，并确定各类三维模型部件水头损失计算参数的取值。

2.4 计算原理和计算过程

根据上述确定的三维模型与水头损失计算公式参数计算逻辑，计算管路的布置信息。分别开展同类直管和管部件水头损失计算，汇总各类计算数据。该数据即为计算管路总水头损失。具体的计算过程如下。

①基于计算管路三维模型,开发相关程序，采用SPREF码对同类型的直管段进行长度、管径等参数分类汇总；根据设计流量、设计温度、设计材质等确定摩阻系数，并编译沿程水头损失公式，完成所有直管段沿程水头损失计算。

②基于计算管路三维模型,开发相关程序，采用SPREF码对同类型的管部件进行数量、中心线长度、管径等参数分类汇总；根据设计流量、设计温度、设计材质等确定摩阻系数，并编译沿程水头损失公式，完成所有管部件的沿程水头损失计算。

③基于计算管路三维模型,开发相关程序，采用SPREF码对同类型的管部件进行类型、数量、管径、角度等参数分类汇总；根据设计流量、设计温度、设计材质等确定局部水头损失系数，并编译局部水头损失公式，完成所有管部件的局部水头损失计算。

④上述三个步骤计算结果汇总，即为计算管路上的水头损失。

2.5 计算软件设计

2.5.1 计算流程

该研究分别从计算管路定义、水头损失计算、结果报表导出三个步骤，确定软件计算过程的设计，并最终完成基于三维模型压力管路的水头损失计算。计算流程如图2所示。

图2 计算流程示意图

2.5.2 人机界面

根据计算习惯与计算流程，在PDMS三维软件中开展人机工具界面设计。首先，设计按钮支持工程师方便快捷定义计算管路。然后，设置窗口支持工程设计参数输入，工程计算部分则由后台编译程序建立公式参数与三维模型的对应逻辑；基于模型识别码提取计算管路模型数据并分类汇总，分别自动计算直管和管部件沿程水头损失和局部水头损失。最后，形成水头损失计算结果展示，并导出EXCEL计算报表。界面功能符合工程计算逻辑，方便工程师开展力学计算。

3 工程计算和结果分析

3.1 工程计算

选取某电站项目海水泵站CFI系统PDMS三维模型管路作为实例计算。通过加载按钮定义计算管路，选取合适的计算公式，输入工程设计温度、工程设计流量，点击计算按钮开展管路水头损失计算。将计算得到的管路沿程水头损失和局部水头损失分别显示在界面上，并通过报表导出计算过程数据。数据报表可以很好地追溯各类相同规格直管沿程水头损失大小、各类相同规格管部件沿程水头损失和局部水头损失的大小。对上述实例工程计算进行评价，可得出以下结论。①计算依托三维模型，充分利用了三维布置设计成果数据，相对传统的计算方式，不需额外构建管道水力计算模型。②根据三维模型特性自动计算摩阻系数，简化传统查表和人工计算的环节。③工程计算过程清晰，有利于设计工程师快速定位布管信息，对三维布置起指导作用。④工具计算效率高，特别是对管部件部署复杂、局部水头损失占主导地位的计算管路水头损失计算，优势明显。

3.2 计算软件的优点

计算软件具有以下优点。①完全依托与实际管路一致的模型开展，相比传统计算方式，计算结果精度高，更加符合实际。②导出符合水头损失计算要求的Excel表头信息数据，方便设计工程师对计算结果进行过程追溯和分析。③工具界面简洁明了，使用简单，可一键出结果，自动化程度高。④该方法是一种基于三维管道模型水头损失计算的新方式，应用前景广阔。

4 结论

本研究实现了基于PDMS管道三维模型水头损失的自动化计算，能够使管部件布置较多、局部水头损失占主导地位的管路水头损失计算更加精确和便利。工具计算形成统计报表方便设计工程师对过程数据的处理与复核，也为布置设计提供了参考依据，在运用PDMS进行管道三维布置设计上有广阔的应用前景。

本文提出的计算方式能大大简化设计工程师的计算工作量、提升工作效率、提高计算的精确度，并将有

力地推动PDMS三维布置设计向更深层面[9]的应用。本研究是压力管道水头损失计算方式的一种创新，计算形成的结果不仅精确符合实际，而且工具使用方便简单，已在中广核核电站项目三维管道设计工作中使用，有较高的应用价值。