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輸油管道在線仿真系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：莫巨華楊笑波程爽劉慶宏馬永祥文檔來源： 1．中國石油天然氣管道工程有限公司 2．中油管道防腐工程有限責(zé)任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月27日
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12 石油It {jc建設(shè)
輸油管道在線仿真系統(tǒng)設(shè)計
莫巨華 ，楊笑波2，程 爽 ，劉慶宏 ，馬永祥
(1．中國石油天然氣管道工程有限公司，河北J麗坊065000；2．中油管道防腐工程有限責(zé)任公司，河北廊坊065000)
摘 要：管道仿真系統(tǒng)為管道運行提供決策依據(jù)和手段，對管道安全運行具有重要意義。文章在簡
要介紹國外產(chǎn)品和國內(nèi)研發(fā)進(jìn)展及工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上．總結(jié)了在線仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢．對輸油管道在
線仿真系統(tǒng)的架構(gòu)、硬件配置進(jìn)行了設(shè)計．并且詳細(xì)敘述了在線仿真系統(tǒng)各個軟件模塊的功能及選
擇這些模塊時應(yīng)重點關(guān)注的問題．最后總結(jié)了項目實施過程中應(yīng)注意的問題
關(guān)鍵詞：輸油管道；仿真系統(tǒng)；在線系統(tǒng)；設(shè)計
doi：10．3969／j．issn。1001-2206．2013．01．004
0 弓I言
管道仿真系統(tǒng)可以模擬管道流體水力、熱力的
瞬變過程．可以為管道設(shè)計提供水力學(xué)分析．為管
道運行方案的可行性驗證和制訂提供依據(jù)． 自20
世紀(jì)80年代管道仿真系統(tǒng)逐步商業(yè)化以來．其功
能不斷發(fā)展．逐漸成為管道設(shè)計和運行必不可少的
工具。
管道仿真系統(tǒng)可分為離線系統(tǒng)和在線系統(tǒng) 在
線系統(tǒng)通過訪問SCADA fSupervisory Control And
Data Acquisition)系統(tǒng)自動獲取系統(tǒng)模型所需的各
種參數(shù)．作為仿真計算的初始條件．離線系統(tǒng)只能
通過手動方式輸入這些參數(shù) 國外管道仿真系統(tǒng)的
發(fā)展[ 1從離線系統(tǒng)開始，離線系統(tǒng)有：美國SSI公
司的TGNET、TLNET 和INTERACT II， 美國
Stoner公司的SPS． 加拿大Novacorp公司的
PCASIM[2]．主要用于培訓(xùn)的由美國Williams管道公
司委托Eduneering公司開發(fā)的Computer—Based
Training(CBT1 System和AU American管道公司委
托RTS公司開發(fā)的LIQNET 隨著計算機(jī)和管道
SCADA系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展．管道在線仿真系統(tǒng)
得以實現(xiàn)，如：SSI公司的On—Line System、Stoner
公司的On—Line Modeling System、美國Modisette
Associates公司的PLDS、意大利Snamprogetti公司
的Dispatching Tutorial System， 近年來又出現(xiàn)了
ATMOS和SSL等著名供應(yīng)商和大量的實例應(yīng)用
此外．還有管道公司自主研發(fā)的系統(tǒng)．如韓國天然
氣公司的GNAP、澳大利亞的SIROGAS系統(tǒng)3_
國內(nèi)管道仿真系統(tǒng)的研究和開發(fā)起步較晚．成
果較少 中國石油大學(xué)(北京)于2005年底完成
了“輸油(氣)管道仿真系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究”項
目．實現(xiàn)離線系統(tǒng)計算值與實測值偏差在5．5％ 以
內(nèi)，在線系統(tǒng)偏差在10％ 以內(nèi) 。國內(nèi)的管道設(shè)
計、運行單位是管道仿真系統(tǒng)應(yīng)用的主力軍 2005
年中石油實現(xiàn)了蘭成渝成品油管道離線仿真系統(tǒng)的
現(xiàn)場應(yīng)用，2009年北京調(diào)控中心應(yīng)用了天然氣管
道在線仿真系統(tǒng)， 目前該中心正在以西部原油成品
油管道為對象．實施輸油管道在線仿真系統(tǒng) 此
外，中石油西部管道公司烏魯木齊調(diào)控中心的在線
仿真系統(tǒng)也正處于設(shè)計階段 2008年中石化儀征
至長嶺原油管道在線仿真系統(tǒng)通過現(xiàn)場驗收．并得
到了業(yè)主單位的好評
1 在線系統(tǒng)的優(yōu)勢
如前所述．在線仿真系統(tǒng)與離線仿真系統(tǒng)的根
本區(qū)別在于：在線系統(tǒng)能夠?qū)崟r(在一定時間間隔
內(nèi))導(dǎo)人SCADA系統(tǒng)的實時采集數(shù)據(jù)．而離線系
統(tǒng)不具備此功能。此區(qū)別突顯了在線系統(tǒng)的極大優(yōu)
勢，主要體現(xiàn)在：
(1)實時導(dǎo)入管道狀態(tài)實測數(shù)據(jù)，經(jīng)仿真計
算．在線系統(tǒng)可實時估計管道任意點位的狀態(tài)．可
在一定程度上彌補(bǔ)SCADA系統(tǒng)缺省值
(2)在線系統(tǒng)在實時仿真計算過程中．不斷修
正管道模型參數(shù)．使仿真數(shù)學(xué)模型更加符合管道實
第39卷第1期 莫巨華等：輸油管道在線仿真系統(tǒng)設(shè)計 13
際．從而提高仿真準(zhǔn)確性
(3)狀態(tài)數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入使趨勢預(yù)測功能更加及
時、方便及貼近實際，為快速決策提供了技術(shù)保
障。
(4)基于實時模型．可實現(xiàn)對管道泄漏的檢測
與定位。
(5)在對批次、清管器、減阻劑或降凝劑跟蹤
過程中．用管道中間站場的檢測儀表數(shù)據(jù)自動修正
跟蹤誤差，使跟蹤工作更精確、輕松。
(6)狀態(tài)數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入使培訓(xùn)功能更加逼真．
效果更好
由此可見．在線仿真系統(tǒng)比離線仿真系統(tǒng)更能
保證管道的安全、高效運行，對運行單位而言，更
具實用價值
2 架構(gòu)與硬件
整套在線仿真系統(tǒng)的硬件包括一臺仿真服務(wù)
器和若干臺工作站．可以直接掛在SCADA系統(tǒng)局
域網(wǎng)上．但考慮到SCADA系統(tǒng)肩負(fù)著對管道的控
制任務(wù)．尤其像中石油北京調(diào)控中心．肩負(fù)著對
全國主要管道的控制任務(wù)．安全要求等級極高．
有必要將SCADA系統(tǒng)與其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行有效隔
離 因此將仿真系統(tǒng)掛在中間服務(wù)器所在局域網(wǎng)
上．如圖1所示． 中間服務(wù)器為仿真系統(tǒng)提供
SCADA數(shù)據(jù) 為實現(xiàn)與管道SCADA系統(tǒng)的安全
隔離與數(shù)據(jù)交換． 中間服務(wù)器所在局域網(wǎng)與
SCADA系統(tǒng)局域網(wǎng)通過帶有防火墻模塊的核心層
交換機(jī)連接 中間服務(wù)器訪問SCADA系統(tǒng)的實時
數(shù)據(jù)服務(wù)器。并存儲SCADA實時數(shù)據(jù)。其他所有
應(yīng)用系統(tǒng)若要使用SCADA數(shù)據(jù)．均與仿真系統(tǒng)一
樣． 直接訪問中間服務(wù)器即可． 從而避免對
SCADA系統(tǒng)的直接訪問。
工作站 工作站 工作站 工作站
圖1 在線仿真系統(tǒng)架構(gòu)
工作站的數(shù)量可以根據(jù)需要配置．其提供仿真
系統(tǒng)的人機(jī)交互界面．通過人機(jī)界面可以完成系統(tǒng)
的各種操作，使系統(tǒng)的各種功能得以實現(xiàn) 仿真服
務(wù)器是承擔(dān)仿真計算的主體．仿真計算是仿真系統(tǒng)
各種功能的基礎(chǔ)．各種功能模塊通過調(diào)用仿真計算
模塊來實現(xiàn)其自身的功能 工作站的配置要求不
高．普通的主流微機(jī)即可
就實時仿真計算而言．對服務(wù)器的要求并不算
高．但若系統(tǒng)配置“運行方案優(yōu)化”功能．則需要
連續(xù)調(diào)用仿真計算模塊(為了驗證方案的可行性)
多次．且調(diào)用的次數(shù)隨系統(tǒng)的復(fù)雜程度呈指數(shù)增
長，在這種情況下仿真服務(wù)器的配置要求較高。中
石油北京調(diào)控中心輸油管道在線仿真系統(tǒng)項目選擇
了中端企業(yè)級服務(wù)器中的高級配置
據(jù)了解． 目前主要仿真系統(tǒng)供應(yīng)商均有適用于
微軟Windows操作系統(tǒng)的產(chǎn)品． 因此服務(wù)器和工
作站的操作系統(tǒng)可選擇界面友好的微軟Windows
系統(tǒng)。
3 軟件功能模塊
在線仿真系統(tǒng)開發(fā)商提供多種功能模塊．系統(tǒng)
購買方(業(yè)主)根據(jù)實際需要選購這些功能模塊。
主要模塊有：實時模擬；趨勢預(yù)測：批次計劃；運
行方案優(yōu)化；跟蹤：泄漏檢測與定位：模擬培訓(xùn)。
各模塊的主要功能及性能如下：
3．1 實時模擬模塊
系統(tǒng)每個采集周期(目前一般是5 s)訪問中間
服務(wù)器一次．獲取SCADA實時數(shù)據(jù)作為計算的初始
條件．隨即對系統(tǒng)模型進(jìn)行求解．最終實現(xiàn)管道狀態(tài)
估計 仿真計算時間小于數(shù)據(jù)采集周期．隨著時間推
移．不斷刷新人機(jī)界面數(shù)據(jù)．使系統(tǒng)具有實時性。
實時模擬模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心．其精
度影響到系統(tǒng)其他所有模塊的應(yīng)用效果．因此．應(yīng)
重點關(guān)注供貨方在提高仿真精度方面的努力．主要
措施有：現(xiàn)場數(shù)據(jù)過濾及轉(zhuǎn)換、模型參數(shù)(管內(nèi)壁
粗糙度、導(dǎo)熱系數(shù)等)修正、模型求解方法的研究
等 此外．應(yīng)注意數(shù)據(jù)時間標(biāo)簽問題．理想的做法
是：在管道各站場完成時間標(biāo)簽，而不是在調(diào)控中
心完成．這樣可以降低通信延遲造成的數(shù)據(jù)失真
3．2 趨勢預(yù)測模塊
趨勢預(yù)測模塊提供運行方案和操作策略可行
性的驗證手段．能夠直觀顯示運行方案和操作策
略對管道安全產(chǎn)生的影響．調(diào)度人員通過不斷驗
證和修正的過程．制訂出安全可行的運行方案和
操作策略
14 石油工 程建設(shè) 2013年2月
趨勢預(yù)測模塊應(yīng)重點關(guān)注預(yù)測的精度和操作的
便利性 預(yù)測精度隨預(yù)測周期的加大而有所降低，
可對不同預(yù)測周期的精度分別做出具體要求
3．3 批次計劃模塊
批次計劃模塊以管道和庫區(qū)罐容實時數(shù)據(jù)為基
礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)，快速、合理編制出管道或
管網(wǎng)的批次計劃 該模塊具有交互性．通過實時監(jiān)
測計劃執(zhí)行情況及時自動修正批次計劃
批次計劃模塊應(yīng)重點關(guān)注批次計劃的可行性和
最優(yōu)性 部分供應(yīng)商已開發(fā)出具有優(yōu)化功能的批次
計劃模塊．該模塊以輸送時間最短為目標(biāo)．對批次
計劃進(jìn)行優(yōu)化以提高管道的輸送效率
3．4 運行方案優(yōu)化模塊
運行方案優(yōu)化模塊對管道泵、調(diào)節(jié)閥或壓縮機(jī)
的運行狀態(tài)進(jìn)行配置．以能耗最小為目標(biāo)．以管道
各種邊界條件(如最大允許操作壓力等)為約束進(jìn)
行優(yōu)化計算．計算結(jié)果得出能耗最小的一個或-~ft
可供選擇的可行方案 采用的最優(yōu)化方法與計算結(jié)
果的最優(yōu)性是衡量該模塊性能的關(guān)鍵因素
3．5 跟蹤模塊
跟蹤模塊提供對批次、清管器減阻劑或降凝
劑的跟蹤功能．在跟蹤計算的過程中．系統(tǒng)自動
利用相關(guān)站場儀表的檢測數(shù)據(jù)不斷修正跟蹤精度
跟蹤精度是該模塊應(yīng)重點關(guān)注的問題．關(guān)注跟蹤
模塊的精度時應(yīng)考慮管道段長度的影響
3．6 泄漏檢測與定位模塊
基于數(shù)學(xué)模型．系統(tǒng)在實時仿真計算的同時．
不斷將各種參數(shù)的計算值與實測值進(jìn)行比對．若偏
差大于某個閾值．則發(fā)出泄漏報警：根據(jù)壓力梯度
的變化．系統(tǒng)可以實現(xiàn)對泄漏的定位
泄漏報警的準(zhǔn)確度和靈敏度及定位的精度是泄
漏檢測和定位模塊應(yīng)重點關(guān)注的問題 為提高系統(tǒng)
性能．部分系統(tǒng)開發(fā)商在仿真系統(tǒng)中集成了某些特
定方法．如ATMOS系統(tǒng)集成了數(shù)理統(tǒng)計法、SSL
系統(tǒng)集成了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法
3．7 模擬培訓(xùn)模塊
基于實時模擬和趨勢預(yù)測模塊．在線仿真系
統(tǒng)可建立與真實SCADA系統(tǒng)十分相似的虛擬操作
環(huán)境．使培訓(xùn)操作更加貼近管道實際．培訓(xùn)工作
取得更好效果 模擬培訓(xùn)模塊應(yīng)重點關(guān)注模擬培
訓(xùn)環(huán)境的逼真性．部分開發(fā)商將管道系統(tǒng)的控制
邏輯寫入培訓(xùn)模塊．從而大幅提升培訓(xùn)環(huán)境的逼
真程度
4 項目的實施
項目實施過程包括：系統(tǒng)建模：數(shù)據(jù)對點調(diào)
試：功能模塊開發(fā)；人員培訓(xùn)；工廠驗收測試：現(xiàn)
場驗收測試；項目收尾及移交。項目實施過程中應(yīng)
注意的事項有：
(1)建模時應(yīng)充分考慮管道沿線各種參數(shù)的不
確定性．如不同地點的不同地溫及地溫隨季節(jié)的變
化、管道內(nèi)壁隨輸送時間的變化等。
(2)對于設(shè)有優(yōu)化功能的模塊．如批次計劃模
塊和運行方案優(yōu)化模塊．不同管道其算法參數(shù)應(yīng)存
在差異性，同時應(yīng)關(guān)注算法的收斂性與最優(yōu)性
(3)業(yè)主單位應(yīng)明確系統(tǒng)需求，包括功能、方
法及性能等
(4)業(yè)主單位應(yīng)積極配合供應(yīng)商的編程組態(tài)和
調(diào)試工作，盡量滿足供應(yīng)商對數(shù)據(jù)、資料等信息的
需求。
(5)應(yīng)制訂完善的培訓(xùn)計劃，包括理論培訓(xùn)和
實際操作培訓(xùn)、定期培訓(xùn)和非定期的緊急咨詢等
(6)應(yīng)制訂完善的售后服務(wù)機(jī)制．如維護(hù)維
修、升級更新、回訪等
5 結(jié)束語
管道仿真系統(tǒng)為管道運行提供決策依據(jù)和手
段．在國外已廣泛使用多年．在國內(nèi)的使用一直不
盡如人意，原因有多方面，如：系統(tǒng)本身尚存在無
法克服的偏差問題．系統(tǒng)供應(yīng)商實施與培訓(xùn)不力．
系統(tǒng)使用人員素質(zhì)不匹配等 仿真系統(tǒng)對管道安全
運行意義非凡．有關(guān)各方應(yīng)共同努力．把問題解決
好．促進(jìn)管道仿真系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用
參考文獻(xiàn)：
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[4】中國石油天然氣股份有限公司天然氣與管道分公司．“輸油(氣)
管道仿真系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究”驗收評審意見[EB／OL]．http：／／
kysbc．cup．edu．cn／1一guidang—tijiao．a(chǎn)sp?id=2437．2006—05—2O．
作者簡介：莫巨華(1978一)， 男，廣西貴港人， 工程師，
2009年畢業(yè)于東北大學(xué)系統(tǒng)工程專業(yè)．博士．現(xiàn)從事管道
儀表自動化設(shè)計工作。
收稿日期：2012—02一l1

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