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輸油管道仿真技術(shù)研究

文檔作者：沈蔚王明鳳劉國霖吳欽文檔來源：長江大學(xué)石油工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月10日
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2012 正
第5期
管 道 技 木
Pipeline Technique
彳要 各
Equipment
2012
No．5
輸油管道仿真技術(shù)研究
沈蔚，王明鳳，劉國霖，吳欽
(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北荊州434023)
摘要：輸油管道仿真是一項(xiàng)綜合利用油氣儲(chǔ)運(yùn)、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制工程等多學(xué)科知
識(shí)的前沿技術(shù)。該技術(shù)的成熟與發(fā)展，對(duì)實(shí)現(xiàn)管道的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、智能管理有著重要的意義。結(jié)合數(shù)學(xué)
模型及模型求解方法，系統(tǒng)闡述了管道仿真技術(shù)的基本理論。通過分析仿真技術(shù)在管道檢漏及順序輸
送兩方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出相應(yīng)的不足之處，并就該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。
關(guān)鍵詞：輸油管道；仿真技術(shù)；基本理論
中圖分類號(hào)：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—9614(2012)05—0015—02
Study of the Simulation Technology of Oil Pipeline
SHEN Wei，WANG Ming—feng，LIU Guo—lin，WU Qin
(Petroleum Engineering Academy of Yangtze University，Jingzhou 434023，China)
Abstract：As a frontier technology for pipeline，the oil pipeline simulation technology contains much knowledge of diferent
subjects，such as petroleum storage and transportation，fluid mechanics，computer technology，network technique and control engi—
neering．The development and maturity of the technology plays an important role in realizing the pipeline’S economical operation
and intelligent management．The fundamental for the simulation technology is expounded by introducing its math model and the
solving method for the mode1．Some deficiencies and suggestions are given for the simulation technology by analyzing its applica—
tion status on pipeline leak detection and batching transportation．
Key words：oil pipeline；simulation technology ；fundamental theory
O 引言
管道運(yùn)輸是原油與成品油最主要的運(yùn)輸方式。
從世界范圍來看，管道運(yùn)輸正向著大口徑、長距離、高
壓力的大型輸油管道發(fā)展，這就對(duì)原本已經(jīng)很復(fù)雜的
管道設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理提出了更高的要求。由于管輸
系統(tǒng)的龐大性與復(fù)雜性，要實(shí)現(xiàn)輸油管道的穩(wěn)定運(yùn)
行、經(jīng)濟(jì)管理受到很多因素的制約。
管道仿真就是通過建立系統(tǒng)的模型，借助計(jì)算機(jī)
對(duì)真實(shí)系統(tǒng)或設(shè)想進(jìn)行分析論證的一門綜合性技術(shù)。
文中主要闡述了管道仿真技術(shù)的基本原理、發(fā)展現(xiàn)
狀，并就仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。
1 管道仿真技術(shù)基本理論
管道仿真的理論基礎(chǔ)是原油的流動(dòng)機(jī)理，其關(guān)鍵
在于仿真軟件采用的數(shù)學(xué)模型是否能夠正確、完整地
描述管道動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)，以及對(duì)建立的數(shù)學(xué)
模型的求解方法是否精確? 。
1．1 數(shù)學(xué)模型
管道內(nèi)液體流動(dòng)的狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)和不穩(wěn)態(tài)兩
類 J。在建立管流數(shù)學(xué)模型時(shí)，取一微元管段，根據(jù)
收稿日期：2011—10—20 收修改稿日期：2012—04—09
流體力學(xué)運(yùn)動(dòng)微分方程和連續(xù)性方程，建立全面、確
切地描述管道動(dòng)態(tài)過程的基本方程組(對(duì)不等溫輸送
管路需補(bǔ)充描述熱力瞬變的能量方程，氣體管道需補(bǔ)
充氣體狀態(tài)方程) J。盡管在生產(chǎn)實(shí)際中普遍存在的
是瞬變流動(dòng)過程，而穩(wěn)態(tài)流動(dòng)只是流動(dòng)過程的特殊狀
態(tài)，可是穩(wěn)態(tài)模型卻被廣泛用于設(shè)計(jì)管道、估算管道
流量及管道充裝量等方面。
連續(xù)穩(wěn)態(tài)模型是由一系列的邊界條件、控制設(shè)定
點(diǎn)、設(shè)備狀態(tài)及界面位置組成的，主要用于跟蹤或計(jì)
算管道中油品的運(yùn)動(dòng)。要增強(qiáng)管道仿真模型的精確
性，還需要將傳熱和摩擦生熱對(duì)管道水力特性的影響
考慮在內(nèi)，在模型中引入某種形式的熱力模型，如全
熱力模型、等溫模型、連續(xù)穩(wěn)態(tài)模型、“蛙跳式”瞬變熱
力模型和假穩(wěn)態(tài)熱力模型等，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇
合適的熱力模型 。
1．2 模型求解方法
管道仿真中用于求解水力模型的數(shù)值方法可以
分為以下幾類 J。
1．2．1 特征線法
該方法是用2個(gè)特征值將不穩(wěn)定流問題的2個(gè)偏
微分方程轉(zhuǎn)換成4個(gè)常微分方程，然后使用有限差分
1 6 Pipeline Technique and Equipment
方法把常微分方程轉(zhuǎn)化成差分方程。由于不需要求
解聯(lián)立方程組，可以各自獨(dú)立地求出何個(gè)節(jié)點(diǎn)的流動(dòng)
參數(shù)，從而簡化了管道瞬變流動(dòng)的求解過程。特征線
法還容易與復(fù)雜的邊界條件聯(lián)解，并且可以彌補(bǔ)數(shù)值
方法不形象的缺點(diǎn)。
1．2．2 隱式差分法
隱式差分法要求對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)聯(lián)立求解一組
代數(shù)方程，而方程的個(gè)數(shù)取決于管道系統(tǒng)所分的節(jié)點(diǎn)
數(shù)。每次迭代都需求出全部未知數(shù)后，才能進(jìn)行下一
次迭代。對(duì)于方程式中的非線性摩擦項(xiàng)和復(fù)雜的邊
界條件，迭代過程需要消耗大量的計(jì)算時(shí)間。隱式差
分方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性基本不受計(jì)算時(shí)
間步長的約束，但計(jì)算時(shí)間步長也不可太長，以免違
反差分過程的基本要求。
1．2．3 迦遼金(Galerkin)法或變分法
變分法是求解瞬變過程的有效方法，既適用于求
解快速瞬變過程，又適用于求解慢速瞬變過程，計(jì)算
結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相吻合 J。該方法既具有解析法的
特點(diǎn)，又具有數(shù)值解法的特點(diǎn)，與純數(shù)值解法相比，管
道單元和時(shí)間步長的選取可大可小，且各管道單元的
大小可以不一樣，這就提高了求解的靈活性。其算法
也具有較高的時(shí)間和空間效率。
2 管道仿真技術(shù)現(xiàn)狀
目前的管道仿真技術(shù)主要集中在管道泄漏檢測
及順序輸送兩個(gè)方面。
2．1 管道泄漏檢測
從原理上看，目前仿真系統(tǒng)中常用的檢漏方法包
括輸差對(duì)比法、壓力點(diǎn)分析法及動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算法 。
其中以壓力點(diǎn)分析法使用最廣，對(duì)大的管道泄漏檢測
較好，然而對(duì)于緩慢發(fā)生的泄漏或己經(jīng)發(fā)生的泄漏，
一般不能檢出。所以在管道泄漏檢測過程中，常采取
以壓力點(diǎn)分析法檢測為主，輸差對(duì)比法或動(dòng)態(tài)模擬計(jì)
算法為輔的方法。
隨著對(duì)泄漏原理的不斷認(rèn)識(shí)，不少學(xué)者成功找到
了多種檢漏新方法。例如，劉恩斌、李長俊等提出的
一種通過檢測管道水力坡降線奇異點(diǎn)來判斷泄漏是
否發(fā)生及進(jìn)行泄漏定位的方法 j，該方法認(rèn)為管道發(fā)
生泄漏時(shí)，原本光滑的水力坡降線會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即突
變奇異點(diǎn)，采用小波變換識(shí)別這種突變信號(hào)即可檢測
到泄漏的發(fā)生及確定泄漏的位置。這種方法檢漏精
度較高，不過必須在整個(gè)管道系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后的情況
下才能使用。
2．2 順序輸送
對(duì)管道順序輸送的仿真，其基礎(chǔ)是建立準(zhǔn)確描述
混油過程的數(shù)學(xué)模型，關(guān)鍵是解決混油量的計(jì)算問題
并實(shí)現(xiàn)對(duì)混油段的追蹤。對(duì)于混油過程的數(shù)學(xué)模型，
一般多采用二維對(duì)流擴(kuò)散模型，該模型充分考慮了混
油濃度不對(duì)稱分布的本質(zhì)，其在解析混油形成、發(fā)展
及具體濃度分布方面比一維模型更精確，對(duì)順序輸送
中混油過程的描述更準(zhǔn)確。盡管Freitas Rachid F．B．、
黃淑女等均提出了新的計(jì)算模型 ，但目前對(duì)于混油
量的計(jì)算，多數(shù)輸油管道仿真軟件仍采用英國研究者
Austin J．E．和Palfrey J．R．總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算。
對(duì)于混油界面的檢測問題，目前采用的設(shè)備有密
度型界面檢測系統(tǒng)、超聲波界面檢測器、記號(hào)型界面
檢測系統(tǒng)和光學(xué)界面監(jiān)i貝0系統(tǒng)等。對(duì)混油界面的追
蹤，主要是通過管道SCADA(Supervisory Control and
Data Acquisition)系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件來完成的，這些軟
件承擔(dān)著油品切換、混油段跟蹤及末站}昆油切割等操
作的控制，可以準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)出混油段抵達(dá)末站的時(shí)
間，能夠進(jìn)行混油界面位置計(jì)算、混油長度及濃度計(jì)
算。
3 不足與建議
目前，國內(nèi)外對(duì)于構(gòu)建輸油管道仿真系統(tǒng)已經(jīng)有
了很大的突破和進(jìn)展，然而由于該系統(tǒng)是一項(xiàng)涉及油
氣儲(chǔ)運(yùn)、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等多學(xué)科的復(fù)雜
系統(tǒng)工程，其影響因素眾多。因此，要想通過建立全
面、完善的管道仿真系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)輸油管道的實(shí)時(shí)監(jiān)
控、穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)管理，還面臨著很多需要完善和
解決的問題。針對(duì)這些問題，提出了以下幾點(diǎn)建議：
3．1 修正數(shù)學(xué)模型，提高精確性
用于管道仿真的數(shù)學(xué)模型要做到能夠正確、完整
地描述管道動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)。對(duì)于不同的管
道系統(tǒng)，其具體的組成系統(tǒng)不同，沿線各站的工藝不
同，輸送介質(zhì)的性質(zhì)不同等都會(huì)影響數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確
性與完整性。因此，針對(duì)不同的管道系統(tǒng)，需要結(jié)合
管道上各自單元的特性和不同操作，給出必要的補(bǔ)充
計(jì)算方程，以對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。
3．2 完善仿真技術(shù)應(yīng)用，增加可靠性
在管道檢漏方面，現(xiàn)有的檢漏方法大都存在誤報(bào)
警率高、定位不準(zhǔn)、安裝和維修費(fèi)用高等缺點(diǎn)?？梢?
通過改進(jìn)檢漏原理，結(jié)合各種優(yōu)化算法及多信息融合
技術(shù)來提高檢漏方法的精確性與實(shí)用性；在順序輸送
模擬方面，由于影響混油的因素繁多，(下轉(zhuǎn)第19頁)
第5期 柯遂等：燃?xì)夤艿佬孤z測與定位技術(shù)研究 19
發(fā)生泄漏的概率，并利用最小二乘法進(jìn)行泄漏點(diǎn)定
位。該方法使用統(tǒng)計(jì)決策論的觀點(diǎn)，較好地解決了瞬
變模型中誤報(bào)警的問題，而且不用計(jì)算復(fù)雜的管道模
型，降低了計(jì)算上的復(fù)雜性。統(tǒng)計(jì)泄漏檢測系統(tǒng)還具
有在線學(xué)習(xí)能力，可以適應(yīng)管道參數(shù)的變化。同時(shí)，
該系統(tǒng)還能檢測儀表故障，進(jìn)一步提高了可靠性。統(tǒng)
計(jì)決策法在實(shí)際使用中取得了良好的效果。
3 結(jié)束語
由于管道工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)管線的泄漏與定位
技術(shù)要求也越來越高，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以
及現(xiàn)代管道的SCADA系統(tǒng)的建立，使得發(fā)展基于軟
件技術(shù)的現(xiàn)代管道泄漏檢測技術(shù)成為了現(xiàn)實(shí)。上述
幾種燃?xì)鈾z測與定位方法中，基于信號(hào)的處理是現(xiàn)在
大多被采用的，負(fù)壓波法檢測法的定位精度能達(dá)到
2％ [51
， 但其不適合微小泄漏，而且在實(shí)際運(yùn)用中，其
受儀器的靈敏度、周圍環(huán)境的變化影響較大，而傳統(tǒng)
壓力梯度法精度不高，對(duì)該方法的改進(jìn)在一定程度上
提高了精確度。然而，上述改進(jìn)是基于在燃?xì)夤艿乐?
泄漏點(diǎn)前后壓力波動(dòng)是平穩(wěn)的，在實(shí)際應(yīng)用中的該法
還有待研究。隨著對(duì)檢測和定位精度的要求不斷提
高，必將對(duì)模型的依賴程度提高，瞬態(tài)模型法會(huì)有廣
闊的發(fā)展的前景，而單純的一種檢測方式都有缺點(diǎn)，
應(yīng)綜合應(yīng)用多種檢測與定位技術(shù)。
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作者簡介：柯遂(1988一)在讀研究生，研究方向?yàn)槌鞘腥細(xì)廨?
配與應(yīng)用。
(上接第16頁)混油界面在管道中的運(yùn)動(dòng)又非常復(fù)
雜，各種計(jì)算公式都有一定的局限性，目前還沒有公
認(rèn)的與實(shí)際完全相符合的混油計(jì)算公式。
此外，現(xiàn)階段的順序輸送仿真技術(shù)對(duì)影響混油的因
素考慮得并不全面，如由于管徑變化、中途分輸或進(jìn)油、
管內(nèi)流速隨著混油段運(yùn)移變化等原因而造成液流速度
發(fā)生改變時(shí)，就需要對(duì)混油量的計(jì)算公式做相應(yīng)的調(diào)
整，對(duì)包括油品密度差、黏度差、輸送路線起伏等因素的
影響也欠缺全面的考慮。如何較好地計(jì)算出停輸階段
的混油量也是目前有待解決的難點(diǎn)問題之一。
在具體的混油量計(jì)算中，可以通過多次的實(shí)驗(yàn)室
模擬測試、計(jì)算機(jī)迭代、曲線回歸等方法，對(duì)所選用的
公式引入一些修正項(xiàng)，以提高計(jì)算的精度，并針對(duì)具
體的運(yùn)行工況及時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)及計(jì)算方法進(jìn)行調(diào)整。
3．3 合理選擇或開發(fā)仿真軟件
現(xiàn)階段需通過充分消化和吸收國外引進(jìn)的軟件，結(jié)
合具體的實(shí)際情況，編制出適合國內(nèi)使用的仿真軟件。
各管道運(yùn)行企業(yè)也要根據(jù)自身的生產(chǎn)實(shí)際和管理特性
選擇或開發(fā)出適合自身實(shí)際的仿真系統(tǒng)。在仿真系統(tǒng)
的開發(fā)方面，要在系統(tǒng)開發(fā)中制定長遠(yuǎn)的計(jì)劃，方便系
統(tǒng)隨著仿真技術(shù)的進(jìn)步不斷地進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。
4 結(jié)束語
隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，輸油管道仿真
技術(shù)在優(yōu)化管道經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證管道安全生產(chǎn)方面發(fā)
揮著越來越重要的作用。但由于在算法設(shè)計(jì)、軟件功
能設(shè)計(jì)、軟件編譯等方面和國外還存在一定的差距，
國內(nèi)現(xiàn)有的仿真技術(shù)還不夠完善。應(yīng)在不斷完善仿
真系統(tǒng)理論的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)展管道仿真技術(shù)的功
能，使其能更好地為提高管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性
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作者簡介：沈蔚(1989一)，碩士研究生，從事管道輸送及多相管
流等方面的研究。

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