管存計(jì)算在川氣東送三維管道GIS系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

摘要：管存計(jì)算是天然氣管道運(yùn)輸系統(tǒng)不可或缺的一部分功能，在川氣東送天然氣管道運(yùn)維生產(chǎn)的過程中，根據(jù)油氣調(diào)控的需求和SCADA實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為依托，并結(jié)合管道本體的完整性數(shù)據(jù)庫信息和管段間拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)公式和算法計(jì)算出管段間的管道存氣量和下游管道存氣量，為管道生產(chǎn)輸差控制和斷氣漏氣災(zāi)害的防治提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：天燃?xì)夤艿?；川氣東送；管存； GIS

中圖分類號：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 22-0000-02

1 川氣東送管道GIS系統(tǒng)簡介

川氣東送管道項(xiàng)目西起川東普光首戰(zhàn)，跨越四川、重慶、湖北、江西、安徽、江蘇、浙江、東至上海末站，是繼西氣東輸管道之后又一條貫穿我國東西部地區(qū)的天然氣遠(yuǎn)距離管網(wǎng)輸送工程。管道總長2170公里，年輸送天然氣120億立方米。川氣東送管道在設(shè)計(jì)和建設(shè)之初就采用了國內(nèi)、國際的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，建立起了基于管道本體完整性管理的數(shù)字化管道的系統(tǒng)方案，包括管道陰極保護(hù)，SCADA實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控，尋線業(yè)務(wù)的實(shí)施，最大程度的消減了管道周邊環(huán)境復(fù)雜和氣質(zhì)含硫等諸多不利因素對管道安全運(yùn)維的影響。

2 管存量的計(jì)算

2.1 管存計(jì)算公式

管存計(jì)算的理想結(jié)果是所有影響管存的因素、因子的數(shù)據(jù)信息和真實(shí)的數(shù)據(jù)比對，誤差達(dá)到最小，準(zhǔn)確，最接近真實(shí)的數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下管存的壓力一般為101.325kPa，溫度為20℃。在標(biāo)準(zhǔn)情況下管存計(jì)算受管段的壓力、溫度、壓縮因子以及管段的管容的影響。

2.2 管存計(jì)算因子分析

管存的因子是影響管存計(jì)算的重要因素，由于管存計(jì)算要面對高精度的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的公式，由于計(jì)算因子的精度不夠準(zhǔn)確而造成的管存計(jì)算誤差是不容易發(fā)現(xiàn)的。因此計(jì)算要考慮對因子精度的保證和誤差修正，以確保管存的準(zhǔn)確性。

（1）管容量分析。管容的計(jì)算和管段的長度以及內(nèi)徑是分不開的，而管容在管存計(jì)算時(shí)是固定因子，這就導(dǎo)致了管存計(jì)算只能計(jì)算內(nèi)徑相同并且連續(xù)的管段內(nèi)的管存容量，但是在一個(gè)龐大的管道體系中存在著焊口、彎頭、閥室以及分輸站等等可能會(huì)改變管道內(nèi)徑的點(diǎn)存在，保證管段內(nèi)徑不變是不可能的，所以對于長輸管線管道的管存計(jì)算來說，我們采用的是分段計(jì)算，最終求和的方式，這是確保管存精度的第一步，管段的分段越細(xì)，管道本體的環(huán)境變量越單一，結(jié)果就越接近真實(shí)的值。

（2）溫度分析。管道本體的溫度會(huì)受到管道周圍土壤溫度，管道所處地域氣溫和天氣變化的影響。而天氣變化也會(huì)影響土壤的溫度，當(dāng)管道和土壤進(jìn)行熱交換的時(shí)候就會(huì)造成溫度變化較明顯的情況，管存的計(jì)算應(yīng)該兼顧地域和天氣的情況，實(shí)時(shí)管存計(jì)算應(yīng)該參考?xì)v史管存量的信息，確保管存的記錄在救災(zāi)救援中確實(shí)的得到有效的應(yīng)用。

（3）壓力分析。對于長輸管線這個(gè)問題會(huì)比較明顯，管道中的氣體隨著壓力的不同，氣質(zhì)參數(shù)也會(huì)隨之變化，包括相對密度等等，例如有壓縮機(jī)的管段和主要負(fù)責(zé)分輸?shù)墓芏螇毫χ禃?huì)有一定差異，壓氣站配置方式也會(huì)影響管道的壓力，這些差異在管存計(jì)算中會(huì)影響最終的計(jì)算結(jié)果。

（4）壓縮因子。壓縮因子的確定是采用迭代計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)的，在這種方法下應(yīng)該記錄初始壓力狀態(tài)，通過當(dāng)前狀態(tài)和初始狀態(tài)的比對，來確定的壓縮因子會(huì)比較準(zhǔn)確。

3 管存計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

川氣東送為長距離天然氣輸送，所以管道本體的數(shù)據(jù)完整性和管線輸送氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行在管道運(yùn)維的過程中有著舉足輕重的地位，高壓管線的常見事故有如下五方面。

（1）第三方施工造成管道破裂，主要有打樁、挖掘、打地質(zhì)探井、定向鉆、大開挖等機(jī)械施工。這是高壓輸氣管道的主要威脅。（2）施工質(zhì)量問題，主要有施工技術(shù)水平、強(qiáng)力組裝、焊接缺陷、補(bǔ)口補(bǔ)傷質(zhì)量、檢驗(yàn)控制。（3）腐蝕失效，主要有電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕、應(yīng)力腐蝕、電流干擾腐蝕。（4）疲勞失效，主要在跨越河道管線受河堤兩岸基礎(chǔ)位移、管道支墩沉降、晝夜溫差等。（5）地址運(yùn)動(dòng)和自然災(zāi)害，如山體滑坡或泥石流將管線拉斷。

管存計(jì)算在管道事故發(fā)生后，可以對管道事故下游的管存量進(jìn)行評估，確定用氣企業(yè)對余氣量的使用時(shí)間，來擬定救援方案，以確保用戶受到管道事故影響而造成的損失降到最低甚至不會(huì)受到事故的影響。

本模塊的完整設(shè)計(jì)方案如下：

（1）屬性與空間數(shù)據(jù)組織。屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的組織形式對算法的效率和數(shù)據(jù)應(yīng)用的靈活性會(huì)有一定的影響，屬性數(shù)據(jù)用來記錄管道本體的信息，場站、閥室和分輸站位置信息，管道本體的管徑和里程信息以及生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管段間上下游拓?fù)潢P(guān)系，此處采用R樹的結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

（2）SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成在川氣東送管道的各個(gè)閥室、場站和分輸站上，能夠周期性的采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)單元上的數(shù)據(jù)信息，其中需要的主要數(shù)據(jù)是管段的進(jìn)出口壓力、溫度。但是目前的SCADA系統(tǒng)不具數(shù)據(jù)的全部采集功能，只有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)采集，所以對于比較重要的場站要設(shè)置值守人員進(jìn)行手工采集作業(yè)。人工填報(bào)主要以靜態(tài)數(shù)據(jù)為主，作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的歷史參考。

（3）事故預(yù)警系統(tǒng)。事故預(yù)警系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在第一時(shí)間對事故點(diǎn)具體信息進(jìn)行報(bào)告和上傳，我們主要獲取事故地點(diǎn)的管道本體信息即可。

（4）下游管存量評估算法。該算法實(shí)際上是遞歸算法的擴(kuò)展，采用管段分段，逐級遞歸的思想，計(jì)算下游管段的總管存量。算法思路如下：

1）對事故地點(diǎn)管段的下游管段進(jìn)行同徑管段搜索，通過數(shù)據(jù)庫獲取的位置里程信息和拓?fù)潢P(guān)系找到下游最近同管徑點(diǎn)；2）通過SCADA系統(tǒng)獲取該點(diǎn)的管存計(jì)算因子數(shù)據(jù)，計(jì)算管段間管存容量；3）以管徑變化點(diǎn)為起點(diǎn)尋找下游最近同管徑點(diǎn)，如遇到管段流向分支，開辟線程進(jìn)行分支查找，直至找到下一同徑節(jié)點(diǎn)，獲取SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行管存計(jì)算；4）重復(fù)步驟3進(jìn)行逐級遞歸，遇到末站返回；5）累加評估總體管存量；6）整理整合并上傳決策報(bào)告，移交指揮系統(tǒng)處理。

4 管存計(jì)算的應(yīng)用及意義

管存計(jì)算已經(jīng)成為長輸管道系統(tǒng)管理一個(gè)不可或缺的功能模塊，在實(shí)際中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，目前使用管存計(jì)算的管道主要有陜京管道、西氣東輸管道、川氣東送管道。

川氣東送管道的SCADA系統(tǒng)相對較為完善，能夠獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)較全面，管存的計(jì)算也相對精確。在天然氣管段的運(yùn)維中，確定合理的運(yùn)維管存計(jì)算是非常有必要的。管存的計(jì)算不僅在救災(zāi)決策方面發(fā)揮作用，在管線正常運(yùn)維，管道事故預(yù)警等諸多方面也解決了很多棘手的問題，管存計(jì)算能夠精確的發(fā)揮作用還在于SCADA系統(tǒng)和留守人員對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和整合，通過管存預(yù)測管段運(yùn)維變化情況，使管道的事故能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確的救治。

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