基于SPS軟件的原油管道動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用與探討

趙雨桐

[摘 要] SPS（Stoner Pipeline Simulator）起源于20世紀(jì)70年代，最初出自Stoner公司，是一款優(yōu)秀的水力學(xué)動(dòng)態(tài)模擬仿真軟件，已經(jīng)過了近40年的發(fā)展及工程應(yīng)用，于2007年正式被德國(guó)GL公司收購(gòu)，SPS軟件在管道仿真領(lǐng)域是全球公認(rèn)的領(lǐng)跑者，在中國(guó)乃至全世界范圍內(nèi)，其瞬態(tài)模擬速度及精確度至今難被超越，靈活的二次開發(fā)接口及邏輯控制腳本，使其在工程應(yīng)用中更加得心應(yīng)手。本文以中國(guó)石化某原油管道為例，簡(jiǎn)要介紹了利用SPS搭建原油管道仿真系統(tǒng)的過程及應(yīng)用效果，為原油管道的精細(xì)化管理提供了有力支撐。

[關(guān)鍵詞] 仿真軟件；動(dòng)態(tài)仿真；原油管道

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 16. 023

[中圖分類號(hào)] F272.7；TE832 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2014）16- 0036- 03

1 引 言

現(xiàn)代長(zhǎng)輸管道向著大型化、連續(xù)化、管網(wǎng)化及輸送介質(zhì)多樣化的方向發(fā)展，其輸送過程日趨復(fù)雜。調(diào)度人員在做出控制決策或運(yùn)行方案時(shí)需要考慮的因素很多，如果沒有準(zhǔn)確、迅速的水力學(xué)核算工具及管道工況分析手段，短時(shí)間內(nèi)做出安全可靠的控制決策或安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方案是十分困難的。

利用SPS軟件搭建管道仿真模型，通過其二次開發(fā)接口開發(fā)逼真的操作員界面，結(jié)合SPS功能強(qiáng)大的邏輯控制腳本，將管道各類控制邏輯融入到仿真模型中（如：PID控制邏輯、高低壓泄壓保護(hù)邏輯、各類壓力開關(guān)保護(hù)邏輯、水擊保護(hù)邏輯及各類設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制邏輯），完全真實(shí)再現(xiàn)管道的運(yùn)行過程及控制過程，為管道水力學(xué)核算、調(diào)度人員培訓(xùn)考核，各類運(yùn)行工況制定及比選，事故工況模擬與演練提供了必要的工具。

2 管道相關(guān)基礎(chǔ)資料

某原油管道全長(zhǎng)390km，全線采用？準(zhǔn)914鋼管，設(shè)計(jì)壓力8.5MPa，共設(shè)5座輸油站場(chǎng)，S1站為首站，有4臺(tái)輸油主泵，S2站現(xiàn)階段主要采用越站流程（故將模型簡(jiǎn)化），S3站為中間泵站，泵配制與首站相同，S4站同樣采用越站流程（與S2站相同），S5站為末站。管道結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

建立本仿真模型主要以實(shí)驗(yàn)研究為目的，進(jìn)行基本的水力、熱力計(jì)算，為提高效率，將管道工藝流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，部分備用流程、清管流程等未在模型中予以考慮。若仿真模型包含培訓(xùn)目的，建議按管道實(shí)際情況搭建仿真模型。

3 仿真模型建立

通過SPS軟件所提供的Model Builder模塊進(jìn)行圖形化建模，鼠標(biāo)點(diǎn)、選、拖、拽即可完成管道模型建立，如圖2所示，各類設(shè)備相應(yīng)參數(shù)通過鼠標(biāo)雙擊彈出對(duì)話框的形式輸入。

在SPS的文件系統(tǒng)中，管道物理模型以擴(kuò)展名為.inprep的文本形式保存，模型中以虛擬結(jié)點(diǎn)（Node）來識(shí)別設(shè)備與設(shè)備之間的連接關(guān)系，在熟練掌握inprep文件定義規(guī)則的情況下，直接利用管道CAD工藝流程圖及相關(guān)資料，手動(dòng)輸入.inprep文件建模將效率更高。

定義油品物性：在.inprep文件中，通過STATE SCL狀態(tài)方式來定義油品物性參數(shù)，需要輸入的參數(shù)包括密度、黏度、比熱容以及在界面中的顯示顏色等，將黏溫曲線擬合成對(duì)數(shù)函數(shù)并錄入A、B常量。如下表示：

STATE SCL

+ FLUID OIL /*某管道進(jìn)口原油物性定義

+ DENSITY 0.1 20 859 916 000

+ VISC 7.996 4 0 -0.128 7

+ HCAP 2.4

+ COLOR RED

定義閥門：SPS軟件中閥門大致分為普通截?cái)嚅y（Block valve）、止回閥（Check valve）、理想化調(diào)節(jié)閥（Idealized regulator control valve）、調(diào)節(jié)閥（Control valve）等幾個(gè)主要類型，以下為普通截?cái)嚅y定義方式：

B B1 N4 N3 OPEN2 CLSE2 0.0 6 000 1 0

其中：

B 表示定義截?cái)嚅y；

B1 閥門名稱；

N4 上游結(jié)點(diǎn)名稱；

N3 下游結(jié)點(diǎn)名稱；

OPEN2在指定時(shí)間內(nèi)均勻打開閥門，閥門開度與流通率曲線的線性關(guān)系；

CLSE2在指定時(shí)間內(nèi)均勻關(guān)閉閥門，閥門開度與流通率曲線的線性關(guān)系；

0.0閥門關(guān)閉狀態(tài)下的最小流通能力 m3/h；

6 000 閥門全開狀態(tài)下的最大流通能力m3/h；

1 閥門從開全位到全關(guān)位的最大行程時(shí)間 min；

0 默認(rèn)狀態(tài)下閥門開關(guān)狀態(tài)（0表示關(guān)，1表示開）。

對(duì)于通過PID控制的調(diào)節(jié)閥，SPS可逼真的模擬調(diào)節(jié)閥PID控制過程，結(jié)合管道中調(diào)節(jié)閥實(shí)際所采用的PID控制參數(shù)，來設(shè)定仿真模型中調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)，從而更加逼真地模擬管道瞬態(tài)變化過程。

定義管段：.inprep文件中定義管段，需要輸入管段名稱、上下游結(jié)點(diǎn)名稱、管段長(zhǎng)度、管徑、壁厚、K值、F值、防腐層、保溫層相關(guān)參數(shù)以及地溫參數(shù)，還包括里程對(duì)應(yīng)海拔曲線以及最大承壓能力。

定義輸油泵：需要輸入泵的額定轉(zhuǎn)速、額定流量、額定揚(yáng)程、額定功率、揚(yáng)程-流量曲線、功率-流量曲線、效率-流量曲線，變頻泵還需輸入不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線。

SPS提供的控制命令及邏輯控制腳本，可完成管道幾乎所有控制邏輯，包括：OPEN命令、CLOSE命令、START命令、STOP命令、SET命令LOAD命令等，邏輯語(yǔ)言包括：IF、WHENEVER、DEF.SEQ、DEFINE等，多達(dá)數(shù)十種，以下列舉了幾類控制腳本的語(yǔ)法：

泵閥聯(lián)動(dòng)邏輯：當(dāng)泵P1狀態(tài)為STOPPING時(shí)，關(guān)閥出口閥B3，當(dāng)泵P1狀態(tài)為STARTING時(shí)，打開出口閥B3，如下所示：

WHENEVER（P1：ST=STOPPING）

{

CLOSE B3

}

WHENEVER（P1：ST=STARTING）

{

OPEN B3

}

首站甩泵觸發(fā)全線ESD邏輯，首站4臺(tái)主泵因停電或其他未知原因全部實(shí)效，觸發(fā)ESD邏輯，1分鐘后關(guān)停S3站4臺(tái)輸油主泵，2分鐘后關(guān)閉末站進(jìn)站閥，水擊保護(hù)邏輯定義方式如下：

DEF. SEQ S1ESD

{

STOP P1

STOP P2

STOP P3

STOP P4

WAIT 1

STOP P4

STOP P5

STOP P6

STOP P6

WAIT 1

CLOSE B23

}

按照上述方式，遵循SPS軟件建模規(guī)則，嚴(yán)格按照管道實(shí)際參數(shù)及控制邏輯搭建形成的管道仿真模型不僅是優(yōu)秀的仿真平臺(tái)，同時(shí)也是大量管道物理參數(shù)的管理和驗(yàn)證工具。

通過SPS軟件提供的二次開發(fā)接口，可利用VB、VC等主流編程語(yǔ)言，按用戶習(xí)慣開發(fā)操作界面，使用戶界面更加貼近SCADA系統(tǒng)，SPS9.8以上版本，可支持OPC接口協(xié)議，目前主流的上位組態(tài)軟件，如InTouch、IFix、組態(tài)王、WinCC等上位軟件，支持OPC協(xié)議都可直接將其操作界面作為仿真模型的人機(jī)界面，使操作與實(shí)際生產(chǎn)更加貼近。

4 仿真系統(tǒng)應(yīng)用

仿真模型的精準(zhǔn)度是后續(xù)一切應(yīng)用的基礎(chǔ)，如果模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際管道運(yùn)行參數(shù)差距較大，則仿真系統(tǒng)沒有應(yīng)用價(jià)值。

本仿真系統(tǒng)充分收集了某原油管道各類參數(shù)，嚴(yán)格按照SPS建模要求搭建仿真模型，通過與實(shí)際管道運(yùn)行參數(shù)對(duì)比，其模擬精度在3%以內(nèi)，表1～表2為年輸量1 250×104m3/a工況下，管道在某一時(shí)刻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況與仿真模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。

經(jīng)過精度矯正的仿真系統(tǒng)，作為管道生產(chǎn)調(diào)度必備的運(yùn)行分析工具，在以下幾個(gè)方面發(fā)揮了重要作用：

（1）在日常運(yùn)行過程中，進(jìn)行基本的水力熱力核算，幫助調(diào)度人員制訂運(yùn)行方案，并對(duì)制訂的運(yùn)行方案進(jìn)行驗(yàn)證；分析管道啟停輸、變工況等操作的合理性，分析管道水擊，制訂更合理的操作方案。

（2）對(duì)調(diào)度人員進(jìn)行培訓(xùn)及考核，完全模擬SCADA系統(tǒng)的操作界面提供了直觀的培訓(xùn)環(huán)境，對(duì)于新調(diào)度人員對(duì)管道水力特征的熟悉及老調(diào)度人員操作水平的提高起到了至關(guān)重要的作用。

（3）同時(shí)通過邏輯控制腳本，設(shè)定各類事故工況，如管道泄漏、堵塞、泵機(jī)組意外停機(jī)、考核調(diào)度人員應(yīng)急處理能力。

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