不確定性在管道流動安全評價中的研究進(jìn)展

潘 峰，付曉明，楊廣仁，王 輝，陳雙慶

?

不確定性在管道流動安全評價中的研究進(jìn)展

潘 峰1，付曉明2，楊廣仁2，王 輝2，陳雙慶1

（1. 東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司儲運(yùn)銷售分公司，黑龍江 大慶 163000）

油氣集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)首先要保證管道內(nèi)介質(zhì)流動的安全性，由于與原油管道輸送相關(guān)的原油物性參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境因素具有很強(qiáng)的不確定性，因此傳統(tǒng)的確定性方法進(jìn)行管道流動安全性評價有很多局限性?；仡櫫藝鴥?nèi)學(xué)者對管道輸送相關(guān)參數(shù)不確定性研究現(xiàn)狀，并對油氣儲運(yùn)工程領(lǐng)域不確定性研究的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討，從而為管道流動安全性評價提供了理論基礎(chǔ)。

流動安全評價；不確定性；工程應(yīng)用；研究進(jìn)展

油氣集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)首先要保證管道內(nèi)介質(zhì)流動的安全性，原油管道介質(zhì)流動失效主要包括凝管和蠟堵。而進(jìn)行管道介質(zhì)流動安全性評價首先需要確定管道埋深、地溫、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、原油流變性等參數(shù)。受環(huán)境及原油自身因素的影響，這些在原油管輸過程中所涉及參數(shù)往往具有很強(qiáng)的不確定性。而目前，這些具有不確定性的量往往按照確定的量進(jìn)行處理，這種確定性方法存在著很多不足。例如，為了降低凝管風(fēng)險，工程中的現(xiàn)行做法是控制管道進(jìn)站溫度高于凝點(diǎn)以上3 ℃，以此來反算最低出站溫度。而這一做法的前提是將管輸油品物性、管道運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等視為確定的量。實(shí)際上，這些參數(shù)都具有不確定性，現(xiàn)行做法難以反映管道真實(shí)的安全性水平。例如，某油品凝點(diǎn)是28 ℃（均值），進(jìn)站溫度是30 ℃時安全性就不一定差。原因在于油品的凝點(diǎn)是波動的，若凝點(diǎn)波動值大于1 ℃且偏小，此時原油的凝點(diǎn)很可能低于均值28 ℃，管道的安全性仍有保證。以此類推，包括原油物性（凝點(diǎn)、粘度、觸變性等）、土壤物性（土壤導(dǎo)熱系數(shù)、地溫等）、管道運(yùn)行參數(shù)（管道輸量、進(jìn)出站溫度、進(jìn)出站壓力）等，這些參數(shù)在不同程度上都具有不確定性。ISO 16708指出在管道壽命期內(nèi)的設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)和運(yùn)行階段，都存在著不確定性，管道實(shí)際運(yùn)行過程中不確定性的參數(shù)是普遍存在的，而且波動范圍很大。確定性評價方法通常采用均值進(jìn)行計(jì)算，難以考慮數(shù)據(jù)波動對管道運(yùn)行安全可能產(chǎn)生的影響。

不確定性的研究方法主要有兩種：一種是用概率分布模型來描述某一變量的不確定性方法，這種方法研究的是變量本身的不確定性；第二種是引入隨機(jī)因子，在物理模型中引入一個隨機(jī)因子來描述模型的不確定性，這種方式是通過引入隨機(jī)因子來修正因模型的簡化和不完善等產(chǎn)生的不確定性。本文回顧了原油物性及流變性、管道運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等的不確定性研究現(xiàn)狀和方法，并給出了今后的發(fā)展趨勢，從而為油氣管道的流動安全性評價提供了理論依據(jù)。

1 原油物性及流變性的不確定性

原油本身是一種極其復(fù)雜的烴類和非烴類的液態(tài)混合物，對原油流變性影響很大的組分(蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等)，從化學(xué)上講是一類物質(zhì)的集合，而不是在分子結(jié)構(gòu)上很清楚的某一種物質(zhì)。含蠟原油的流變性不僅取決于組成，還與經(jīng)歷的熱歷史、剪切歷史等外因有關(guān)，并體現(xiàn)著隨機(jī)性和模糊性兩個方面的不確定性。此外，原油流動性參數(shù)的不確定性不僅與原油本身的組成有關(guān)，還與實(shí)驗(yàn)儀器等因素有關(guān)。當(dāng)然，對于給定原油，粘度隨溫度的變化是確定的（不屬于不確定性的范疇）。本文總結(jié)的粘度不確定性，主要是指同一溫度下由于管內(nèi)油品組成差異造成的粘度的不確定性，屬于本征不確定性，而非由于溫度變化引起的粘度變化。

2 管道運(yùn)行參數(shù)的不確定性

通過分析 SCADA 系統(tǒng)采集到的管道實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，即使在不考慮人為的輸送計(jì)劃調(diào)整時，管道運(yùn)行參數(shù)（管道輸量、進(jìn)出站壓力、進(jìn)出站溫度等）在給定的泵和加熱爐組合工況下，也是在一定范圍內(nèi)波動的。管道的運(yùn)行參數(shù)（管道輸量、進(jìn)出站壓力、進(jìn)出站溫度等）存在波動，確定性評價方法通常采用均值進(jìn)行計(jì)算，難以考慮數(shù)據(jù)波動對管道運(yùn)行安全可能產(chǎn)生的影響。原油管道運(yùn)行過程中，進(jìn)出站壓力、進(jìn)出站溫度、進(jìn)出站流量等主要運(yùn)行參數(shù)都具有不確定性，且都會對管道流動安全性產(chǎn)生影響。

3 環(huán)境參數(shù)的不確定性

無論是礦場油氣集輸管道還是油氣長距離輸送管道，往往綿延數(shù)百、甚至數(shù)千公里，沿線管道埋深、土壤物性、管道敷設(shè)處自然地溫均存在不確定性，這里面既有由于土壤組成不同而產(chǎn)生的不確定性，也有由于測量、計(jì)算模型產(chǎn)生的認(rèn)知不確定性。確定性方法往往忽略環(huán)境參數(shù)的不確定性，如目前業(yè)內(nèi)都采用站間當(dāng)量數(shù)值進(jìn)行工藝計(jì)算，最典型的莫過于“總傳熱系數(shù)”，對于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，這是可行的。然而，對于非穩(wěn)態(tài)工況，特別是停輸再啟動分析，這種采用站間平均參數(shù)的確定性分析方法的缺陷顯而易見。當(dāng)然，由于管道埋深處（地下一定深度）地溫隨季節(jié)的變化基本上是確定的。本文總結(jié)的地溫不確定性，主要是指由于測量或統(tǒng)計(jì)的原因產(chǎn)生的地溫的不確定性，屬于認(rèn)知不確定性范疇，而非地溫隨季節(jié)的變化。

4 不確定性研究在油氣儲運(yùn)工程中的發(fā)展趨勢

目前而言，國內(nèi)學(xué)者對參數(shù)不確定性的研究主要是指通過統(tǒng)計(jì)分析的方法得到不確定性參數(shù)的分布模型和相應(yīng)的模型參數(shù)，目前用來表示不確定性參數(shù)的分布主要是常見的概率分布，其中以正態(tài)分布與Poisson分布最為常見。總體而言，相對于巖土工程、機(jī)械工程等領(lǐng)域，不確定性研究在油氣儲運(yùn)工程中的起步較晚，并主要將不確定性研究的成果應(yīng)用于含蠟原油管道停輸再啟動安全性評價，對于管道正常運(yùn)行中的安全性評價問題應(yīng)用較少。由于受多種復(fù)雜因素的影響，工程實(shí)際中的問題可能并不嚴(yán)格符合常用的概率分布，而是服從某種未知的分布或幾種常用分布的組合。對目前環(huán)境參數(shù)（管道埋深、埋深處地溫、土壤導(dǎo)熱系數(shù)）等不確定參數(shù)均直接確定服從正態(tài)分布，直接給出均值和標(biāo)準(zhǔn)差，顯然是不可靠的。此外對于不符合某種特定分布模型（如正態(tài)分布、指數(shù)分布等）的樣本，ISO 16708中的方法是不適用的。因此在今后的研究中可以參考其他領(lǐng)域的方法，綜合運(yùn)用模糊分布法、最大熵原理等方法來研究流動性參數(shù)的不確定性是今后的研究方向。

5 結(jié)束語

總而言之，對參數(shù)進(jìn)行不確定性分析，就是在弄清楚參數(shù)不確定性來源的前提下，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法確定參數(shù)的隨機(jī)概率分布，也就是參數(shù)的分布模型和相應(yīng)的模型參數(shù)。但是，由于造成數(shù)據(jù)不確定性的原因各異，以及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)樣本容量的不同，對于不同的參數(shù)，采用的不確定性分析方法也會有所不同。當(dāng)然，研究不確定性因素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律需要大量的數(shù)據(jù)，因此與管道流動安全性有關(guān)的參數(shù)全部作為不確定性參數(shù)考慮并不現(xiàn)實(shí)，可將對管道流動安全性影響較小，通?？梢院雎云洳淮_定性的參數(shù)作為確定性參數(shù)考慮。統(tǒng)計(jì)相關(guān)參數(shù)的不確定性，對流動安全性進(jìn)行評價，不僅具有重要的科學(xué)意義，并且對于輸油管道的安全運(yùn)行、節(jié)能減排具有極其重要的工程應(yīng)用價值。

［1］ 許康,張勁軍.埋地含蠟原油管道流動安全性評價方法[J].天然氣與石油,2006,24(2):5-8.

［2］ 苗青,閆鋒,徐波,等.基于可靠性的原油管道流動安全管理體系構(gòu)建[J].油氣儲運(yùn),2013,32(8):805-808.

［3］ 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)規(guī)范.SY/T5536-2004,原油管道運(yùn)行規(guī)程[S].北京:石油工業(yè)出版社,2004.

［4］胡興喬.原油流動性參數(shù)不確定性的研究[D].北京:中國石油大學(xué),2012.19(1)：66-72．

［5］ Petroleum and natural gas industries pipeline transportation systems reliability based limit state methods(ISO16708).ISO[S].2006.

［6］ 許康，張勁軍.管輸含蠟原油黏度的不確定性及概率分布研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報,2004,19(5):35-37.

［7］ 許康.埋地含蠟原油管道流動安全性評價方法研究及應(yīng)用[D].北京:中國石油大學(xué),2005.

［8］ 范華軍.基于可靠性的含蠟原油管道流動安全性評價方法研究[D].北京:中國石油大學(xué)，2008.

［9］ 王鳳芝.基于可靠性的熱油管道進(jìn)站溫度安全性研究[D].北京:中國石油大學(xué),2009.

［10］ 譚海軍.埋地含蠟原油管道流動安全評價方法研究與應(yīng)用[D].北京:中國石油大學(xué),2007.

［11］張文軻.原油管道停輸再啟動可靠性分析及隨機(jī)數(shù)值模擬研究[D].北京:中國石油大學(xué),2011.

［12］丁建林.熱含蠟原油管道流動安全問題研究[D].北京:中國石油大學(xué),2007.

［13］帥健,卜文平.輸油管道運(yùn)行參數(shù)及檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析[J].油氣儲運(yùn),2006,25(12):35-37.

［14］苗青,衣桂影,徐波，等.中國－朝鮮原油管道中方段流動安全性評價[J].油氣儲運(yùn),2011,30(4):252-254.

［15］張文軻,張勁軍,丁建林.中洛輸油管道輸量和出站溫度概率分布[J].油氣儲運(yùn),2010,29(1):32-35.

［16］肖俏.秦京原油管道流動安全性評價[D].北京:中國石油大學(xué),2015.

［17］胡葦瑋.西部原油管道主要運(yùn)行參數(shù)不確定性分析[D].北京:中國石油大學(xué),2012.

［18］李鳳.有關(guān)因素對埋地含蠟原油管道流動安全性的影響[D].北京:中國石油大學(xué),2007.

［19］王全寶.西部原油管道進(jìn)站溫度與凝點(diǎn)關(guān)系概率分析軟件開發(fā)[D].北京:中國石油大學(xué),2015.

［20］于鵬飛.含蠟原油管道凝管概率研究[D].北京:中國石油大學(xué),2014.

［21］苗青,宋建河,高國平,等.秦京輸油管道停輸再啟動安全性評價與建議[J].油氣儲運(yùn),2011,30(3):166-169.

［22］張繼周,繆林昌,劉峰.巖土參數(shù)的不確定性及其統(tǒng)計(jì)方法[J].巖土力學(xué),2011,28(增刊):495-499.

［23］肖寧聰.隨機(jī)和認(rèn)知不確定性下的結(jié)構(gòu)可靠性方法研究[D].成都:電子科技大學(xué),2012.

Research Progress of the Uncertainty in Pipeline Flow Safety Assessment

1,2,2,2,1

（1.Petroleurm Engineering College, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China;2. Daqing Oilfield Company Transportation and Storage and Marketing Branch, Heilongjiang Daqing 163000，China）

The design of oil and gas gathering and transportation network must first ensure the safety of the medium flow in the pipeline. Due to the uncertainty of crude oil physical parameters, operating parameters and environmental factors related to crude oil pipeline transportation, traditional deterministic methods have many limitations to the safety assessment of pipeline flow. In this paper, research status of uncertainties in pipeline transportation was reviewed, and the development trend of uncertainties in the field of oil and gas storage and transportation engineering was discussed, in order to provide a theoretical basis for pipeline flow safety evaluation.

Flow safety assessment;Uncertainty; Engineering application; Research progress

TE 832

A

1671-0460（2017）08-1671-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“受約束三維地形條件下油氣集輸系統(tǒng)模糊布局優(yōu)化研究”,51674086。

2016-12-22

潘峰（1993-），男，遼寧省撫順市人，東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)在讀研究生，2015年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：主要從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)研究。E-mail：panfengnepu@sina.com。