在油田應(yīng)用輸油管道仿真系統(tǒng)的淺析

馬潔

【摘要】輸油管道仿真是以油氣儲運輸送工藝中，管內(nèi)原油穩(wěn)定流和瞬變流的數(shù)學(xué)描述及求解為核心，綜合應(yīng)用油氣儲運、流體力學(xué)、計算機、自動化、網(wǎng)絡(luò)通信等多學(xué)科知識的前沿技術(shù)。輸油管道仿真技術(shù)已成為提升油田管道管理水平的有效途徑，是實現(xiàn)管道智能化管理的重要手段。根據(jù)油田目前輸油管道系統(tǒng)的現(xiàn)狀，文中結(jié)合仿真技術(shù)的內(nèi)容和要求，客觀分析了影響構(gòu)建油田輸油管道仿真系統(tǒng)的一些因素，并提出應(yīng)對措施和建議，為構(gòu)建油田輸油管道仿真系統(tǒng)進行了有益的思考。

【關(guān)鍵詞】輸油管道;數(shù)學(xué)模型;仿真;管理

一、油田應(yīng)用輸油管道仿真系統(tǒng)的現(xiàn)狀

在油田的生產(chǎn)中，輸油管道就象油田的主動脈一樣，對油田的正常運轉(zhuǎn)起著不可替代的作用。隨著生產(chǎn)管理向安全、經(jīng)濟、高效目標(biāo)的時代邁進，對輸油管道的運行管理提出了更高的要求。根據(jù)輸送任務(wù)的不同，要保證包括首末站、增壓站、注入站（甚至分輸站）及中間管道這樣一個完整的管道體系，在系統(tǒng)內(nèi)外部條件給定的前提下，能夠隨時動態(tài)地協(xié)調(diào)沿線各單元及配套系統(tǒng)的供能設(shè)備運行，合理調(diào)配生產(chǎn)工藝參數(shù)，使全系統(tǒng)始終處于安全平穩(wěn)的最優(yōu)化的運行狀態(tài)一管道的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)最佳，整個系統(tǒng)以最低的能耗完成輸送任務(wù)，要實現(xiàn)這種管理要求是十分復(fù)雜的。另外，要保障管道系統(tǒng)在發(fā)生閥門誤關(guān)閉、泵站突然停電、管道泄漏、凝管、堵塞、管道破裂、地震等突發(fā)事件時的安全，能夠及時根據(jù)管道沿線工況的變化，提前預(yù)警或在事件發(fā)生后用最短的時間確定相應(yīng)的調(diào)節(jié)方案和處理措施，這都是現(xiàn)代管道科學(xué)管理的要求。

輸油管道的計算機仿真技術(shù)正是為了滿足現(xiàn)代管道科學(xué)管理要求而發(fā)展起來的。到目前為止，世界上許多著名的管道公司花費了大量的人力物力從事管道仿真技術(shù)的研究，開發(fā)出了功能強大、使用靈活的仿真軟件，比較知名的有TLNET、SPS等，通過實際生產(chǎn)的驗證和應(yīng)用，取得了非常好的使用效果。國內(nèi)的有關(guān)公司和大學(xué)等研究單位從上世紀(jì)90年代開始，在引進和消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，在管道仿真軟件應(yīng)用和開發(fā)方面做了大量的工作，促進了管道仿真技術(shù)在我國的發(fā)展，管道的仿真管理代表著目前輸油管道管理的最高水平。

二、油田應(yīng)用輸油管道仿真系統(tǒng)存在的不足

輸油管道系統(tǒng)是包括管線和沿線各站的一個統(tǒng)一的水力、熱力體系，只有進行全線的統(tǒng)一管理和調(diào)度，才能實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化運行，才能充分發(fā)揮自動化系統(tǒng)的作用。目前輸油管道系統(tǒng)只是完成了數(shù)據(jù)采集功能，基本沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線處理和運行優(yōu)化以及聯(lián)鎖控制，如油罐液位超高自動切斷進口閥，油罐低液位聯(lián)鎖停泵，加熱爐在停輸后自動聯(lián)鎖停爐等。沒有實現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)分析處理，造成采集數(shù)據(jù)沒有實現(xiàn)綜合性、關(guān)聯(lián)性分析。工藝流程操作中的很多數(shù)據(jù)是關(guān)聯(lián)的，如流量計的數(shù)據(jù)跟油罐液位之間的關(guān)系、各點壓力、溫度變化先后等，對于這些數(shù)據(jù)進行智能分析，可以迅速發(fā)現(xiàn)流程誤操作、發(fā)現(xiàn)油罐跑油事故、及早發(fā)現(xiàn)儀表故障等;如通過輸油泵前后壓力、溫度、流量、電量數(shù)據(jù)，可得出輸油泵效率，通過對輸油管道進出壓力、溫度、流量、地溫等數(shù)據(jù)的分析，可以計算出輸油效率，進而用于指導(dǎo)調(diào)度生產(chǎn)等具有重要的意義。輸油站庫均沒有高壓泄壓就地保護設(shè)施，在事故狀態(tài)或全線統(tǒng)一調(diào)控的情況下，不能滿足工藝過程對系統(tǒng)安全的要求。由于各種原因，仍然需要大量的人工參與數(shù)據(jù)的錄取和記錄、計算、傳遞，這樣就增加了出現(xiàn)諸如手工計算日報產(chǎn)生誤差這種人為誤差的幾率，并降低效率，對于機械的、常規(guī)的工作應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字化系統(tǒng)的功能，減少人為的誤差。

三、油田應(yīng)用輸油管道仿真系統(tǒng)的建議

（一）對采集的歷史數(shù)據(jù)進行妥善管理

輸油管道的仿真系統(tǒng)的核心是建立對本管道系統(tǒng)水力瞬變流的全面準(zhǔn)確描述，主要難點體現(xiàn)在邊界條件的準(zhǔn)確模擬。每一個管道系統(tǒng)，其具體組成的系統(tǒng)單元不同，位置各異。由于管道運行控制是通過對各站設(shè)備的操作來實現(xiàn)的，而設(shè)備的動作、調(diào)節(jié)會產(chǎn)生擾動，沿線各站場工藝流程不同，流動發(fā)生變化時對管道的影響也不同，管道動態(tài)過程產(chǎn)生的壓力波到達各種邊界時發(fā)生的通過和反射情況與各站的流程有關(guān)，所以必須針對不同的管道系統(tǒng)，根據(jù)該系統(tǒng)中管道上設(shè)置的設(shè)備、站場等單元的特性和各種操作補充計算方程（邊界條件）。由于各站的流程和設(shè)備復(fù)雜多變，則對這些多種多樣邊界條件的數(shù)學(xué)描述必須完整準(zhǔn)確、有針對性。對于已建管道系統(tǒng)運行的歷史數(shù)據(jù)，尤其是一些關(guān)鍵參數(shù)及突發(fā)事件時系統(tǒng)采集的各種可靠數(shù)據(jù)，為建立和求解這些復(fù)雜的邊界條件提供了的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，成為了重要的實際參考依據(jù)。同時，要求值班人員對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)及時比對，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有偏差時，盡快對現(xiàn)場儀器儀表進行檢查或標(biāo)定，確保數(shù)據(jù)記錄的可靠性。

（二）建立完整的管道系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

在仿真系統(tǒng)運行時需要用到的管道系統(tǒng)主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有：①線路數(shù)據(jù)：管道的全程縱斷面數(shù)據(jù)，管線轉(zhuǎn)角位置，變徑點、中間截斷閥參數(shù);②油品數(shù)據(jù)：粘度、密度、比熱、飽和蒸汽壓、體積膨脹系數(shù);③設(shè)備數(shù)據(jù)：輸油泵參數(shù)（額定轉(zhuǎn)速、額定功率、泵特性曲線參數(shù)、調(diào)速特性參數(shù)），泄壓閥參數(shù)（直徑、特性曲線、最大泄流量）等;④站場數(shù)據(jù)：輸油泵（種類、聯(lián)結(jié)方式、臺數(shù)、控制方式），電價，站內(nèi)摩阻，泄壓閥種類，調(diào)節(jié)閥種類，調(diào)節(jié)設(shè)定值，流程控制設(shè)定參數(shù)，參數(shù)聯(lián)鎖邏輯等等。

（三）在仿真軟件的選擇和開發(fā)上要注重實際及長遠(yuǎn)規(guī)劃

目前，國內(nèi)外的各種仿真軟件種類很多，各有特點和長處。每一個管道運營企業(yè)都有自己的管理模式和特點，其建立的輸油管道仿真管理系統(tǒng)主要圍繞本企業(yè)生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理來開展工作。在實現(xiàn)以上工作內(nèi)容時，建立一套符合本企業(yè)管道自身生產(chǎn)實際和管理特點的管道仿真系統(tǒng)，把握好經(jīng)濟性和實用性的平衡。最后，要建立一支有經(jīng)驗的運行操作隊伍

由于管道仿真軟件屬于專業(yè)軟件，在軟件的維護及功能的深層次使用中，需要不僅熟悉輸送工藝，而且要比較熟悉計算機和自動化、數(shù)字通信方面的復(fù)合型人才，這樣才能發(fā)揮仿真系統(tǒng)的作用，達到智能化管理輸油管道的目的。