輸油泵站動(dòng)態(tài)特性仿真平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用

楊 文，周晨初，謝 成，劉 靜

1.中國(guó)石化銷售股份有限公司華南分公司，廣東廣州 510620

2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安 710100

現(xiàn)代長(zhǎng)輸管道向著大型化、密閉化的方向發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)效益提高的同時(shí)，輸送過(guò)程變得更加復(fù)雜，使得人們更難于了解和掌握管道系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，以及對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行有效管理、合理調(diào)度、可靠運(yùn)行[1]。利用仿真技術(shù)能真實(shí)地再現(xiàn)管道內(nèi)油品的流動(dòng)規(guī)律，壓力、流量等分布情況和隨時(shí)間變化趨勢(shì)，不僅能快速解決問(wèn)題，而且可以節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)，為管道工業(yè)帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

隨著石油行業(yè)的迅速發(fā)展，管道仿真技術(shù)日益成熟，在國(guó)外已形成很多成熟的軟件，如SPS、PipelineStudio、ATMOSSim、PIPEWORK、SURGE等[3-4]。這些大型軟件被各管道公司采用且發(fā)揮了巨大的作用。自上世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)外相關(guān)軟件，加深了對(duì)管道仿真技術(shù)的了解，管網(wǎng)仿真理論、建模求解及運(yùn)營(yíng)優(yōu)化技術(shù)基本成熟[5-6]。2012年我國(guó)發(fā)布了首款自主研發(fā)的氣管道仿真軟件RealPipe。這些軟件基本都能模擬管網(wǎng)中的流動(dòng)和控制，但主要還是用于仿真教學(xué)培訓(xùn)、管理控制方案的研究，未形成大規(guī)模應(yīng)用局面，依然不能擺脫對(duì)國(guó)外軟件的依賴。

目前，國(guó)內(nèi)外仿真軟件主要關(guān)注于管道的穩(wěn)態(tài)或連續(xù)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，而對(duì)泵站內(nèi)研究較少。泵站是成品油管道系統(tǒng)的“心臟”，為管網(wǎng)提供必需的輸運(yùn)壓力，控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，是影響系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的主要環(huán)節(jié)。相比于管道，泵站流道更加復(fù)雜。泵站內(nèi)設(shè)備的動(dòng)態(tài)過(guò)程多，如輸油泵啟停機(jī)、截止閥打開、關(guān)閉等會(huì)使系統(tǒng)工作參數(shù)短時(shí)間發(fā)生大幅度變化。這些變化隨著非線性系統(tǒng)的傳導(dǎo)、放大，很容易使單體設(shè)備在某時(shí)刻工作在極為惡劣的工況，從而發(fā)生故障，如管道系統(tǒng)關(guān)閥水擊超壓、設(shè)備間耦合共振等。本文針對(duì)輸油泵站內(nèi)單體設(shè)備的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程及其相互影響，以“模型重用、系統(tǒng)重構(gòu)”為技術(shù)特征，綜合利用模塊化技術(shù)，構(gòu)建了通用化動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)單體設(shè)備、泵站、管網(wǎng)系統(tǒng)的快速建模和動(dòng)態(tài)工作過(guò)程仿真分析。

1 仿真軟件平臺(tái)框架

1.1 軟件架構(gòu)

在成熟液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件基礎(chǔ)上，根據(jù)輸油泵站仿真特點(diǎn)，改進(jìn)底層設(shè)計(jì)，開發(fā)設(shè)備模型，形成通用化輸油站場(chǎng)仿真平臺(tái)。平臺(tái)架構(gòu)與模塊化建模相適應(yīng)，模型庫(kù)開發(fā)考慮了拓展性，支持從零件、設(shè)備、泵站到管網(wǎng)等不同復(fù)雜度系統(tǒng)拓展，軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示。軟件底層架構(gòu)采用C++語(yǔ)言開發(fā)，語(yǔ)言通用性好；單體設(shè)備模型庫(kù)采用目前國(guó)際先進(jìn)的的工程編程語(yǔ)言Modelica進(jìn)行建模，支持多學(xué)科、多領(lǐng)域系統(tǒng)統(tǒng)一建模和圖形化建模，工作人員可將主要精力投入到典型單體設(shè)備工作過(guò)程的認(rèn)識(shí)和精細(xì)化建模上，對(duì)工作人員編程能力要求低。最終形成以C++語(yǔ)言為底層架構(gòu)，以Modelica為模型開發(fā)語(yǔ)言的仿真平臺(tái)，底層架構(gòu)與模型開發(fā)部分的關(guān)系如圖2所示。

圖1 軟件平臺(tái)總體架構(gòu)

1.2 層次化、模塊化建模

圖2 平臺(tái)底層架構(gòu)與模型開發(fā)部分關(guān)系

采用模塊化建模技術(shù)，把站場(chǎng)系統(tǒng)看成多個(gè)單體設(shè)備的組合，如：儲(chǔ)罐、輸油泵、電機(jī)、管道、閥門等。采用面向?qū)ο蟮木幊?，?duì)各設(shè)備的物理過(guò)程、公共屬性操作進(jìn)行封裝，形成功能獨(dú)立的仿真模塊，實(shí)現(xiàn)模型重用，規(guī)定各單體設(shè)備模型均采用統(tǒng)一接口，采用自下而上的系統(tǒng)搭建，根據(jù)各個(gè)輸油泵站的實(shí)際構(gòu)成，建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“模型重用、系統(tǒng)重構(gòu)”。用戶可以根據(jù)需要，利用現(xiàn)有模型庫(kù)逐級(jí)完成從零件到設(shè)備、泵站、管網(wǎng)級(jí)的仿真模型搭建。軟件提供了不同詳細(xì)程度的設(shè)備模型庫(kù)，以支持不同規(guī)模、層次系統(tǒng)的仿真。模型與系統(tǒng)間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 模型與系統(tǒng)之間關(guān)系

1.3 仿真接口標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)備模型接口的好壞決定系統(tǒng)連接是否方便，也是影響設(shè)備模型通用性的重要因素[7]。輸油泵站的主體是流體系統(tǒng)，兼有機(jī)械、電力和傳熱等設(shè)備。為了方便系統(tǒng)連接，規(guī)定各單體設(shè)備模型均采用統(tǒng)一接口，接口變量分為流變量和勢(shì)變量，服從廣義基爾霍夫定律，不同接口類型模型交替連接接口規(guī)范如下：

（1） 流體類模型接口變量：流量、壓力、密度。

（2）機(jī)械類模型接口變量：力或扭矩、功率、速度或轉(zhuǎn)速。

（3）電器類模型接口變量：電流、功率、電壓。

設(shè)備接口定義目的除了為實(shí)現(xiàn)接口變量統(tǒng)一，其連接方式也是為了與基于一維有限元計(jì)算方法相適應(yīng)，保證各設(shè)備動(dòng)力學(xué)方程組求解封閉。接口所傳遞的變量事實(shí)上也是單體設(shè)備模型獨(dú)立仿真計(jì)算所需的邊界條件，從這個(gè)角度看單體設(shè)備模型也可看作簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，同樣站場(chǎng)系統(tǒng)也可看作為單體設(shè)備，用于搭建更為龐大復(fù)雜的整個(gè)輸油管網(wǎng)系統(tǒng)。接口模式采用統(tǒng)一的接口規(guī)范，用戶不需要了解模塊接口與內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的關(guān)系，只需根據(jù)模塊之間的實(shí)際物理元件連接即可完成系統(tǒng)搭建。增加或刪除系統(tǒng)中的某一元件影響到其他元件的連接特性，使得整個(gè)系統(tǒng)的連接更加簡(jiǎn)單、靈活。

2 非線性方程組高效求解技術(shù)研究

2.1 一維有限體積法

輸油泵站系統(tǒng)由許多結(jié)構(gòu)、型面復(fù)雜且工作過(guò)程多變的設(shè)備組成，為實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聯(lián)合仿真，需要尋求一種適用于復(fù)雜流道、復(fù)雜物理過(guò)程的統(tǒng)一建模方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備物理過(guò)程抽象和模型建模，軟件開發(fā)過(guò)程中采用一維有限體積法和集中參數(shù)法進(jìn)行成品油輸運(yùn)物理過(guò)程描述和數(shù)值離散。兩種方法均支持復(fù)雜物理系統(tǒng)建模且方法之間具有很好的兼容性。對(duì)于對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程影響較大的設(shè)備采用一維有限體積法進(jìn)行建模，確保系統(tǒng)仿真精度，而對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程影響不大的單體設(shè)備可采用集中參數(shù)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)求解效率[8-10]。

2.2 DASSL求解算法

站場(chǎng)系統(tǒng)單體設(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程具有如下特點(diǎn)：

（1）方程組的維數(shù)高，單體設(shè)備數(shù)量多，描述其運(yùn)行規(guī)律的方程數(shù)量多，輸油管道長(zhǎng)度長(zhǎng)，為保證計(jì)算精度需要分段數(shù)較多，求解計(jì)算量很大。

（2）強(qiáng)非線性。由于描述站場(chǎng)各單體設(shè)備瞬態(tài)特性的連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程都是非線性方程，據(jù)此建立的系統(tǒng)模型必然是非線性數(shù)學(xué)模型。

（3）方程組剛度大，系統(tǒng)中各單體設(shè)備相互制約、相互影響，且時(shí)間常數(shù)差別很大。如：機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程的慣性一般遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中熱量遷移過(guò)程的慣性，壓力和流量的變化傳遞速度很快，而溫度和熱量的變化傳遞速度卻很慢，這決定了方程組存在著顯著的數(shù)學(xué)剛性問(wèn)題。

由于輸油泵站系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，描述它工作構(gòu)成的物理方程具有方程組規(guī)模大、模維數(shù)高，動(dòng)態(tài)過(guò)程非線性強(qiáng)，方程組剛度大、間斷點(diǎn)多等特點(diǎn)，導(dǎo)致相應(yīng)微分方程求解困難。為實(shí)現(xiàn)泵站系統(tǒng)的高效穩(wěn)定求解，選用目前使用較廣評(píng)價(jià)較高的DASSL算法對(duì)站場(chǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真方程組進(jìn)行快捷的求解。采用DASSL算法可利用上次迭代結(jié)果估計(jì)本輪迭代因子，收斂快；其穩(wěn)態(tài)階段步長(zhǎng)大，計(jì)算效率高；非線性階段步長(zhǎng)小，計(jì)算精度高。

3 站場(chǎng)仿真軟件

3.1 軟件界面及基本功能

搭建的仿真平臺(tái)界面如圖4所示。平臺(tái)具有設(shè)備模型庫(kù)的加載、移除、檢索和新建功能，模型庫(kù)單體設(shè)備模型的新建、復(fù)制和刪除等功能；具備圖形化和文本代碼兩種方式模塊化建模方式，在建模區(qū)設(shè)置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、初始狀態(tài)、仿真條件等實(shí)例化功能，系統(tǒng)模型仿真前編譯檢查，仿真求解的啟動(dòng)、暫停、單步運(yùn)行、停止等控制功能；圖形化界面快速選擇組件用以顯示參數(shù)結(jié)果曲線等功能。仿真結(jié)果后處理功能主要包括：同界面顯示多個(gè)變量仿真結(jié)果，仿真曲線名稱、顏色、線性等設(shè)置，曲線局部放大、縮小以及通過(guò)游標(biāo)來(lái)快速讀取信息，曲線的加、減、積分、微分等運(yùn)算，仿真結(jié)果保存成圖片，以及“.csv”、“.mat”格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出等。

圖4 仿真平臺(tái)界面

3.2 軟件仿真計(jì)算流程

圖5為仿真全流程，用戶可根據(jù)情況省略部分操作。開始仿真前先加載模型庫(kù)，若模型庫(kù)已加載，則不必重復(fù)加載。利用模型庫(kù)模型搭建仿真系統(tǒng)，可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和編譯檢查，檢查無(wú)誤即可開始仿真。仿真完成，進(jìn)行仿真結(jié)果查看和后處理。圖6～圖10分別展示了系統(tǒng)建模、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、編譯檢查、仿真設(shè)置、仿真求解結(jié)果等相關(guān)步驟。

圖5 仿真軟件使用基本流程

4 站場(chǎng)仿真示例

以某成品油輸油站場(chǎng)為例，開展相應(yīng)精細(xì)化仿真計(jì)算。根據(jù)工藝流程圖建立了該站系統(tǒng)模型。模擬泵站啟輸、停輸操作，仿真過(guò)程中設(shè)置的工作流程為：0 s打開汽油罐D(zhuǎn)BB閥和出站閥；100 s打開給油泵，泵后閥跟隨打開；500 s打開1號(hào)主輸泵；900 s打開2號(hào)主輸泵（與1號(hào)主輸泵串聯(lián)）；1 300 s打開3號(hào)主輸泵；3 700 s關(guān)閉3號(hào)主輸泵；4 100 s關(guān)閉2號(hào)主輸泵；4 500 s關(guān)閉1號(hào)主輸泵；5 300 s關(guān)閉DBB閥；5 400 s關(guān)閉出站閥。系統(tǒng)累計(jì)工作時(shí)間5 500 s，仿真計(jì)算用時(shí)562.6 s。仿真計(jì)算結(jié)果如圖11～15所示。

圖6 簡(jiǎn)化泵站系統(tǒng)組成

圖7 組件屬性及參數(shù)

從圖11中可以看出，系統(tǒng)流量隨著給油泵、主輸泵的先后打開而增加，3 700 s后隨著泵的關(guān)閉逐漸降低。從圖12中可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)壓力為4.175 MPa（絕對(duì)壓力），并隨著儲(chǔ)罐油位降低，壓力逐漸減小，與實(shí)際控制流程圖中出站壓力4.08 MPa（表壓）基本吻合。圖13可以看出，當(dāng)3號(hào)主輸泵不工作時(shí)，成品油均從止回閥流過(guò)；而1 300～3 700 s期間，當(dāng)泵打開后，由于泵后壓力大于入口壓力，止回閥關(guān)閉。從圖14可以看出，由于DBB閥位于泵上游，當(dāng)給油泵、主輸泵打開后，上游壓力由于供油量增大，壓力下降。圖15為開閥瞬間和關(guān)閥瞬間的壓力曲線，仿真結(jié)果對(duì)開、關(guān)閥過(guò)程中產(chǎn)生的壓力振蕩有較好的描述。

圖8 編譯檢查信息

圖9 仿真設(shè)置

圖10 輸出主輸泵流量曲線

圖11 出站流量變化曲線

圖12 泵站出站壓力變化曲線

圖13 3號(hào)主輸泵并聯(lián)止回閥流量變化曲線

圖14 DBB閥前壓力變化曲線

5 結(jié)論

針對(duì)國(guó)外軟件價(jià)格昂貴、操作不方便、仿真精度差、適應(yīng)性差等問(wèn)題，開展了通用化輸油站場(chǎng)系統(tǒng)仿真方法研究，并搭建了相應(yīng)的仿真軟件平臺(tái)。

圖15 DDB閥前壓力放大

（1）目前仿真軟件主要關(guān)注管道的穩(wěn)態(tài)或連續(xù)穩(wěn)態(tài)仿真，主要用于運(yùn)營(yíng)管理和教學(xué)演示，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律及設(shè)備間、組部件間、設(shè)備參數(shù)間的相互影響關(guān)注較少。而泵站中大多數(shù)故障多是由開、關(guān)閥或啟、停泵等動(dòng)態(tài)過(guò)程造成的，本軟件從設(shè)備的實(shí)際物理工作過(guò)程出發(fā)，建立了涉及流體流動(dòng)和傳播過(guò)程、閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程，流量、轉(zhuǎn)速對(duì)泵的揚(yáng)程和效率等影響泵站設(shè)備高精度、動(dòng)態(tài)工作過(guò)程仿真模型庫(kù)。能從機(jī)理上解釋站場(chǎng)運(yùn)行中所發(fā)生的宏觀物理現(xiàn)象，如：關(guān)閥水擊的產(chǎn)生和傳播過(guò)程，泵揚(yáng)程、流量、轉(zhuǎn)速與輸入、輸出功率之間的關(guān)系，加深工作人員對(duì)泵站運(yùn)行過(guò)程的理解，減少人為因素造成的故障發(fā)生率，確定設(shè)備運(yùn)行邊界，提高設(shè)備運(yùn)行安全系數(shù)和輸運(yùn)能力，為站場(chǎng)及管網(wǎng)系統(tǒng)精細(xì)化管理奠定基礎(chǔ)。

（2）該軟件平臺(tái)采用目前國(guó)際先進(jìn)的工程建模語(yǔ)言Modelica（德國(guó)工業(yè)4.0推薦語(yǔ)言） 進(jìn)行二次開發(fā)，融合了鍵合圖的非因果建模思想、Java等的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和Matlab的數(shù)值與矩陣機(jī)制，形成了模型可重用、可重構(gòu)、可擴(kuò)展的先進(jìn)架構(gòu)體系，可實(shí)現(xiàn)成品油泵站、管網(wǎng)等大型、多層次、復(fù)雜物理系統(tǒng)所涉及的流體、機(jī)械、力、熱、電、磁等多學(xué)科協(xié)同仿真。軟件支持圖形化建模，可以通過(guò)拖拽零件、設(shè)備的形式搭建系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，二次開發(fā)方便。

（3）用戶可以根據(jù)需要，利用現(xiàn)有模型庫(kù)逐級(jí)完成從零件到設(shè)備、泵站、管網(wǎng)級(jí)的仿真模型搭建，系統(tǒng)拓展方便。也可將已搭建的系統(tǒng)封裝成模型，實(shí)現(xiàn)重用?？筛鶕?jù)仿真規(guī)模和需求，對(duì)底層模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。當(dāng)進(jìn)行管網(wǎng)級(jí)仿真時(shí)可對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略設(shè)備內(nèi)部彈簧、閥芯的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。而當(dāng)進(jìn)行泵站或設(shè)備級(jí)仿真時(shí)可建立更詳細(xì)的設(shè)備、零件模型。軟件提供了不同詳細(xì)程度的設(shè)備模型庫(kù)，以支持不同規(guī)模、層次系統(tǒng)的仿真。