蘭成渝管道模擬軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

徐太貴

中油國(guó)際管道有限公司 (北京100028)

1 蘭成渝管道簡(jiǎn)介

蘭州-成都-重慶成品油管道工程（簡(jiǎn)稱蘭成渝管道）是國(guó)家重點(diǎn)工程，全長(zhǎng)1 250 km，最大落差達(dá)2 254.9 m，屬典型的大落差管道[1]。蘭成渝管道設(shè)有蘭州首站、臨洮、隴西、成縣、廣元分輸站、江油清管站、綿陽(yáng)、德陽(yáng)、彭州、成都、簡(jiǎn)陽(yáng)、資陽(yáng)、內(nèi)江、隆昌和永川分輸站及重慶末站共16座工藝站場(chǎng)，除成都分輸泵站104分輸管道及重慶末站進(jìn)站管道為閥前壓力控制外，其余各分輸管道均采用流量分輸控制閥控制分輸流量[2]。

2 軟件開(kāi)發(fā)框架

計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行模擬技術(shù)已在輸油管道的設(shè)計(jì)、培訓(xùn)和運(yùn)行管理等方面取得了廣泛的應(yīng)用。但成品油管道與原油管道又有所不同，前者順序輸送且沿線有多處分輸點(diǎn)，整個(gè)管道的運(yùn)行處于不穩(wěn)定狀態(tài)；能否對(duì)成品油管道系統(tǒng)進(jìn)行較好的動(dòng)態(tài)模擬，關(guān)鍵是能否建立完整描述成品油管道動(dòng)態(tài)運(yùn)行的各種數(shù)學(xué)模型及準(zhǔn)確求解數(shù)學(xué)模型的方法[3]。

2.1 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型邊界約束

管道中的最大流量是指在每個(gè)時(shí)步內(nèi)，管道在滿足約束條件下的最小節(jié)流狀態(tài)流量。故用管道的最大流量為前提建立數(shù)學(xué)模型[4]。主要應(yīng)用了全線能量平衡方程和質(zhì)量平衡原理，模擬運(yùn)行蘭成渝管道還需考慮以下幾點(diǎn)約束條件：①各個(gè)泵站的進(jìn)站壓力應(yīng)大于最小允許進(jìn)站壓力；②各個(gè)泵站的進(jìn)站壓力應(yīng)小于最大允許進(jìn)站壓力（有泵運(yùn)行時(shí)）；③各個(gè)泵站的出站壓力應(yīng)小于最大允許進(jìn)站壓力；④管線中的動(dòng)靜壓能應(yīng)小于管線的設(shè)計(jì)壓力；⑤管道高點(diǎn)動(dòng)水壓力要高于輸送油品的飽和蒸汽壓、低點(diǎn)動(dòng)水壓力要低于管材強(qiáng)度允許的壓力；⑥復(fù)雜的混油段簡(jiǎn)易處理成混油界面，不同牌號(hào)油品相互形成的混油界面是理想化的界面，不隨時(shí)間的變化而發(fā)生改變[5]。

2.2 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立

在蘭成渝成品油管道順序輸送過(guò)程中，3種不同牌號(hào)的油品形成各自的油段。油品密度和黏度的差異導(dǎo)致各油段的水力坡降不同。因此，成品油順序輸送過(guò)程中，隨著油品的流動(dòng)，由于輸送介質(zhì)的多樣性特點(diǎn)，不同油品在管道中的長(zhǎng)度隨著時(shí)間變化，管道系統(tǒng)的工況始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但一般成品油管道輸送的經(jīng)濟(jì)流速為1.5 m/s左右，而蘭成渝管道全長(zhǎng)1 247 km。整體上，管道全線運(yùn)行參數(shù)的變化是緩慢的，其不穩(wěn)定過(guò)程是一個(gè)緩變過(guò)程，即準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程[6]。

2.2.1 輸送次序模型建立

順序輸送中油品的排列順序是減少混油損失的關(guān)鍵因素之一。相鄰排列的兩種油品的物理化學(xué)性質(zhì)相差越大，混油量越大，處理的費(fèi)用也較高[7]。故應(yīng)盡可能將密度相近、產(chǎn)生的混油易處理的油品相鄰排列。蘭成渝成品油管道某個(gè)批次的輸送次序?yàn)?3號(hào)汽油—90號(hào)汽油—0號(hào)柴油。

2.2.2 泵站模型建立及求解

蘭成渝管道全線設(shè)4個(gè)泵站。蘭州首站有輸油主泵3臺(tái)，2用1備，并聯(lián)運(yùn)行。臨洮分輸泵站有輸油泵3臺(tái)，其中2臺(tái)調(diào)速，1臺(tái)定轉(zhuǎn)速，串聯(lián)運(yùn)行。成都分輸泵站設(shè)有2臺(tái)調(diào)速泵（1用1備），1臺(tái)定轉(zhuǎn)速泵，串聯(lián)運(yùn)行。內(nèi)江站設(shè)2臺(tái)調(diào)速泵，1用1備。

1）固定轉(zhuǎn)速。采用長(zhǎng)輸管道常用的離心泵特性方程[8]：

式中：H為泵提供的揚(yáng)程，m；Q為流經(jīng)泵的流量，m3/s；a,b為泵的特性系數(shù)；m為流態(tài)指數(shù)，取0.25。

2）變轉(zhuǎn)速。根據(jù)離心泵的相似原理，轉(zhuǎn)速變化后的泵特性方程可用下式表示：

式中：n為調(diào)速后泵的轉(zhuǎn)速，r/min；n0為調(diào)速前泵的轉(zhuǎn)速，取2 980 r/min,a,b為泵特性方程的兩個(gè)常數(shù)。

流體在管路中的流態(tài)按雷諾數(shù)Re來(lái)劃分，在不同的流態(tài)區(qū)，水力摩阻系數(shù)與雷諾數(shù)及管壁粗糙度的關(guān)系不同[9]，我國(guó)目前常用的公式見(jiàn)表1。

表1 不同流態(tài)時(shí)的A、m、β值

式中：Pc為全部泵站提供的壓力，Pa；N為全線泵站的數(shù)目；ki為第i站運(yùn)行的泵臺(tái)數(shù)；aij、bij為第i站第j臺(tái)泵的兩個(gè)泵特性系數(shù)；為ρi為某時(shí)刻流經(jīng)第i站的油品密度，kg/m3；Qi為某時(shí)刻流經(jīng)第i站的油品流量，m3/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

各管段摩阻

假如管段中存在兩種油品，則此時(shí)管段摩阻損失為：

式中：hi為某管段摩阻損失，m；Qi為某管段流量，m3/s；νi為某管段新進(jìn)入油品的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；di為某管段的管內(nèi)徑，mm；si為某管段的橫截面積，m2；t為某管段中新進(jìn)入油品的時(shí)間，s。

則全線沿程摩阻損失為：

式中：Pfi為第i管段沿程摩阻，Pa；Pf為全線沿程摩阻，Pa；m為分管段數(shù)。

順序輸送油品時(shí)克服線路地形高差的壓力損失不僅與沿線起點(diǎn)和終點(diǎn)的高差有關(guān)，而且和混油界面的位置有關(guān)。

約束條件是指各站進(jìn)/出站壓力以及全線管道的各點(diǎn)的動(dòng)/靜水壓力都必須在允許范圍之內(nèi)。由于管內(nèi)油品的移動(dòng)和批量的不斷變化等因素，管路特性曲線和泵特性曲線都在發(fā)生變化，故工作點(diǎn)也在不斷變化。在管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，其中第m中間站的進(jìn)出站壓力必須滿足下列條件：

式中：Ph為首站進(jìn)站壓力，Pa；Pci為第i泵站提供的壓力，Pa；Psi為第i泵站的節(jié)流損失，Pa；Pji為第i泵站的站內(nèi)壓力損失，Pa；Pzi為第i管段克服線路地形高差的壓力損失，Pa。

2.2.3 程序流程

符號(hào)說(shuō)明：Psmax、Psmin、Pdmax、Pj、Psj分別表示最大進(jìn)站壓力、最小進(jìn)站壓力、最大出站壓力、節(jié)流壓力、管道設(shè)計(jì)壓力；f、hi、△Zi、fsi分別表示管段的壓降、管段摩阻損失、管段線路高程差以及節(jié)流損失；Pj(n)、Pin(n)、Pout(n)、Pg(n)、Pv分別表示第n站的節(jié)流壓力、進(jìn)站壓力、出站壓力、站間高點(diǎn)壓力、高點(diǎn)處的飽和蒸氣壓。程序流程如圖1所示。

3 軟件介紹

3.1 軟件概述

該軟件是針對(duì)蘭成渝成品油管道編制，能對(duì)其順序輸送準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況模擬。軟件的圖形界面可視化，其中數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、圖形輸出等功能均采用菜單驅(qū)動(dòng)方式。程序內(nèi)置了一些主要參數(shù)，以節(jié)約演算軟件時(shí)外輸時(shí)間，且外界人工也可對(duì)內(nèi)置參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)更改。軟件內(nèi)部的算法程序考慮了成品油管道應(yīng)有的約束條件[10]：核算管道的進(jìn)站壓力是否介于最小進(jìn)站壓力和最大進(jìn)站壓力之間，出站壓力是否超過(guò)最大出站壓力，在管線高點(diǎn)校核高點(diǎn)壓力是否大于油品的飽和蒸汽壓，校核動(dòng)、靜水壓力是否超壓，并且考慮了站內(nèi)損失，管線最小操作壓力等限制條件，最后綜合得到了符合蘭成渝成品油管道約束條件的參數(shù)。數(shù)據(jù)輸入采用對(duì)話框的形式，方便外界進(jìn)行更改，數(shù)據(jù)輸出采用對(duì)話框和圖形曲線相結(jié)合的形式，能直觀反映工況的變化[11]。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)及功能介紹

3.2.1 軟件框架組成

該模擬軟件由3個(gè)窗體組成，1號(hào)窗體主要功能為設(shè)置蘭成渝成品油管道各種牌號(hào)油品的批量以及沿線各個(gè)分輸站的分輸流量；2號(hào)窗體為該管道各個(gè)泵站開(kāi)機(jī)方案的制定；3號(hào)窗體為該管道流量曲線、水力坡降線的顯示。

3.2.2 軟件功能介紹

圖1 程序流程圖

1號(hào)窗體界面（圖2）是該軟件數(shù)據(jù)輸入最多的一個(gè)界面。界面上顯示了蘭成渝成品油管道蘭州首站、重慶末站、江油清管站、3個(gè)分輸泵站以及10個(gè)分輸站的某一批次的分輸流量以及分輸批量的數(shù)值。可由用戶輸入數(shù)值，然后制定計(jì)劃天數(shù)，采用連續(xù)分輸方式，故某個(gè)分輸站的批量是由分輸流量與油品計(jì)劃時(shí)間共同決定，最后得到各種油品在首站的總批量，根據(jù)順序輸送油品體積流量保持一致的原則，計(jì)算得到首站出站流量[12]。

圖2 1號(hào)窗體數(shù)據(jù)輸入界面

2號(hào)窗體界面（圖3）是啟泵方案制定界面，該界面左邊部分為一些基礎(chǔ)參數(shù)，右邊重要的一部分模塊是計(jì)時(shí)器。因?yàn)槌善酚凸艿理樞蜉斔透鞣N牌號(hào)的油品，這在油品切換的時(shí)刻管道中油品的牌號(hào)不同，即密度、運(yùn)動(dòng)黏度等物性參數(shù)不同，導(dǎo)致管路沿程摩阻隨時(shí)變化。

圖3 0:0時(shí)刻管段摩阻損失和啟泵方案

為方便研究，取一個(gè)時(shí)步，將此時(shí)步內(nèi)油品流動(dòng)看成穩(wěn)定的，也就是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，所以該軟件模擬蘭成渝成品油管道準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行。右下部是該管道各個(gè)管段摩阻損失以及開(kāi)泵方案。由于蘭成渝成品油管道是大落差管道，故可以看到管段摩阻損失對(duì)話框的數(shù)值有正有負(fù)。正數(shù)值表示該泵站控制的管段壓降（管路摩阻損失、高程差損失以及站內(nèi)損失之和）的消耗量；負(fù)數(shù)值表示油品走完該泵站控制的管段最后的剩余能量。蘭成渝輸油管道中存在多處翻越點(diǎn)，例如：管線13.19 km處高程為2 405.7 m，276.35 km處高程為2 296.7 m，這就導(dǎo)致了制定開(kāi)泵方案時(shí)需考慮提高出站壓力，越過(guò)翻越點(diǎn)，然后在成縣、廣元減壓站進(jìn)行減壓操作避免不滿流狀態(tài)導(dǎo)致的能量損失、瞬間增大的水擊壓力以及混油量增大等缺點(diǎn)。當(dāng)上一站有過(guò)剩能量時(shí)，如果過(guò)剩能量大于最大進(jìn)站壓力，則進(jìn)行節(jié)流操作，如果不超過(guò)最大進(jìn)站壓力，則該部分能量將為下一泵站提供能量。故在某些時(shí)刻，一些泵站并沒(méi)有開(kāi)啟輸油泵，而是靠上站剩余壓力來(lái)提供。

3號(hào)窗體界面（圖4）是曲線顯示界面。該界面上3個(gè)主控制按鈕：工況模擬按鈕顯示坐標(biāo)圖、縱斷面圖以及管線最大設(shè)計(jì)壓力曲線；流量曲線按鈕顯示蘭成渝管道中各個(gè)管段的流量；水力坡降線按鈕顯示管線的水力坡降，根據(jù)開(kāi)泵方案來(lái)決定各個(gè)分輸泵站的出站壓力。本次軟件運(yùn)行模擬中考慮的這個(gè)批次，其初始管段中假設(shè)充滿0號(hào)柴油，然后開(kāi)始逐步進(jìn)入該批次的3種牌號(hào)油品：0號(hào)柴油、90號(hào)汽油、93號(hào)汽油。

圖4 0:0時(shí)刻管線流量曲線以及水力坡降曲線顯示

該界面中實(shí)體黑線表示蘭成渝成品油管道沿線高程，藍(lán)色實(shí)體曲線表示該管道水力坡降曲線，品紅色曲線表示該管道中各個(gè)管段中油品的流量，綠色曲線表示管線最大設(shè)計(jì)壓力，以揚(yáng)程的形式表現(xiàn)。

混油界面以直觀圖形顯示在各個(gè)時(shí)刻各種牌號(hào)油品油頭位置。該界面左邊部分是各種牌號(hào)油頭位置追蹤數(shù)據(jù)輸出，右邊部分顯示各種牌號(hào)油頭位置隨著時(shí)間的變化曲線。

4 結(jié)論及建議

1）該模擬軟件能對(duì)管道的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行模擬，并且用對(duì)話框和圖形的形式顯示出來(lái)，可以直觀看到管線運(yùn)行各時(shí)刻沿線運(yùn)行參數(shù)的變化。

2）根據(jù)制定的分輸計(jì)劃進(jìn)行了混油界面的跟蹤，且繪制了該批次各種牌號(hào)的油品油頭位置隨時(shí)間的運(yùn)移位置示意圖，在一定程度上指導(dǎo)了生產(chǎn)實(shí)踐。

3）本軟件沒(méi)有對(duì)混油段進(jìn)行研究，蘭成渝是一個(gè)大落差管道，混油情況比較復(fù)雜，是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。本次模擬只是理想地將混油段看成一個(gè)混油界面，以后將加強(qiáng)對(duì)混油的研究以優(yōu)化軟件。