管道仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

胡鑫杰,許仁辭

(1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司，廣東廣州 510630;2.廣州發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510630)

0 引言

隨著石油天然氣行業(yè)的不斷發(fā)展，管輸調(diào)控技術(shù)日趨復(fù)雜，有必要對(duì)運(yùn)行工況的變化規(guī)律進(jìn)行研究。管道仿真技術(shù)可應(yīng)用于管道建設(shè)和調(diào)度運(yùn)行方面。

仿真技術(shù)應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)60年代，仿真數(shù)學(xué)模型及求解方法已較完善，已有多種成熟的管道仿真軟件。應(yīng)加強(qiáng)仿真技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)的集成化發(fā)展，使其在多功能拓展方向不斷進(jìn)步[1]。

1 仿真原理

仿真軟件主要由仿真模型及求解方法組成。兩者都會(huì)顯著影響求解的快速性及精確性。仿真模型影響結(jié)果的精確性，求解方法的選擇影響求解速度。

1.1 仿真模型

管道的流動(dòng)可分為穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)。穩(wěn)態(tài)流動(dòng)所分析的工況恒定，各影響因素可準(zhǔn)確定量描述，其模型已基本完善。而在實(shí)際運(yùn)行中，動(dòng)態(tài)變化更常見，且發(fā)生動(dòng)態(tài)的瞬時(shí)變化時(shí)，管道介質(zhì)的水力過程因各影響因素的交錯(cuò)影響而難以描述。因此，涉及瞬時(shí)流動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真是仿真的關(guān)注方向。

管道動(dòng)態(tài)仿真模型的建立都是通過選取微元段，結(jié)合運(yùn)動(dòng)、連續(xù)性和能量方程進(jìn)行。其中能量方程的建立涉及傳熱模型的選取。現(xiàn)有的熱力模型主要有等溫、假穩(wěn)態(tài)、連續(xù)穩(wěn)態(tài)、瞬變熱力等。模型的建立還涉及初始條件和邊界條件。初始條件將較大程度影響數(shù)據(jù)計(jì)算格式的收斂性，進(jìn)而影響收斂速度，最終表現(xiàn)在求解的快速性。邊界條件則是對(duì)模型邊界點(diǎn)參數(shù)間彼此聯(lián)系的描述，將隨計(jì)算迭代入模型邊界內(nèi)部，最終得到整條管道的數(shù)據(jù)。

1.2 求解方法

動(dòng)態(tài)偏微分方程含有非線性摩阻項(xiàng)，因此不適于采用分析解法求解。主要解法采用特征線法、隱式差分法和變分法。特征線法易于滿足收斂要求，計(jì)算準(zhǔn)確性更佳，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)問題時(shí)有更大優(yōu)勢。隱式差分法因迭代繁瑣而求解偏慢，但迭代計(jì)算較穩(wěn)定，應(yīng)用在自由表面的動(dòng)態(tài)仿真。變分法結(jié)合了數(shù)值解法和解析法優(yōu)點(diǎn)，在慢速和快速瞬變過程中都能靈活運(yùn)用。

2 仿真軟件

目前，國內(nèi)外應(yīng)用于仿真領(lǐng)域的商業(yè)軟件主要有Aspen HYSYS、OLGA、PIPESIM、PIPEPHASE、Stoner Pipeline Simulator(SPS)、Pipeline Studio以及RealPipe。表1為軟件的特點(diǎn)介紹。

表1 管道仿真軟件特點(diǎn)

國外仿真軟件大多都研發(fā)成型，處于研發(fā)瓶頸期。同時(shí)，仿真軟件趨勢是與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成發(fā)展，若依托于國外仿真平臺(tái)進(jìn)行定制，則研發(fā)費(fèi)用高，周期長，且后續(xù)維護(hù)不便。RealPipe功能全面，易用性好[2]。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 仿真培訓(xùn)

培訓(xùn)人員在虛擬的仿SCADA系統(tǒng)上進(jìn)行操作學(xué)習(xí)，提高了教學(xué)的效率，也減少了實(shí)際操作的風(fēng)險(xiǎn)性[3]。國內(nèi)早期仿真系統(tǒng)有宮敬等研發(fā)的慶鐵輸油管道仿真系統(tǒng)、韓志廣等研發(fā)的蘭成渝成品油管道仿真系統(tǒng)、唐建峰等研發(fā)的川氣東送管道仿真系統(tǒng)等。隨著技術(shù)的推廣，形成了大部分管線具備對(duì)應(yīng)的一個(gè)甚至多個(gè)仿真系統(tǒng)的局面[4]。這些仿真系統(tǒng)部分是國內(nèi)獨(dú)立設(shè)計(jì)，更多的是以國外軟件建模為內(nèi)核，再二次界面化研發(fā)[5]，其中SPS+VB是具有代表性的開發(fā)組合[6]。

仿真培訓(xùn)領(lǐng)域在調(diào)度2D化操作界面上已臻完善，例如，國家管網(wǎng)華南分公司的西南管網(wǎng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，采用SPS仿真軟件作為水力基礎(chǔ)，通過IoDisplay組態(tài)軟件建立人機(jī)操作界面，利用Java Elephant Platform開發(fā)P-HOT仿真培訓(xùn)管理平臺(tái)提供培訓(xùn)考試功能，最后利用OPC實(shí)現(xiàn)SPS模型、用戶使用界面與培訓(xùn)考試平臺(tái)的正常通訊，圖1為該系統(tǒng)的組成。

圖1 培訓(xùn)系統(tǒng)軟件組成

3.2 優(yōu)化運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行一直是仿真技術(shù)應(yīng)用的重要目標(biāo)，但在不同時(shí)期，研究的方向有區(qū)別。早期偏向于站場選址、設(shè)備選型等設(shè)計(jì)領(lǐng)域，現(xiàn)在則向輸送方案優(yōu)化方向發(fā)展，以求得到最經(jīng)濟(jì)的批次輸送量，配泵、加熱方案等參數(shù)。

在設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)，郭雁冰等[7]采用 SPS對(duì)天然氣管網(wǎng)進(jìn)行仿真，得出在各種條件下的最合理管徑，以及電廠、氣源站的供給需求；王艷峰等[8]采用管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本為關(guān)鍵目標(biāo)，設(shè)計(jì)了新的方案優(yōu)化模型以計(jì)算最佳站址分布；李長俊等[9]以運(yùn)營費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了對(duì)各種結(jié)構(gòu)的氣體管網(wǎng)優(yōu)化方案。

在輸送方案優(yōu)化領(lǐng)域內(nèi)，姚玉萍等[10]通過SPS對(duì)管道進(jìn)行仿真，比較不同稠油運(yùn)行方案下的能耗成本，采用灰色優(yōu)選方法總結(jié)出最佳方案。蔣方美等[11]等利用TGNET對(duì)各種流速條件下的天然氣站運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，得到對(duì)應(yīng)流量條件天然氣站的最優(yōu)配比方案，減少了管輸費(fèi)用。

3.3 運(yùn)行規(guī)律

運(yùn)行規(guī)律研究是仿真在石油行業(yè)的另一個(gè)重點(diǎn)方向。當(dāng)前研究油氣運(yùn)行規(guī)律、管輸介質(zhì)物性的方法基本上都是采用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)或室內(nèi)簡化設(shè)備進(jìn)行?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)受成本過高、條件設(shè)置苛刻、風(fēng)險(xiǎn)性大的限制不能多次、廣泛進(jìn)行，而室內(nèi)設(shè)備則由于尺寸與現(xiàn)場的偏差不能夠完全代表真實(shí)工況。仿真技術(shù)雖不能完全再現(xiàn)實(shí)際工況，但其克服了室內(nèi)設(shè)備尺寸的限制，又具有現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)不具備的周期短、隨機(jī)性低、風(fēng)險(xiǎn)小的優(yōu)勢，在石油行業(yè)學(xué)術(shù)研究上也得到了廣泛應(yīng)用。

蘇欣等[12]通過SPS對(duì)天然氣管道失效情景進(jìn)行仿真，得出了天然氣站失效情況下越接近終點(diǎn)站的天然氣站對(duì)管網(wǎng)造成的波動(dòng)越快速、越劇烈的結(jié)論。鄭志煒等[13]通過SPS模擬輸氣管網(wǎng)末段儲(chǔ)氣工況后，得出了末段起始處壓力與終止處壓力相比，具有顯著的滯后性，且當(dāng)管道越長或管徑越大時(shí)越明顯。

4 發(fā)展趨勢

4.1 GIS技術(shù)

仿真模擬最基礎(chǔ)的工作是仿真模型的建立。仿真模型建立過程中需要輸入大量的管道、環(huán)境、設(shè)備參數(shù)，這些參數(shù)的詳細(xì)、準(zhǔn)確程度將決定仿真結(jié)果的可靠性。在實(shí)際的建模過程中，參數(shù)輸入環(huán)節(jié)基本靠人工進(jìn)行，耗時(shí)長、準(zhǔn)確性低、篩選錯(cuò)誤點(diǎn)繁瑣，并且當(dāng)參數(shù)需要更新時(shí)，必須采用人工方式逐項(xiàng)比對(duì)更新前后結(jié)果，自動(dòng)化程度弱。

GIS指地理信息系統(tǒng)，其具備采集、整理、分析、儲(chǔ)存、顯示空間各項(xiàng)數(shù)據(jù)功能。通過開發(fā)從GIS系統(tǒng)中直接提取數(shù)據(jù)的建模工具實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)與GIS技術(shù)的集成化發(fā)展，利用了GIS在地理信息處理上的優(yōu)勢，顯著簡化了建模工作量，提高了更新自動(dòng)化水平[14]。GIS的集成發(fā)展實(shí)現(xiàn)了采用專業(yè)軟件替代仿真軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)管理，顯著提高了工作效率[15]。

4.2 WEB技術(shù)

仿真技術(shù)的研究推廣，有助于通過仿真技術(shù)了解油氣管網(wǎng)調(diào)度工作。以WEB技術(shù)為載體，將瀏覽器窗口和仿真技術(shù)集成化，使仿真交互信息的傳遞更加快捷、便利、直觀。通過瀏覽器下達(dá)簡單的指令以及顯示簡約的數(shù)據(jù)格式在滿足基本使用條件的情況下避免了不必要的仿真培訓(xùn)，同時(shí)客戶端交互的瀏覽器化也減少了仿真系統(tǒng)部署的成本消耗。

4.3 人工智能技術(shù)

未來達(dá)成管道自動(dòng)化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)是人工智能技術(shù)[16]。人工智能的發(fā)展離不開大數(shù)據(jù)的支持，實(shí)現(xiàn)管道調(diào)控的智能化和自動(dòng)化也就需要大量的工況數(shù)據(jù)[17]。工況數(shù)據(jù)包括正常穩(wěn)態(tài)工況及異常工況，異常工況及極端條件下運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)不可能通過實(shí)際工況大量獲取，只通過實(shí)際工況學(xué)習(xí)的人工智能效果有限，應(yīng)對(duì)未知工況的風(fēng)險(xiǎn)性較大。而仿真技術(shù)可為人工智能提供大量各種工況條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過仿真技術(shù)模擬各種工況，由專家對(duì)各工況給出處理意見，最后將工況數(shù)據(jù)及專家意見交由人工智能學(xué)習(xí)，得到?jīng)Q策支持系統(tǒng)，及時(shí)、準(zhǔn)確地為以后發(fā)生的各種緊急工況提供應(yīng)急方案，或?qū)Σ唤?jīng)濟(jì)的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化。

4.4 三維全景技術(shù)

現(xiàn)有仿真技術(shù)大多集中于2D平臺(tái)，培訓(xùn)對(duì)象也僅針對(duì)SCADA操作人員，而實(shí)際接觸管道，負(fù)責(zé)設(shè)備管理的站場人員不能通過仿真技術(shù)得到有效提升。目前的三維仿真技術(shù)則多處于模型展示階段，并未與仿真運(yùn)行模塊對(duì)接，不具備交互功能。因此，將三維全景與仿真系統(tǒng)集成化研究是一個(gè)重要的趨勢[18]。通過三維仿真技術(shù)，再現(xiàn)管道實(shí)際場景[19]，模擬操作設(shè)備對(duì)工況改變的影響，將對(duì)站場人員、搶維修人員的培訓(xùn)起重要促進(jìn)作用[20]。

4.5 在線仿真技術(shù)

在線仿真技術(shù)一直是仿真技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)，且已經(jīng)得到了較多的應(yīng)用。例如，在泄漏監(jiān)測應(yīng)用中，通過上下游站場流量、壓力的變化計(jì)算得到泄漏位置及泄漏流量。在順序輸送上，實(shí)時(shí)顯示混油的體積、界面位置、物性參數(shù)，并跟蹤油頭位置。在加劑輸送上，擬合計(jì)算各參數(shù)對(duì)減阻效應(yīng)的變化關(guān)系，得出減阻系數(shù)。然而，在線仿真最關(guān)鍵的應(yīng)用還是與人工智能技術(shù)相結(jié)合，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)交由決策支持系統(tǒng)，以進(jìn)行異常工況監(jiān)測及應(yīng)急、不經(jīng)濟(jì)工況優(yōu)化等措施。

5 結(jié)束語

仿真技術(shù)提升了油氣管網(wǎng)調(diào)控水平。核心部分的模型建立及求解方法都已相對(duì)成熟。國外商用仿真軟件大多已研發(fā)成型。國內(nèi)仿真軟件RealPipe，取得了較大程度的突破，在推廣維護(hù)上具有一定優(yōu)勢。仿真技術(shù)在仿真培訓(xùn)、運(yùn)行優(yōu)化、發(fā)現(xiàn)運(yùn)行規(guī)律上已較成熟，有較多的應(yīng)用。未來仿真技術(shù)的研究方向?qū)⒓杏诤推渌夹g(shù)的集成化發(fā)展，以模塊化的形式建立集成化系統(tǒng)。