管道仿真技术应用现状及趋势

胡鑫杰,许仁辞

(1.国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司，广东广州 510630;2.广州发展集团股份有限公司，广东广州 510630)

0 引言

随着石油天然气行业的不断发展，管输调控技术日趋复杂，有必要对运行工况的变化规律进行研究。管道仿真技术可应用于管道建设和调度运行方面。

仿真技术应用可追溯至20世纪60年代，仿真数学模型及求解方法已较完善，已有多种成熟的管道仿真软件。应加强仿真技术与其他先进技术的集成化发展，使其在多功能拓展方向不断进步[1]。

1 仿真原理

仿真软件主要由仿真模型及求解方法组成。两者都会显著影响求解的快速性及精确性。仿真模型影响结果的精确性，求解方法的选择影响求解速度。

1.1 仿真模型

管道的流动可分为稳态及动态。稳态流动所分析的工况恒定，各影响因素可准确定量描述，其模型已基本完善。而在实际运行中，动态变化更常见，且发生动态的瞬时变化时，管道介质的水力过程因各影响因素的交错影响而难以描述。因此，涉及瞬时流动的动态仿真是仿真的关注方向。

管道动态仿真模型的建立都是通过选取微元段，结合运动、连续性和能量方程进行。其中能量方程的建立涉及传热模型的选取。现有的热力模型主要有等温、假稳态、连续稳态、瞬变热力等。模型的建立还涉及初始条件和边界条件。初始条件将较大程度影响数据计算格式的收敛性，进而影响收敛速度，最终表现在求解的快速性。边界条件则是对模型边界点参数间彼此联系的描述，将随计算迭代入模型边界内部，最终得到整条管道的数据。

1.2 求解方法

动态偏微分方程含有非线性摩阻项，因此不适于采用分析解法求解。主要解法采用特征线法、隐式差分法和变分法。特征线法易于满足收敛要求，计算准确性更佳，应对复杂的管网系统问题时有更大优势。隐式差分法因迭代繁琐而求解偏慢，但迭代计算较稳定，应用在自由表面的动态仿真。变分法结合了数值解法和解析法优点，在慢速和快速瞬变过程中都能灵活运用。

2 仿真软件

目前，国内外应用于仿真领域的商业软件主要有Aspen HYSYS、OLGA、PIPESIM、PIPEPHASE、Stoner Pipeline Simulator(SPS)、Pipeline Studio以及RealPipe。表1为软件的特点介绍。

表1 管道仿真软件特点

国外仿真软件大多都研发成型，处于研发瓶颈期。同时，仿真软件趋势是与其他系统进行集成发展，若依托于国外仿真平台进行定制，则研发费用高，周期长，且后续维护不便。RealPipe功能全面，易用性好[2]。

3 应用现状

3.1 仿真培训

培训人员在虚拟的仿SCADA系统上进行操作学习，提高了教学的效率，也减少了实际操作的风险性[3]。国内早期仿真系统有宫敬等研发的庆铁输油管道仿真系统、韩志广等研发的兰成渝成品油管道仿真系统、唐建峰等研发的川气东送管道仿真系统等。随着技术的推广，形成了大部分管线具备对应的一个甚至多个仿真系统的局面[4]。这些仿真系统部分是国内独立设计，更多的是以国外软件建模为内核，再二次界面化研发[5]，其中SPS+VB是具有代表性的开发组合[6]。

仿真培训领域在调度2D化操作界面上已臻完善，例如，国家管网华南分公司的西南管网仿真培训系统，采用SPS仿真软件作为水力基础，通过IoDisplay组态软件建立人机操作界面，利用Java Elephant Platform开发P-HOT仿真培训管理平台提供培训考试功能，最后利用OPC实现SPS模型、用户使用界面与培训考试平台的正常通讯，图1为该系统的组成。

图1 培训系统软件组成

3.2 优化运行

实现最优化运行一直是仿真技术应用的重要目标，但在不同时期，研究的方向有区别。早期偏向于站场选址、设备选型等设计领域，现在则向输送方案优化方向发展，以求得到最经济的批次输送量，配泵、加热方案等参数。

在设计领域内，郭雁冰等[7]采用 SPS对天然气管网进行仿真，得出在各种条件下的最合理管径，以及电厂、气源站的供给需求；王艳峰等[8]采用管网经济成本为关键目标，设计了新的方案优化模型以计算最佳站址分布；李长俊等[9]以运营费用为优化目标，设计了对各种结构的气体管网优化方案。

在输送方案优化领域内，姚玉萍等[10]通过SPS对管道进行仿真，比较不同稠油运行方案下的能耗成本，采用灰色优选方法总结出最佳方案。蒋方美等[11]等利用TGNET对各种流速条件下的天然气站运行工况进行仿真，得到对应流量条件天然气站的最优配比方案，减少了管输费用。

3.3 运行规律

运行规律研究是仿真在石油行业的另一个重点方向。当前研究油气运行规律、管输介质物性的方法基本上都是采用现场实验或室内简化设备进行。现场实验受成本过高、条件设置苛刻、风险性大的限制不能多次、广泛进行，而室内设备则由于尺寸与现场的偏差不能够完全代表真实工况。仿真技术虽不能完全再现实际工况，但其克服了室内设备尺寸的限制，又具有现场实验不具备的周期短、随机性低、风险小的优势，在石油行业学术研究上也得到了广泛应用。

苏欣等[12]通过SPS对天然气管道失效情景进行仿真，得出了天然气站失效情况下越接近终点站的天然气站对管网造成的波动越快速、越剧烈的结论。郑志炜等[13]通过SPS模拟输气管网末段储气工况后，得出了末段起始处压力与终止处压力相比，具有显著的滞后性，且当管道越长或管径越大时越明显。

4 发展趋势

4.1 GIS技术

仿真模拟最基础的工作是仿真模型的建立。仿真模型建立过程中需要输入大量的管道、环境、设备参数，这些参数的详细、准确程度将决定仿真结果的可靠性。在实际的建模过程中，参数输入环节基本靠人工进行，耗时长、准确性低、筛选错误点繁琐，并且当参数需要更新时，必须采用人工方式逐项比对更新前后结果，自动化程度弱。

GIS指地理信息系统，其具备采集、整理、分析、储存、显示空间各项数据功能。通过开发从GIS系统中直接提取数据的建模工具实现仿真技术与GIS技术的集成化发展，利用了GIS在地理信息处理上的优势，显著简化了建模工作量，提高了更新自动化水平[14]。GIS的集成发展实现了采用专业软件替代仿真软件进行空间数据管理，显著提高了工作效率[15]。

4.2 WEB技术

仿真技术的研究推广，有助于通过仿真技术了解油气管网调度工作。以WEB技术为载体，将浏览器窗口和仿真技术集成化，使仿真交互信息的传递更加快捷、便利、直观。通过浏览器下达简单的指令以及显示简约的数据格式在满足基本使用条件的情况下避免了不必要的仿真培训，同时客户端交互的浏览器化也减少了仿真系统部署的成本消耗。

4.3 人工智能技术

未来达成管道自动化和智能化的关键技术是人工智能技术[16]。人工智能的发展离不开大数据的支持，实现管道调控的智能化和自动化也就需要大量的工况数据[17]。工况数据包括正常稳态工况及异常工况，异常工况及极端条件下运行的稳态工况数据不可能通过实际工况大量获取，只通过实际工况学习的人工智能效果有限，应对未知工况的风险性较大。而仿真技术可为人工智能提供大量各种工况条件下的运行数据。通过仿真技术模拟各种工况，由专家对各工况给出处理意见，最后将工况数据及专家意见交由人工智能学习，得到决策支持系统，及时、准确地为以后发生的各种紧急工况提供应急方案，或对不经济的运行方案进行优化。

4.4 三维全景技术

现有仿真技术大多集中于2D平台，培训对象也仅针对SCADA操作人员，而实际接触管道，负责设备管理的站场人员不能通过仿真技术得到有效提升。目前的三维仿真技术则多处于模型展示阶段，并未与仿真运行模块对接，不具备交互功能。因此，将三维全景与仿真系统集成化研究是一个重要的趋势[18]。通过三维仿真技术，再现管道实际场景[19]，模拟操作设备对工况改变的影响，将对站场人员、抢维修人员的培训起重要促进作用[20]。

4.5 在线仿真技术

在线仿真技术一直是仿真技术的研发重点，且已经得到了较多的应用。例如，在泄漏监测应用中，通过上下游站场流量、压力的变化计算得到泄漏位置及泄漏流量。在顺序输送上，实时显示混油的体积、界面位置、物性参数，并跟踪油头位置。在加剂输送上，拟合计算各参数对减阻效应的变化关系，得出减阻系数。然而，在线仿真最关键的应用还是与人工智能技术相结合，将实时采集的数据交由决策支持系统，以进行异常工况监测及应急、不经济工况优化等措施。

5 结束语

仿真技术提升了油气管网调控水平。核心部分的模型建立及求解方法都已相对成熟。国外商用仿真软件大多已研发成型。国内仿真软件RealPipe，取得了较大程度的突破，在推广维护上具有一定优势。仿真技术在仿真培训、运行优化、发现运行规律上已较成熟，有较多的应用。未来仿真技术的研究方向将集中于和其他技术的集成化发展，以模块化的形式建立集成化系统。