華東成品油管網模擬仿真與培訓系統的開發研究

董榮國，胡景軍

(中國石化銷售有限公司華東分公司 調控中心，上海 200050)

?

華東成品油管網模擬仿真與培訓系統的開發研究

董榮國，胡景軍

(中國石化銷售有限公司華東分公司 調控中心，上海 200050)

摘要：管道輸送在成品油一次物流中的比例不斷上升，為了進一步提高成品油管網的運行水平，開發了管網模擬仿真與培訓系統，建立了與SCADA系統數據交互運行的管道水力模型，在線仿真系統用于管線運行的安全評價，離線仿真系統主要用于人員的技能培訓。重點闡述了該系統的開發理念、技術路線、建模方法。該系統已應用于成品油管網的運行管理，實現了對管網運行的同步跟蹤分析、實時監控預警，提升了操作水平，應用效果良好。

關鍵詞：成品油管網模擬仿真系統開發

1華東成品油管網模擬仿真與培訓系統開發背景

管道仿真軟件自 20 世紀 80 年代開始逐步商業化，商業仿真軟件已經成為管道/管網仿真領域的主流，目前TGNET/TLNET，SPS，GREEG 等主要軟件已占據了管道仿真領域大部分的市場份額。與國外商業軟件相比，國內石油天然氣領域的軟件還存在很大的差距，缺乏自主開發的適用于國內成品油管網實際運行情況的高級應用軟件。

在健全的法律和行規要求下，國外管道設計運營中普遍使用各種高級應用軟件，以提高管道運行和管理效率，預防和減少事故損失。近年來，國際主流仿真軟件開始陸續進入國內市場。截至目前，僅SPS，TGNET/TLNET產品在國內用戶數量就超過百家。在國內，管道設計單位率先使用管道仿真軟件，自1999年蘭成渝成品油管道在設計和運營領域成功應用SPS軟件后，此類軟件已經成為國內長輸管道設計、運營的必備工具。雖然國內設計單位與運營單位對仿真軟件的應用已日趨廣泛，但實際應用狀況并非都盡如人意。

中國石化華東成品油管網管道輸量大，運行風險高，管理難度大。為提高管道調度運行人員的技能水平，有必要開發一套具有先進的水力計算模型和界面友好的人機操作界面的成品油管道模擬仿真與培訓系統，實現水力模擬、異常預警、實操培訓和應急演練等功能，因而對該成品油管網模擬仿真與培訓系統的開發提出了更高的要求[1-3]。

2成品油管網模擬仿真與培訓系統基礎建模

華東成品油管網仿真模型是借助Varisim仿真軟件平臺，通過對管道所屬站場和外管道所含設備設施、管段等元件的基礎物理參數及管道日常運行參數的分析和組態，建立的可以用于管道模擬分析的數字模型，其模型建立過程主要有以下特點。

2.1基于元件的工藝流程組態

管道設備組態是工藝流程組態的重要部分。完善的管道設備組態環境是模型組態的基礎，也是未來軟件模型工程應用的基礎。在管道設備組態環境中，幾乎包含了所有通用設備的組態，如管道線路高程曲線組態、閥門設備組態、泵設備組態、管段組態等。

該管網工藝流程組態中，通過搜集管道站場幾乎所有設備的參數，整理站場施工圖紙、竣工圖紙并進行現場勘測，細化到每個管段、彎頭和元件、外管道的高程信息等，在軟件平臺上建立了一個完整的管網數學模型。

2.2基于SCADA邏輯的控制系統組態

控制系統組態指的是在軟件中模擬實際SCADA控制邏輯，對管道進行自動控制操作的組態。其內容包括簡單的調節閥PID控制組態、簡單聯鎖邏輯以及高級聯鎖邏輯。通過邏輯系統的組態，可以更好地模擬在管道運行異常情況下的控制系統做出的響應。

2.3關鍵模型參數的獲取

盡管仿真軟件自身帶有一個主流閥門的完善的閥門數據庫，但可能會遇到新的調節閥等設備，在相同口徑下其最大CV值、CV曲線都是不一樣的，這些是由其閥門特點決定的。通過對現有運行數據的分析，得到了諸如調節閥CV值等關鍵參數。

成品油輸送時流體的參數也是一個關鍵的性能指標，粘溫特性對于管道水力和熱力聯合仿真十分重要，通過實驗室測定的方法對所有該管網輸送的油品的粘溫曲線進行了測定。

3成品油管網在線仿真系統開發研究

3.1在線仿真基本算法

在線實時仿真的基礎數據來源于SCADA系統的實時監測數據。實施仿真器驅動狀態預估過程的方法在計算中可以使用所有的壓力和流量數據。

為了更好地描述下載站的下載行為，采用p-qm模型來進行建模，如圖1所示。下載站的成品油流量實時作用于模型中的下載調節閥，來實現下載流量的PID調節。

圖1　管道在線仿真系統通用計算模型注： p——成品油管道壓力；qm——成品油流量

華東管網在線仿真系統計算模型如圖2所示，對于首站，采用出站壓力來驅動出站調節閥進行調節，使得模型中出站壓力與實際一致，對于中間下載站，采用下載流量來驅動下載調節閥進行開度調節，使得模型中下載流量與實際保持一致。對于末站，直接由末站下載油罐的液位進行驅動。對于除SCADA系統驅動值之外的所有運行參數則由模擬仿真系統自行計算，并將其計算結果與SCADA系統測量值進行比較，從而驗證管道運行的安全狀態。

圖2　華東管網在線仿真系統計算模型

3.2在線仿真實現功能

3.2.1管道效率分析

在線仿真系統的一個重要功能就是基于SCADA系統參數對運行管道進行分析?；谀骋欢屋斢凸艿?，首先通過SCADA系統的參數，計算出管道的基準粗糙度k，在仿真系統運行過程中，軟件實時根據管道運行的SCADA數據對管道k值進行調整。其調整基本算法如下：

f=1.375×10-3×[1+(2×104k/d+

1×106/Re)1/3]

(1)

式中：f——摩阻系數；k——粗糙度；d——管徑；Re——雷諾數。

管道效率=基準/當前粗糙度，該管道效率指標可以為合理制訂清管計劃提供依據。

3.2.2管道安全預警

在線仿真系統部分數據由SCADA系統驅動，其余運行參數由軟件水力計算得出，可以根據該部分數據的測量值和軟件水力計算結果之間的誤差來實現對管道運行的安全評價，在準確建模的條件下，當誤差超出一定的閾值(可以自由設定)，則可以認為管道運行存在異常，以進一步進行原因分析。

根據軟件的水力熱力仿真結果，主要實現了流量、壓力的異動報警。在線仿真系統通過SCADA系統讀取必須的數據作為仿真軟件的邊界條件導入VariSim模塊，利用VariSim對其他運行參數進行理論計算，然后將計算出的理論數據與SCADA系統的讀數進行比較，當誤差達到閾值以上時，系統發出報警。由于仿真軟件每秒進行一次運算，因而一旦由于泄漏、閥門誤動作或者過濾器堵塞等異常情況造成壓力、流量波動后，即使未超出SCADA系統的設置范圍，也能及時判斷和報警，提醒調度人員及時處理。

4離線仿真系統開發研究

根據管道基礎數據建立的管道模型，經在線模型運行調整后，更逼近實際的管道，在此基礎上，利用該模型建立管道的離線仿真系統，進行離線培訓器開發。

在培訓服務器端，采用離線仿真軟件的工況模擬功能，可以通過收集日常輸油作業中的典型案例進行初始工況開發，生成題庫；也可以通過在線模型實時抓取工況作為初始工況，即時模擬。

在學員工作站，仍然采用現有SCADA系統的HMI軟件和工藝組態畫面，實時讀寫培訓服務器。特別開發了SCADA系統與水力仿真軟件通信的中間件。在系統開發中，不改變原有SCADA系統的軟件架構，將水力仿真軟件作為帶有水力仿真管道的PLC系統來考慮，將水力仿真軟件數據通過OPC接口向中間件封裝，在SCADA系統中針對一個虛擬設備(中間件)來開發相應的驅動，實現系統的集成。在整個系統中,中間件實現一個OPCClient與仿真軟件(也作為OPCClient)通過OPCServer交換數據，SCADA系統中編寫的驅動程序則實時讀取中間件獲取到的水力仿真系統數據，并由SCADA的HMI畫面進行顯示。

5結束語

本文從實際運行出發，完成了華東成品油管網在線模擬仿真與離線培訓系統開發，實現了對管網運行的同步跟蹤分析、實時監控預警，并為操作人員培訓提供模擬真實環境下靈活豐富的實操練習和測試手段以及對新工況預先的檢測論證平臺，并成功應用于該管網的運行管理，對提升管道安全高效運行水平和員工的操作技能、應急處置能力均發揮了積極作用，取得了明顯的應用效果。

參考文獻：

[1]王永紅，李曉平,宮敬.長輸管道在線仿真系統的應用與展望[J].油氣儲運，2011，30(02)： 90-94.

[2]宋生奎，宮敬，耿光輝.輸油管道離線仿真現狀及應用[J].石油商技，2003,21(06)： 32-34.

[3]常大海，王善坷，肖尉.國外管道仿真技術發展狀況[J].油氣儲運,1997,16(10)： 9-13.

[4]E.B.懷利,V.L.斯特里特.瞬變流[M]. 清華大學流體傳動與控制教研組譯.北京： 水利電力出版社，1983： 25-29.

[5]張國忠.管道瞬變流動分析[M].東營： 中國石油大學出版社，1994： 38-52.

[6]趙建敏,李琦.基于GPRS的供熱管網遠程監控系統[J].化工自動化及儀表,2012,39(06)： 757-760.

Development and Study of Refined Oil Product Pipe Network Analog Simulation

and Training System for East China

Dong Rongguo,Hu Jingjun

(East China Branch, China Petrochemical Marketing Co. Ltd., Shanghai, 200050, China)

Abstracts： Application of pipeline transportation in refined oil product is increasing in one time logistic. To further increase the operation management level of pipe network, the analog simulation and training system for pipe network is developed, and pipe hydraulic model with data interaction running with SCADA is constructed. Online simulation system is used for safety evaluation of pipeline running, and offline simulation system is used for staff’s technical training. The development concept, technical routine and modeling approach for the system are expounded emphatically. The system has been applied in operation management of refined oil product network. The synchronous tracking analysis, real-time monitoring early warning is realized for network operation. The operation is improved with good application performance.

Key words：refined oil product pipeline network; analog simulation; system development

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0043-03

作者簡介：董榮國(1971—)，男，現就職于中國石化銷售有限公司華東分公司，主要從事成品油管道一次物流優化及調度運行管理工作，任高級工程師。

稿件收到日期： 2015-08-07，修改稿收到日期： 2015-09-29。