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输油管道仿真技术研究

文档作者：沈蔚王明凤刘国霖吴钦文档来源：长江大学石油工程学院		点击数：	更新时间： 2021年10月10日
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2012 正
第5期
管 道 技 木
Pipeline Technique
彳要 各
Equipment
2012
No．5
输油管道仿真技术研究
沈蔚，王明凤，刘国霖，吴钦
(长江大学石油工程学院，湖北荆州434023)
摘要：输油管道仿真是一项综合利用油气储运、流体力学、计算机、网络技术、控制工程等多学科知
识的前沿技术。该技术的成熟与发展，对实现管道的经济运行、智能管理有着重要的意义。结合数学
模型及模型求解方法，系统阐述了管道仿真技术的基本理论。通过分析仿真技术在管道检漏及顺序输
送两方面的应用现状，指出相应的不足之处，并就该技术的进一步发展提出了几点建议。
关键词：输油管道；仿真技术；基本理论
中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号：1004—9614(2012)05—0015—02
Study of the Simulation Technology of Oil Pipeline
SHEN Wei，WANG Ming—feng，LIU Guo—lin，WU Qin
(Petroleum Engineering Academy of Yangtze University，Jingzhou 434023，China)
Abstract：As a frontier technology for pipeline，the oil pipeline simulation technology contains much knowledge of diferent
subjects，such as petroleum storage and transportation，fluid mechanics，computer technology，network technique and control engi—
neering．The development and maturity of the technology plays an important role in realizing the pipeline’S economical operation
and intelligent management．The fundamental for the simulation technology is expounded by introducing its math model and the
solving method for the mode1．Some deficiencies and suggestions are given for the simulation technology by analyzing its applica—
tion status on pipeline leak detection and batching transportation．
Key words：oil pipeline；simulation technology ；fundamental theory
O 引言
管道运输是原油与成品油最主要的运输方式。
从世界范围来看，管道运输正向着大口径、长距离、高
压力的大型输油管道发展，这就对原本已经很复杂的
管道设计、运行和管理提出了更高的要求。由于管输
系统的庞大性与复杂性，要实现输油管道的稳定运
行、经济管理受到很多因素的制约。
管道仿真就是通过建立系统的模型，借助计算机
对真实系统或设想进行分析论证的一门综合性技术。
文中主要阐述了管道仿真技术的基本原理、发展现
状，并就仿真技术的进一步发展提出了几点建议。
1 管道仿真技术基本理论
管道仿真的理论基础是原油的流动机理，其关键
在于仿真软件采用的数学模型是否能够正确、完整地
描述管道动态运行时的各种状态，以及对建立的数学
模型的求解方法是否精确⋯ 。
1．1 数学模型
管道内液体流动的状态分为稳态和不稳态两
类 J。在建立管流数学模型时，取一微元管段，根据
收稿日期：2011—10—20 收修改稿日期：2012—04—09
流体力学运动微分方程和连续性方程，建立全面、确
切地描述管道动态过程的基本方程组(对不等温输送
管路需补充描述热力瞬变的能量方程，气体管道需补
充气体状态方程) J。尽管在生产实际中普遍存在的
是瞬变流动过程，而稳态流动只是流动过程的特殊状
态，可是稳态模型却被广泛用于设计管道、估算管道
流量及管道充装量等方面。
连续稳态模型是由一系列的边界条件、控制设定
点、设备状态及界面位置组成的，主要用于跟踪或计
算管道中油品的运动。要增强管道仿真模型的精确
性，还需要将传热和摩擦生热对管道水力特性的影响
考虑在内，在模型中引入某种形式的热力模型，如全
热力模型、等温模型、连续稳态模型、“蛙跳式”瞬变热
力模型和假稳态热力模型等，应根据实际情况，选择
合适的热力模型 。
1．2 模型求解方法
管道仿真中用于求解水力模型的数值方法可以
分为以下几类 J。
1．2．1 特征线法
该方法是用2个特征值将不稳定流问题的2个偏
微分方程转换成4个常微分方程，然后使用有限差分
1 6 Pipeline Technique and Equipment
方法把常微分方程转化成差分方程。由于不需要求
解联立方程组，可以各自独立地求出何个节点的流动
参数，从而简化了管道瞬变流动的求解过程。特征线
法还容易与复杂的边界条件联解，并且可以弥补数值
方法不形象的缺点。
1．2．2 隐式差分法
隐式差分法要求对整个管道系统联立求解一组
代数方程，而方程的个数取决于管道系统所分的节点
数。每次迭代都需求出全部未知数后，才能进行下一
次迭代。对于方程式中的非线性摩擦项和复杂的边
界条件，迭代过程需要消耗大量的计算时间。隐式差
分方法的优点是计算结果的稳定性基本不受计算时
间步长的约束，但计算时间步长也不可太长，以免违
反差分过程的基本要求。
1．2．3 迦辽金(Galerkin)法或变分法
变分法是求解瞬变过程的有效方法，既适用于求
解快速瞬变过程，又适用于求解慢速瞬变过程，计算
结果与现场数据相吻合 J。该方法既具有解析法的
特点，又具有数值解法的特点，与纯数值解法相比，管
道单元和时间步长的选取可大可小，且各管道单元的
大小可以不一样，这就提高了求解的灵活性。其算法
也具有较高的时间和空间效率。
2 管道仿真技术现状
目前的管道仿真技术主要集中在管道泄漏检测
及顺序输送两个方面。
2．1 管道泄漏检测
从原理上看，目前仿真系统中常用的检漏方法包
括输差对比法、压力点分析法及动态模拟计算法 。
其中以压力点分析法使用最广，对大的管道泄漏检测
较好，然而对于缓慢发生的泄漏或己经发生的泄漏，
一般不能检出。所以在管道泄漏检测过程中，常采取
以压力点分析法检测为主，输差对比法或动态模拟计
算法为辅的方法。
随着对泄漏原理的不断认识，不少学者成功找到
了多种检漏新方法。例如，刘恩斌、李长俊等提出的
一种通过检测管道水力坡降线奇异点来判断泄漏是
否发生及进行泄漏定位的方法 j，该方法认为管道发
生泄漏时，原本光滑的水力坡降线会出现拐点，即突
变奇异点，采用小波变换识别这种突变信号即可检测
到泄漏的发生及确定泄漏的位置。这种方法检漏精
度较高，不过必须在整个管道系统达到稳定后的情况
下才能使用。
2．2 顺序输送
对管道顺序输送的仿真，其基础是建立准确描述
混油过程的数学模型，关键是解决混油量的计算问题
并实现对混油段的追踪。对于混油过程的数学模型，
一般多采用二维对流扩散模型，该模型充分考虑了混
油浓度不对称分布的本质，其在解析混油形成、发展
及具体浓度分布方面比一维模型更精确，对顺序输送
中混油过程的描述更准确。尽管Freitas Rachid F．B．、
黄淑女等均提出了新的计算模型 ，但目前对于混油
量的计算，多数输油管道仿真软件仍采用英国研究者
Austin J．E．和Palfrey J．R．总结的经验公式来计算。
对于混油界面的检测问题，目前采用的设备有密
度型界面检测系统、超声波界面检测器、记号型界面
检测系统和光学界面监i贝0系统等。对混油界面的追
踪，主要是通过管道SCADA(Supervisory Control and
Data Acquisition)系统中的应用软件来完成的，这些软
件承担着油品切换、混油段跟踪及末站}昆油切割等操
作的控制，可以准确地预计出混油段抵达末站的时
间，能够进行混油界面位置计算、混油长度及浓度计
算。
3 不足与建议
目前，国内外对于构建输油管道仿真系统已经有
了很大的突破和进展，然而由于该系统是一项涉及油
气储运、流体力学、计算机、网络通信等多学科的复杂
系统工程，其影响因素众多。因此，要想通过建立全
面、完善的管道仿真系统来实现输油管道的实时监
控、稳定运行和经济管理，还面临着很多需要完善和
解决的问题。针对这些问题，提出了以下几点建议：
3．1 修正数学模型，提高精确性
用于管道仿真的数学模型要做到能够正确、完整
地描述管道动态运行时的各种状态。对于不同的管
道系统，其具体的组成系统不同，沿线各站的工艺不
同，输送介质的性质不同等都会影响数学模型的准确
性与完整性。因此，针对不同的管道系统，需要结合
管道上各自单元的特性和不同操作，给出必要的补充
计算方程，以对数学模型进行修正。
3．2 完善仿真技术应用，增加可靠性
在管道检漏方面，现有的检漏方法大都存在误报
警率高、定位不准、安装和维修费用高等缺点。可以
通过改进检漏原理，结合各种优化算法及多信息融合
技术来提高检漏方法的精确性与实用性；在顺序输送
模拟方面，由于影响混油的因素繁多，(下转第19页)
第5期 柯遂等：燃气管道泄漏检测与定位技术研究 19
发生泄漏的概率，并利用最小二乘法进行泄漏点定
位。该方法使用统计决策论的观点，较好地解决了瞬
变模型中误报警的问题，而且不用计算复杂的管道模
型，降低了计算上的复杂性。统计泄漏检测系统还具
有在线学习能力，可以适应管道参数的变化。同时，
该系统还能检测仪表故障，进一步提高了可靠性。统
计决策法在实际使用中取得了良好的效果。
3 结束语
由于管道工业的不断发展，对管线的泄漏与定位
技术要求也越来越高，随着计算机技术的不断发展以
及现代管道的SCADA系统的建立，使得发展基于软
件技术的现代管道泄漏检测技术成为了现实。上述
几种燃气检测与定位方法中，基于信号的处理是现在
大多被采用的，负压波法检测法的定位精度能达到
2％ [51
， 但其不适合微小泄漏，而且在实际运用中，其
受仪器的灵敏度、周围环境的变化影响较大，而传统
压力梯度法精度不高，对该方法的改进在一定程度上
提高了精确度。然而，上述改进是基于在燃气管道中
泄漏点前后压力波动是平稳的，在实际应用中的该法
还有待研究。随着对检测和定位精度的要求不断提
高，必将对模型的依赖程度提高，瞬态模型法会有广
阔的发展的前景，而单纯的一种检测方式都有缺点，
应综合应用多种检测与定位技术。
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作者简介：柯遂(1988一)在读研究生，研究方向为城市燃气输
配与应用。
(上接第16页)混油界面在管道中的运动又非常复
杂，各种计算公式都有一定的局限性，目前还没有公
认的与实际完全相符合的混油计算公式。
此外，现阶段的顺序输送仿真技术对影响混油的因
素考虑得并不全面，如由于管径变化、中途分输或进油、
管内流速随着混油段运移变化等原因而造成液流速度
发生改变时，就需要对混油量的计算公式做相应的调
整，对包括油品密度差、黏度差、输送路线起伏等因素的
影响也欠缺全面的考虑。如何较好地计算出停输阶段
的混油量也是目前有待解决的难点问题之一。
在具体的混油量计算中，可以通过多次的实验室
模拟测试、计算机迭代、曲线回归等方法，对所选用的
公式引入一些修正项，以提高计算的精度，并针对具
体的运行工况及时对相关参数及计算方法进行调整。
3．3 合理选择或开发仿真软件
现阶段需通过充分消化和吸收国外引进的软件，结
合具体的实际情况，编制出适合国内使用的仿真软件。
各管道运行企业也要根据自身的生产实际和管理特性
选择或开发出适合自身实际的仿真系统。在仿真系统
的开发方面，要在系统开发中制定长远的计划，方便系
统随着仿真技术的进步不断地进行扩展和升级。
4 结束语
随着仿真技术的不断发展和成熟，输油管道仿真
技术在优化管道经济运行，保证管道安全生产方面发
挥着越来越重要的作用。但由于在算法设计、软件功
能设计、软件编译等方面和国外还存在一定的差距，
国内现有的仿真技术还不够完善。应在不断完善仿
真系统理论的同时，进一步扩展管道仿真技术的功
能，使其能更好地为提高管道运行的经济性和安全性
服务。
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作者简介：沈蔚(1989一)，硕士研究生，从事管道输送及多相管
流等方面的研究。

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