华东成品油管网模拟仿真与培训系统的开发研究

董荣国，胡景军

(中国石化销售有限公司华东分公司 调控中心，上海 200050)



华东成品油管网模拟仿真与培训系统的开发研究

董荣国，胡景军

(中国石化销售有限公司华东分公司 调控中心，上海 200050)

摘要：管道输送在成品油一次物流中的比例不断上升，为了进一步提高成品油管网的运行水平，开发了管网模拟仿真与培训系统，建立了与SCADA系统数据交互运行的管道水力模型，在线仿真系统用于管线运行的安全评价，离线仿真系统主要用于人员的技能培训。重点阐述了该系统的开发理念、技术路线、建模方法。该系统已应用于成品油管网的运行管理，实现了对管网运行的同步跟踪分析、实时监控预警，提升了操作水平，应用效果良好。

关键词：成品油管网模拟仿真系统开发

1华东成品油管网模拟仿真与培训系统开发背景

管道仿真软件自 20 世纪 80 年代开始逐步商业化，商业仿真软件已经成为管道/管网仿真领域的主流，目前TGNET/TLNET，SPS，GREEG 等主要软件已占据了管道仿真领域大部分的市场份额。与国外商业软件相比，国内石油天然气领域的软件还存在很大的差距，缺乏自主开发的适用于国内成品油管网实际运行情况的高级应用软件。

在健全的法律和行规要求下，国外管道设计运营中普遍使用各种高级应用软件，以提高管道运行和管理效率，预防和减少事故损失。近年来，国际主流仿真软件开始陆续进入国内市场。截至目前，仅SPS，TGNET/TLNET产品在国内用户数量就超过百家。在国内，管道设计单位率先使用管道仿真软件，自1999年兰成渝成品油管道在设计和运营领域成功应用SPS软件后，此类软件已经成为国内长输管道设计、运营的必备工具。虽然国内设计单位与运营单位对仿真软件的应用已日趋广泛，但实际应用状况并非都尽如人意。

中国石化华东成品油管网管道输量大，运行风险高，管理难度大。为提高管道调度运行人员的技能水平，有必要开发一套具有先进的水力计算模型和界面友好的人机操作界面的成品油管道模拟仿真与培训系统，实现水力模拟、异常预警、实操培训和应急演练等功能，因而对该成品油管网模拟仿真与培训系统的开发提出了更高的要求[1-3]。

2成品油管网模拟仿真与培训系统基础建模

华东成品油管网仿真模型是借助Varisim仿真软件平台，通过对管道所属站场和外管道所含设备设施、管段等元件的基础物理参数及管道日常运行参数的分析和组态，建立的可以用于管道模拟分析的数字模型，其模型建立过程主要有以下特点。

2.1基于元件的工艺流程组态

管道设备组态是工艺流程组态的重要部分。完善的管道设备组态环境是模型组态的基础，也是未来软件模型工程应用的基础。在管道设备组态环境中，几乎包含了所有通用设备的组态，如管道线路高程曲线组态、阀门设备组态、泵设备组态、管段组态等。

该管网工艺流程组态中，通过搜集管道站场几乎所有设备的参数，整理站场施工图纸、竣工图纸并进行现场勘测，细化到每个管段、弯头和元件、外管道的高程信息等，在软件平台上建立了一个完整的管网数学模型。

2.2基于SCADA逻辑的控制系统组态

控制系统组态指的是在软件中模拟实际SCADA控制逻辑，对管道进行自动控制操作的组态。其内容包括简单的调节阀PID控制组态、简单联锁逻辑以及高级联锁逻辑。通过逻辑系统的组态，可以更好地模拟在管道运行异常情况下的控制系统做出的响应。

2.3关键模型参数的获取

尽管仿真软件自身带有一个主流阀门的完善的阀门数据库，但可能会遇到新的调节阀等设备，在相同口径下其最大CV值、CV曲线都是不一样的，这些是由其阀门特点决定的。通过对现有运行数据的分析，得到了诸如调节阀CV值等关键参数。

成品油输送时流体的参数也是一个关键的性能指标，粘温特性对于管道水力和热力联合仿真十分重要，通过实验室测定的方法对所有该管网输送的油品的粘温曲线进行了测定。

3成品油管网在线仿真系统开发研究

3.1在线仿真基本算法

在线实时仿真的基础数据来源于SCADA系统的实时监测数据。实施仿真器驱动状态预估过程的方法在计算中可以使用所有的压力和流量数据。

为了更好地描述下载站的下载行为，采用p-qm模型来进行建模，如图1所示。下载站的成品油流量实时作用于模型中的下载调节阀，来实现下载流量的PID调节。

图1　管道在线仿真系统通用计算模型注： p——成品油管道压力；qm——成品油流量

华东管网在线仿真系统计算模型如图2所示，对于首站，采用出站压力来驱动出站调节阀进行调节，使得模型中出站压力与实际一致，对于中间下载站，采用下载流量来驱动下载调节阀进行开度调节，使得模型中下载流量与实际保持一致。对于末站，直接由末站下载油罐的液位进行驱动。对于除SCADA系统驱动值之外的所有运行参数则由模拟仿真系统自行计算，并将其计算结果与SCADA系统测量值进行比较，从而验证管道运行的安全状态。

图2　华东管网在线仿真系统计算模型

3.2在线仿真实现功能

3.2.1管道效率分析

在线仿真系统的一个重要功能就是基于SCADA系统参数对运行管道进行分析。基于某一段输油管道，首先通过SCADA系统的参数，计算出管道的基准粗糙度k，在仿真系统运行过程中，软件实时根据管道运行的SCADA数据对管道k值进行调整。其调整基本算法如下：

f=1.375×10-3×[1+(2×104k/d+

1×106/Re)1/3]

(1)

式中：f——摩阻系数；k——粗糙度；d——管径；Re——雷诺数。

管道效率=基准/当前粗糙度，该管道效率指标可以为合理制订清管计划提供依据。

3.2.2管道安全预警

在线仿真系统部分数据由SCADA系统驱动，其余运行参数由软件水力计算得出，可以根据该部分数据的测量值和软件水力计算结果之间的误差来实现对管道运行的安全评价，在准确建模的条件下，当误差超出一定的阈值(可以自由设定)，则可以认为管道运行存在异常，以进一步进行原因分析。

根据软件的水力热力仿真结果，主要实现了流量、压力的异动报警。在线仿真系统通过SCADA系统读取必须的数据作为仿真软件的边界条件导入VariSim模块，利用VariSim对其他运行参数进行理论计算，然后将计算出的理论数据与SCADA系统的读数进行比较，当误差达到阈值以上时，系统发出报警。由于仿真软件每秒进行一次运算，因而一旦由于泄漏、阀门误动作或者过滤器堵塞等异常情况造成压力、流量波动后，即使未超出SCADA系统的设置范围，也能及时判断和报警，提醒调度人员及时处理。

4离线仿真系统开发研究

根据管道基础数据建立的管道模型，经在线模型运行调整后，更逼近实际的管道，在此基础上，利用该模型建立管道的离线仿真系统，进行离线培训器开发。

在培训服务器端，采用离线仿真软件的工况模拟功能，可以通过收集日常输油作业中的典型案例进行初始工况开发，生成题库；也可以通过在线模型实时抓取工况作为初始工况，即时模拟。

在学员工作站，仍然采用现有SCADA系统的HMI软件和工艺组态画面，实时读写培训服务器。特别开发了SCADA系统与水力仿真软件通信的中间件。在系统开发中，不改变原有SCADA系统的软件架构，将水力仿真软件作为带有水力仿真管道的PLC系统来考虑，将水力仿真软件数据通过OPC接口向中间件封装，在SCADA系统中针对一个虚拟设备(中间件)来开发相应的驱动，实现系统的集成。在整个系统中,中间件实现一个OPCClient与仿真软件(也作为OPCClient)通过OPCServer交换数据，SCADA系统中编写的驱动程序则实时读取中间件获取到的水力仿真系统数据，并由SCADA的HMI画面进行显示。

5结束语

本文从实际运行出发，完成了华东成品油管网在线模拟仿真与离线培训系统开发，实现了对管网运行的同步跟踪分析、实时监控预警，并为操作人员培训提供模拟真实环境下灵活丰富的实操练习和测试手段以及对新工况预先的检测论证平台，并成功应用于该管网的运行管理，对提升管道安全高效运行水平和员工的操作技能、应急处置能力均发挥了积极作用，取得了明显的应用效果。

参考文献：

[1]王永红，李晓平,宫敬.长输管道在线仿真系统的应用与展望[J].油气储运，2011，30(02)： 90-94.

[2]宋生奎，宫敬，耿光辉.输油管道离线仿真现状及应用[J].石油商技，2003,21(06)： 32-34.

[3]常大海，王善坷，肖尉.国外管道仿真技术发展状况[J].油气储运,1997,16(10)： 9-13.

[4]E.B.怀利,V.L.斯特里特.瞬变流[M]. 清华大学流体传动与控制教研组译.北京： 水利电力出版社，1983： 25-29.

[5]张国忠.管道瞬变流动分析[M].东营： 中国石油大学出版社，1994： 38-52.

[6]赵建敏,李琦.基于GPRS的供热管网远程监控系统[J].化工自动化及仪表,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

中图分类号：TP391.9

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)06-0043-03

作者简介：董荣国(1971—)，男，现就职于中国石化销售有限公司华东分公司，主要从事成品油管道一次物流优化及调度运行管理工作，任高级工程师。

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