不确定性在管道流动安全评价中的研究进展

潘 峰，付晓明，杨广仁，王 辉，陈双庆



不确定性在管道流动安全评价中的研究进展

潘 峰1，付晓明2，杨广仁2，王 辉2，陈双庆1

（1. 东北石油大学 石油工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2. 大庆油田有限责任公司储运销售分公司，黑龙江 大庆 163000）

油气集输管网的设计首先要保证管道内介质流动的安全性，由于与原油管道输送相关的原油物性参数、运行参数、环境因素具有很强的不确定性，因此传统的确定性方法进行管道流动安全性评价有很多局限性。回顾了国内学者对管道输送相关参数不确定性研究现状，并对油气储运工程领域不确定性研究的发展趋势进行了探讨，从而为管道流动安全性评价提供了理论基础。

流动安全评价；不确定性；工程应用；研究进展

油气集输管网的设计首先要保证管道内介质流动的安全性，原油管道介质流动失效主要包括凝管和蜡堵。而进行管道介质流动安全性评价首先需要确定管道埋深、地温、土壤导热系数、原油流变性等参数。受环境及原油自身因素的影响，这些在原油管输过程中所涉及参数往往具有很强的不确定性。而目前，这些具有不确定性的量往往按照确定的量进行处理，这种确定性方法存在着很多不足。例如，为了降低凝管风险，工程中的现行做法是控制管道进站温度高于凝点以上3 ℃，以此来反算最低出站温度。而这一做法的前提是将管输油品物性、管道运行参数、环境参数等视为确定的量。实际上，这些参数都具有不确定性，现行做法难以反映管道真实的安全性水平。例如，某油品凝点是28 ℃（均值），进站温度是30 ℃时安全性就不一定差。原因在于油品的凝点是波动的，若凝点波动值大于1 ℃且偏小，此时原油的凝点很可能低于均值28 ℃，管道的安全性仍有保证。以此类推，包括原油物性（凝点、粘度、触变性等）、土壤物性（土壤导热系数、地温等）、管道运行参数（管道输量、进出站温度、进出站压力）等，这些参数在不同程度上都具有不确定性。ISO 16708指出在管道寿命期内的设计、施工、投产和运行阶段，都存在着不确定性，管道实际运行过程中不确定性的参数是普遍存在的，而且波动范围很大。确定性评价方法通常采用均值进行计算，难以考虑数据波动对管道运行安全可能产生的影响。

不确定性的研究方法主要有两种：一种是用概率分布模型来描述某一变量的不确定性方法，这种方法研究的是变量本身的不确定性；第二种是引入随机因子，在物理模型中引入一个随机因子来描述模型的不确定性，这种方式是通过引入随机因子来修正因模型的简化和不完善等产生的不确定性。本文回顾了原油物性及流变性、管道运行参数、环境参数等的不确定性研究现状和方法，并给出了今后的发展趋势，从而为油气管道的流动安全性评价提供了理论依据。

1 原油物性及流变性的不确定性

原油本身是一种极其复杂的烃类和非烃类的液态混合物，对原油流变性影响很大的组分(蜡、胶质、沥青质等)，从化学上讲是一类物质的集合，而不是在分子结构上很清楚的某一种物质。含蜡原油的流变性不仅取决于组成，还与经历的热历史、剪切历史等外因有关，并体现着随机性和模糊性两个方面的不确定性。此外，原油流动性参数的不确定性不仅与原油本身的组成有关，还与实验仪器等因素有关。当然，对于给定原油，粘度随温度的变化是确定的（不属于不确定性的范畴）。本文总结的粘度不确定性，主要是指同一温度下由于管内油品组成差异造成的粘度的不确定性，属于本征不确定性，而非由于温度变化引起的粘度变化。

2 管道运行参数的不确定性

通过分析 SCADA 系统采集到的管道实际运行参数，可以发现，即使在不考虑人为的输送计划调整时，管道运行参数（管道输量、进出站压力、进出站温度等）在给定的泵和加热炉组合工况下，也是在一定范围内波动的。管道的运行参数（管道输量、进出站压力、进出站温度等）存在波动，确定性评价方法通常采用均值进行计算，难以考虑数据波动对管道运行安全可能产生的影响。原油管道运行过程中，进出站压力、进出站温度、进出站流量等主要运行参数都具有不确定性，且都会对管道流动安全性产生影响。

3 环境参数的不确定性

无论是矿场油气集输管道还是油气长距离输送管道，往往绵延数百、甚至数千公里，沿线管道埋深、土壤物性、管道敷设处自然地温均存在不确定性，这里面既有由于土壤组成不同而产生的不确定性，也有由于测量、计算模型产生的认知不确定性。确定性方法往往忽略环境参数的不确定性，如目前业内都采用站间当量数值进行工艺计算，最典型的莫过于“总传热系数”，对于稳态运行工况，这是可行的。然而，对于非稳态工况，特别是停输再启动分析，这种采用站间平均参数的确定性分析方法的缺陷显而易见。当然，由于管道埋深处（地下一定深度）地温随季节的变化基本上是确定的。本文总结的地温不确定性，主要是指由于测量或统计的原因产生的地温的不确定性，属于认知不确定性范畴，而非地温随季节的变化。

4 不确定性研究在油气储运工程中的发展趋势

目前而言，国内学者对参数不确定性的研究主要是指通过统计分析的方法得到不确定性参数的分布模型和相应的模型参数，目前用来表示不确定性参数的分布主要是常见的概率分布，其中以正态分布与Poisson分布最为常见。总体而言，相对于岩土工程、机械工程等领域，不确定性研究在油气储运工程中的起步较晚，并主要将不确定性研究的成果应用于含蜡原油管道停输再启动安全性评价，对于管道正常运行中的安全性评价问题应用较少。由于受多种复杂因素的影响，工程实际中的问题可能并不严格符合常用的概率分布，而是服从某种未知的分布或几种常用分布的组合。对目前环境参数（管道埋深、埋深处地温、土壤导热系数）等不确定参数均直接确定服从正态分布，直接给出均值和标准差，显然是不可靠的。此外对于不符合某种特定分布模型（如正态分布、指数分布等）的样本，ISO 16708中的方法是不适用的。因此在今后的研究中可以参考其他领域的方法，综合运用模糊分布法、最大熵原理等方法来研究流动性参数的不确定性是今后的研究方向。

5 结束语

总而言之，对参数进行不确定性分析，就是在弄清楚参数不确定性来源的前提下，运用统计方法确定参数的随机概率分布，也就是参数的分布模型和相应的模型参数。但是，由于造成数据不确定性的原因各异，以及数据基础样本容量的不同，对于不同的参数，采用的不确定性分析方法也会有所不同。当然，研究不确定性因素的统计规律需要大量的数据，因此与管道流动安全性有关的参数全部作为不确定性参数考虑并不现实，可将对管道流动安全性影响较小，通常可以忽略其不确定性的参数作为确定性参数考虑。统计相关参数的不确定性，对流动安全性进行评价，不仅具有重要的科学意义，并且对于输油管道的安全运行、节能减排具有极其重要的工程应用价值。

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Research Progress of the Uncertainty in Pipeline Flow Safety Assessment

1,2,2,2,1

（1.Petroleurm Engineering College, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China;2. Daqing Oilfield Company Transportation and Storage and Marketing Branch, Heilongjiang Daqing 163000，China）

The design of oil and gas gathering and transportation network must first ensure the safety of the medium flow in the pipeline. Due to the uncertainty of crude oil physical parameters, operating parameters and environmental factors related to crude oil pipeline transportation, traditional deterministic methods have many limitations to the safety assessment of pipeline flow. In this paper, research status of uncertainties in pipeline transportation was reviewed, and the development trend of uncertainties in the field of oil and gas storage and transportation engineering was discussed, in order to provide a theoretical basis for pipeline flow safety evaluation.

Flow safety assessment;Uncertainty; Engineering application; Research progress

TE 832

A

1671-0460（2017）08-1671-04

国家自然科学基金资助项目“受约束三维地形条件下油气集输系统模糊布局优化研究”,51674086。

2016-12-22

潘峰（1993-），男，辽宁省抚顺市人，东北石油大学油气储运工程专业在读研究生，2015年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：主要从事多相管流及油气田集输技术研究。E-mail：panfengnepu@sina.com。