成品油管道泄漏量测算软件

吴梦雨， 梁永图， 何国玺， 李岩松， 谢 成

(1．中国石油大学(北京) 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249；2．中国石化销售有限公司 华南分公司，广西 南宁 530000)

成品油管道泄漏量测算软件

吴梦雨1， 梁永图1， 何国玺1， 李岩松1， 谢 成2

(1．中国石油大学(北京) 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249；2．中国石化销售有限公司 华南分公司，广西 南宁 530000)

近年来，由于老化、腐蚀穿孔和第三方打孔盗油等原因，管道泄漏事故频发。进行管道泄漏量的有效估算，可以为企业的后续事故处理、环境影响评估、危险区域划分提供重要依据。本文将泄漏报警系统与泄漏测算模块进行集成，基于水热力耦合瞬变流动模型，开发了具有在线测算成品油管道泄漏量的软件。现场应用表明，模拟结果与实际结果的误差在5%内，软件测算结果可信，具有工程实际应用价值，可以为现场工作人员提供一定的技术支持和参考依据。

成品油管道； 泄漏量； 测算软件

由于老化、腐蚀穿孔和第三方打孔盗油等原因，各类管道泄漏事故频发。2013年11月27日沪昆高铁一施工塔吊发生倒塌，造成中石化西南成品油输油管道贵阳至安顺段破损，造成汽油外泄，约2 000 t汽油泄漏，事故中有3人受伤。2014年6月30日中石油新大一线输油管线加气站配电工程实施水平定向钻施工使得输油管线被钻漏，导致原油泄漏。目前，国内外管道泄漏相关研究主要集中在泄漏位置的定位及事故评价，气体管道的泄漏及其扩散[1-6]。通过建立模型进行数值模拟以及建立相应的实验装置来研究气体及液体泄漏规律[7-11]，少有研究成品油管道泄漏量测算的相关文献[12-13]。此外，也未见有文献针对成品油管道泄漏量计算的相关软件的报道[14-17]，因此对成品油管道泄漏过程进行详细分析并开发出具有一定精度的测算软件有一定现实意义。

本文开发的“成品油管道泄漏量测算软件”，可计算事故状态下产生的泄漏量并对泄漏过程进行分析，提高应急响应的针对性和准确性。目前已实现对整个泄漏过程进行在线和离线模拟计算。

1 软件的理论依据和算法

成品油管道的稳定运行状态是管内油品的水热力参数和外界环境参数均达到相对恒定的状态。批次顺序输送是一个慢瞬变过程，泄漏发生后，管道由稳定运行状态变为非稳定状态，产生的负压波向管道两端传递，因管道沿线摩阻的存在，产生的压力波逐渐衰减，最后完全消失，达到新的稳定状态。现场发现泄漏后，将采取关闭泄漏点所在管段两端阀门以及停运相关泵机组等相应措施，此时管道内将发生复杂的瞬变流动现象，泄漏点的泄漏流量也随之有规律地变化。上述过程持续一段时间之后，又将达到新的稳定状态，此时油品的泄漏主要与泄漏管段地形及泄漏点位置相关。

泄漏发生后即以泄漏点为扰动源向两端发射压力波。泄漏后对全线管道运行参数的影响是，上下游压力均降低，上游流量增大，下游流量减小。为保证能够得到现场泄漏过程中泄漏管段两端压力(作为边界条件)，选择上、下游泵站间的管道作为计算的基本单元。

建立如图1所示通用泄漏模型。为保证模型的通用性，同时考虑到成品油顺序输送水热力耦合，数值模拟需基于特定的边界条件，泄漏管段中包含的物理单元有阀门、变径点、混油界面、泄漏点、上游泵出口和下游泵入口。

图1 通用泄漏模型

Fig.1 General leakage model

泄漏过程的数学描述较为复杂，涉及管内油流的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及相关边界条件和初始条件。对于该耦合问题，做如下假设：(1)不考虑混油，假设不同油品接触面为一截面；(2)不考虑泄漏点外界环境压力对泄漏的影响；(3)不考虑油品经过阀门、变径点等引起的温度变化。基于以上假设，可得描述管内油流的连续性方程、动量方程和能量方程。

目前较为常用的两种网格划分方法为各管段统一时步法和非统一时步法。对于复杂管道，一般采用各管段统一时步法进行计算。模型采用各管段统一时步法对网格进行划分。

采用特征线法结合有限差分求解水热力耦合瞬变流动问题，并对算法的稳定性和计算精度进行检验。根据特征方程一般形式，利用特征线法，建立描述管内油流的连续性方程、动量方程和能量方程特征方程。将特征方程离散化后，可求出内部节点的流量、压头和温度。对成品油管道顺序输送进行水热力耦合模拟时，采用间距内插方法。

2 软件的结构与功能

为估算事故状态下产生的油品泄漏量以及分析泄漏过程，提高应急响应的针对性和准确性，开发了管道泄漏量测算功能模块，并与泄漏报警系统集成，泄漏报警出现后，自动计算管道泄漏量。该功能模块集成到中石化销售公司智能化管线系统中。

在线泄漏量测算模块由本地服务器部署油品泄漏测算模块，通过网页的形式获取泄漏报警系统的泄漏点信息，完成实时数据库的连接，并将计算结果传递给GIS系统。泄漏报警系统与泄漏测算模块进行了集成，泄漏事件产生的泄漏点位置信息和泄漏发生时刻可以作为泄漏量评估所需的参数传递给泄漏测算模块。

系统目前已实现对整个泄漏过程进行在线和离线模拟计算。

在线泄漏估算根据从ASPEN实时数据库中采集管段运行参数和用户输入的泄漏位置与发生时间，自动计算测算时长内的泄漏累积量。系统从实时数据库获取测算时长内的泄漏点上下游站场的温压流量和管段地温，在线泄漏测算模块从智能化管线系统中获取管段基础参数和油品物性参数。泄漏点计算结果包括：预测泄漏孔径大小、最大泄漏时间、不同时刻管道沿线的压力、温度及流量、泄漏点压力、流量及温度随时间变化趋势、不同阶段的泄漏速度以及累计泄漏量随时间变化和最大泄漏量。

若需在事故发生后进行事故评估，用户也可以采用离线泄漏估算。用户将相关参数输入到EXCEL表格中，系统根据离线参数进行计算。用户需下载相应的计算模板，将计算所需参数导入模板中，在网页上传数据模板，点击计算按钮就可以完成计算。结果的显示和在线的模拟计算类似。

在线泄漏测算模块和离线泄漏测算模块共用系统基础参数，调取不同模块的数据进行计算，如图2所示。在线泄漏测算模块需要从泄漏报警系统中读取泄漏发生时间、泄漏点位置，从实时在线数据库中调取上下游压力等工况数据，加上系统的基础数据(管道基础参数和油品物性参数等)，进行在线的泄漏量测算。离线测算模块则需要通过数据模板导入泄漏相关工况参数和泄漏点位置等历史参数，主要用于泄漏事故事后的测算。

图2 在线及离线泄漏量测算示意图

3 软件应用实例

3.1 软件算法可靠性验证

软件基于瞬变流动的机理，将描述管道内瞬变流动的连续性方程、动量方程、能量方程与稳定管流的泄漏流量方程联立，建立管道泄漏的水热力耦合瞬变流动模型，并采用特征线法和有限差分相结合的算法，求解耦合模型。水热力瞬变计算结果的准确性是软件应用于现场泄漏量测算的前提条件，本文将水热力瞬态计算权威软件SPS瞬态模拟结果与泄漏量测算软件计算结果对比，验证软件水热力耦合瞬态流动求解算法的准确性。

SPS无法直接建立管道与外界环境通过小孔连通的模型，但管道分输与小孔泄漏引起管道压力与流量的变化趋势相似。因此，本文通过SPS设置一个定压力分输工况，然后通过SPS模拟泄漏过程中上下游压力变化数据，验证泄漏量测算软件瞬态计算的准确性。

SPS分输模拟中模型参数及边界条件设定如图3所示。其中Initial Station表示模拟管道的首站， Pipe_2及Pipe_5表示首站至模拟泄漏点之间的管段，B_2，B_3为阀门，Node 2为定压力分输点，即模拟泄漏点。Terminal Station表示模拟管道的末站，Pipe_3及Pipe_4表示末站至模拟泄漏点之间的管段。由阀门B_1控制分输操作的进行。建模相关参数和边界条件列于表1。

图3 SPS软件建模示意图

参数取值参数取值管道长度/km215．404管道起点温度/℃26．261管道直径/mm457管道终点温度/℃22．904壁厚/mm8．7沿线地温/℃21．904管道流量/(m3·h-1)735．448油品密度/(kg·m-3)830管道起点压力/MPa8．676油品运动黏度/(mm2·s-1)5．2管道终点压力/MPa1．539

SPS计算模拟结果如图4所示。在10 min后开始模拟分输，由模拟的结果可知，分输流量为30.924 m3/h，分输时长为1 444 s，分输量为12.413 m3。将压力流量等数据导入软件离线预测的数据模块中，成品油管道泄漏量测算模型计算部分结果如图5所示。

图4 SPS模拟计算结果

Fig.4 The simulating result given by software SPS

图5 管道泄漏量测算模型计算结果

Fig.5 The simulating result of transient and accumulatedleakage volume given by the model

泄漏量测算模型在1 444 s的测算时间内计算的分输量为12.384 m3。管道泄漏量测算模型与SPS计算结果对比如图6所示。由图6可以看到， SPS的模拟结果的最终相对误差为0.235 2%，泄漏过程中最大误差不超过0.8%，对比结果验证了软件水热力耦合瞬变流动的算法可靠性。

3.2 软件实用性验证

为验证模型的实用性及可靠性，选取了国内某成品油管道的其中一个管段进行现场实验，以模拟泄漏事故。该管段包含首站A，中间站B及末站C，其中中间站B具有排污短管，用于排放管内累积的污油。现场实验通过该排污短管进行污油泄放，以此模拟管道泄漏的过程。

图6 管道泄漏量测算模型与SPS计算结果对比

Fig.6 The comparison of calculating results of accumulatedleakage volume given by the model and software SPS

该管段长82.60 km，泄漏点距离首站A 处30.90 km。沿线地形如图7所示。

图7 实验管段纵断面图

Fig.7 Profile diagram of experimental pipeline

实验管道及管内油品(0#柴油)相关参数如表2所示。

表2 实验管段管线和油品参数

由现场实验测得管内背压为20 kPa。本次泄漏现场实验测试时间为1 200 s。现场实验由SCADA测得压力及流量数据如图8所示。

图8 上下游压力和流量变化

模型计算的等效泄漏小孔孔径为12.8 mm，计算时间内累积泄漏量为3.388 m3。泄漏开始后瞬时泄漏速度结果如图9所示。

图9 瞬时泄漏速度计算结果

Fig.9 Result of calculated transient oil spill volume

表3列出部分累积泄漏量变化。现场的实验结果测得累积泄漏量为3.530 m3，而软件测算累积泄

漏量为3.388 m3，相对误差4.02%，对现场实践具有一定的指导意义。

表3 部分累积泄漏量计算结果

4 结论

成品油管道泄漏量测算软件基于成品油管道输送工艺和管道瞬变流动，考虑实际管道运行过程中可能存在的多种边界条件，开发了成品油管道泄漏量测算软件。软件对非稳态泄漏过程进行了数值模拟研究，得出了泄漏点孔径预测的方法和泄漏量估算的方法，并编写了具有良好稳定性和较高准确性的计算程序，最终集成于智能化管线管理系统。软件具有一定的通用性，可以为成品油管道泄漏事故评估提供重要的参考依据。同时可以将每次评估测算结果予以保存，为现场的实践带来一定的指导作用。通过实例验证，证明软件具有一定的准确性及可靠性，能够为管线的安全运行提供强有力的保障。

[1] 刘珂,吴明,邵大伟,等. 埋地天然气管道泄漏数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报,2012,25(6):59-62. Liu Ke, Wu Ming, Shao Dawei, et al. The numerical simulation of natural gas pipeline leakage[J]. Journal of Petrochemical Universities,2012, 25(6):59-62.

[2] 李泽,马贵阳. 埋地输油管道泄漏三维数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报,2015,28(5):85-90. Li Ze, Ma Guiyang. Three dimensional pipeline leakage numerical simulation[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2015, 28(5):85-90.

[3] 余东亮,张来斌,梁伟,等. 长输管道泄漏检测系统设计与开发[J]. 石油化工高等学校学报,2009,22(2):93-96. Yu Dongliang, Zhang Laibin,Liang Wei,et al. The design and development of leak detection system[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2009, 22(2):93-96.

[4] 孙良,王建林.基于泄漏瞬变模型的管道泄漏检测与定位方法[J].应用基础与工程科学学报,2012,20(1):159-168. Sun Liang，Wang Jianlin. Release transient modeling based leak detection and location method for pipelines[J].Journal of Basic Science and Engineering，2012,20(1):159-168.

[5] Ge C, Wang G, Ye H. Analysis of the smallest detectable leakage flow rate of negative pressure wave-based leak detection systems for liquid pipelines[J]. Computers & Chemical Engineering, 2008, 32(8): 1669-1680.

[6] 阳子轩,范世东,江攀,等.负压波衰减系数及普通弯管泄漏检测研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2012,36(5):997-1004. Yang Zixuan，Fan Shidong，Jiang Pan, et al.Research on negative pressure wave attenuation coefficient and bending pipeline leakage detection[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering),2012,36(5):997-1004.

[7] 李俊花.长输液体管道泄漏监测方法研究[D].大连:大连理工大学,2006.

[8] 符泽第.埋地成品油管道小孔泄漏扩散的数值仿真模拟[D].北京:北京交通大学,2014.

[9] 王金香.多孔介质土壤热渗耦合模型及埋管周围土壤温度场数值模拟研究[D].大连:大连理工大学,2006.

[10] 李大全，姚安林．成品油管道泄漏扩散规律分析[J]．油气储运，2006，25(8):18-24. Li Daquan, Yao Anlin.The study on oil-diffusing law of product pipeline leaking[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2006,25(8):18-24.

[11] Xie Q, Tu R, Jiang X, et al. The leakage behavior of supercritical CO2flow in an experimental pipeline system[J]. Applied Energy, 2014, 130(5): 574-580.

[12] 刘振翼,周轶,黄平,等.CO2管线泄漏扩散小尺度实验研究[J].化工学报, 2012,63(5):1651-1659. Liu Zhenyi，Zhou Yi，Huang Ping，et al. Scaled field test for CO2leakage and dispersion from pipelines[J]. CIESC Journal，2012,63(5):1651-1659.

[13] 刘国华,赵立奇.输油管道泄漏损失量的评估方法[J].油气储运,2013,32(6):672-674. Liu Guohua, Zhao Liqi. Assessment of leakage volume in oil pipeline[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2013,32(6):672-674.

[14] 王丽梅.埋地长输管道泄漏事故应急关键技术研究[D].北京:北京工业大学,2012.

[15] Salufu S, Ibukun S. Prediction of rate and volume of oil spill in horizontal and inclined pipelines[C]. Nigeria Annual International Conference and Exhibition.[S.L]:Society of Petroleum Engineers,2013.

[16] Reed M, Emilsen M H, Hetland B, et al. Numerical model for estimation of pipeline oil spill volumes[J]. Environmental Modelling & Software, 2006, 21(2): 178-189.

[17] Mode A W, Amobi J O, Salufu S O. A model for predicting rate and volume of oil spill in horizontal and vertical pipelines[J]. Journal of Environment and Earth Science, 2013, 3(9):12-19.

(编辑 王亚新)

Leakage Volume Calculating Software for Products Pipeline

Wu Mengyu1, Liang Yongtu1， He Guoxi1， Li Yansong1， Xie Cheng2

(1.BeijingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasTransportationTechnology,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249,China; 2SinopecSalesCo.,Ltd.SouthChinaBranch，NanningGuangxi530000,China)

In recent years, a series of pipeline leakage accidents frequently occur due to aging, corrosion and man-made damage. At present, most of related software focuses on the qualitative accidental assessment and localization of the leaking point while the study correlated with practical calculation of leakage volume is rare. An efficient quantitative calculation of the volume of leakage is essential to provide guidance for subsequent accidental management, environmental evaluation and division of the hazardous area. Connected with the alarm system and the online calculation module, a software with the function of online and offline calculation is developed on the basis of transient flow model coupled with hydraulic and thermal factors. A real case study is presented to demonstrate the relative error which is less than 5% and the results prove that it is of practical value and able to offer reference and guidance for engineers.

Products pipeline; Leakage volume; Calculating software

2016-09-10

2016-09-28

国家自然科学基金项目(51474228)； 北京市科学研究与研究生培养共建项目科研项目(ZX20150440);中国石化销售有限公司华南分公司项目(HX20150190)。

吴梦雨(1991-)，男，硕士研究生，从事长输油气管道与油气田集输相关技术研究；E-mail：1538903313@qq.com。

梁永图(1971-)，男，博士，教授，从事长输油气管道与油气田集输相关技术研究；E-mail：liangyt21st@163.com。

1006-396X(2017)02-0071-06

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE863

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.02.013