输气管道仿真模型校正技术研究进展

刘 丹，樊书哲

（1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中国石油天然气股份有限公司西南管道兰成渝输油分公司，四川 成都 610036）

目前，天然气管道仿真系统已成功应用于各大长输气体管道系统，成为掌握实际管道运行状况的重要手段。输气管道仿真系统方便了企业了解管道系统的状态分布、变化过程，已被广泛用于各管道系统的规划设计、操作控制、调度管理、实时监控和事故处理。但是，输气管道仿真技术在实际应用过程中，仿真计算值均会与实际的管道测量值产生偏差，造成仿真计算不精准。

1 误差来源

1.1 输入参数测量误差

SCADA系统传输数据噪声、实际管道参数（管径、管长、高程）偏差、管道粗糙度和土壤导热系数偏差。

1.2 缓变参数误差

土壤导热系数会随季节发生周期性变化，管道参数和管道粗糙度随服役期加长而发生变化。

1.3 手工输入误差

仿真建模过程中手动输入设计参数、控制参数、设备状态存在偏差。因此，仿真系统在正式运行之前需对仿真模型进行参数校正，减小各类误差对仿真计算的影响。

2 仿真模型校正参数

输气管道瞬态仿真模型主要由质量守恒方程、动量方程、能量方程构成，通过联立状态方程、设定初始条件和边界条件，实现管道水热力参数的求解。气体管道微元段瞬态仿真模型为：

式中，P为压力，Pa；M为质量流量，kg/s；T为气体温度，T；ρ为气体密度，kg/m3；A为管道截面积，m2；x为管道轴向长度，m；z为管道高程，m；f为水力摩阻系数；D为管道内径，m；Z为压缩因子，R为气体常数；a为气体波速，m/s；α为惯性因子。

构成仿真模型的输入参数众多，管道设计参数、模型求解方法、SCADA实时数据、土壤环境条件等输入或传输的不准确，均会对仿真系统最终求解结果产生误差，因此仿真模型校正技术也主要针对构成仿真模型的参数，采用实际压力、温度、流量进行校正，验证、反演准确的输入参数，保证参数输入的有效性。

3 国外校正技术研究现状

2007年，Farzad Abdolahi等[1]研究了影响天然气管道仿真的主要参数，针对伊朗天然气管道，从理论流动模型和数值方法上评估了静态仿真条件下土壤导热率、管壁粗糙度和速度分布校正因子对压力、温度分布的影响程度，结果表明高雷诺数下范宁系数对压力、温度分布的影响较大，导热系数和速度校正因子对压力、温度分布几乎无影响。

2009年，Zdenek Vostry等[2]提出管道环境参数的不确定性对天然气管道仿真影响很大，通过实际案例对比分析了个管道周围环境参数对天然气管道仿真的实际值与仿真值之间误差的影响。结果表明，常规仿真过程中忽略热平衡对天然气管道的静态、动态仿真的影响的做法是不可行的，其导致的压降误差远大于合理设置导热系数的情况；瞬态情况下的环境参数的调整需与实时操作数据进行链接，实现手段难。

2012 年，Garry Hanmer、Edward Jackson[3]重点研究了挪威海底管道粗糙度、热传导系数与测量带来的模型误差之间的关系，结果表明校正管道粗糙度、土壤热导率值可以获得精确的管存量值。同时，Garry Hanmer、Edward Jackson等还提出新型测量误差调整方法——最大似然状态估计，降低了仪表测量误差，从而提高了管存量的计算精度，为管道运营商节省了成本。

2018年，Stanis aw Brz czkowski[4]研究了仿真计算中SCADA数据误差的传播规律，发现实压力数据具有短期影响，质量流量数据具有长期影响，运营商需在误差传播之前修复此类误差，指出处理SCADA传输数据误差的有效途径是离线动态仿真。

4 国内校正技术研究现状

到目前为止，国内现有管道仿真理论和产品中，对管道的运行参数系统研究较多，而对管道设计参数系统变化引起的仿真精度变化考虑的较少[5]，导致国内参数校正技术发展较慢。

2011年，张明光[6]探讨了节点流量和摩阻系数等因素对燃气管道仿真精度的影响，通过对比分析Chung法、Lucas法、剩余黏度法和统一对应态法四种天然气运动黏度计算方法，得出采用统一对应态法计算天然气的运动黏度精度较高；与传统的试算法相比，采用牛顿迭代法计算燃气管道摩阻系数，具有较高的仿真精度。

2015年，赵昆鹏[5]研究了管道设计参数偏差以及管道缓变参数偏差对管道稳态、瞬态以及实时在线仿真精度的影响，并针对不同天然气物性进行了预测优化，分析了16种不同的状态方程和经验方程算法在不同天然气物性条件下的适用性，提出了5种天然气物性校正模型，最后实验验证各天然气物性模型，结果显示管道仿真结果平均相对偏差为1.5%。

5 结语

输气管道仿真模型校正技术能大幅度提高管道仿真模型精度，减小模型参数输入误差对仿真结果的影响，为评估在役管道运行状况提供借鉴。目前国内外仿真模型校正技术已分析了影响输气管道仿真结果准确性主要误差来源，并针对静态仿真条件下形成各类误差源的校正方法，但是对于输气管道而言，由于气体的可压缩性存在，管道系统流动参数随时随刻在变化，真正意义上的稳态数据难以达到，因此建议输气管道模型校正技术应结合实时数据，在动态仿真的基础上进行研究。