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输油管道在线仿真系统设计

文档作者：莫巨华杨笑波程爽刘庆宏马永祥文档来源： 1．中国石油天然气管道工程有限公司 2．中油管道防腐工程有限责任公司		点击数：	更新时间： 2021年09月27日
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12 石油It {jc建设
输油管道在线仿真系统设计
莫巨华 ，杨笑波2，程 爽 ，刘庆宏 ，马永祥
(1．中国石油天然气管道工程有限公司，河北J丽坊065000；2．中油管道防腐工程有限责任公司，河北廊坊065000)
摘 要：管道仿真系统为管道运行提供决策依据和手段，对管道安全运行具有重要意义。文章在简
要介绍国外产品和国内研发进展及工程应用的基础上．总结了在线仿真系统的优势．对输油管道在
线仿真系统的架构、硬件配置进行了设计．并且详细叙述了在线仿真系统各个软件模块的功能及选
择这些模块时应重点关注的问题．最后总结了项目实施过程中应注意的问题
关键词：输油管道；仿真系统；在线系统；设计
doi：10．3969／j．issn。1001-2206．2013．01．004
0 弓I言
管道仿真系统可以模拟管道流体水力、热力的
瞬变过程．可以为管道设计提供水力学分析．为管
道运行方案的可行性验证和制订提供依据． 自20
世纪80年代管道仿真系统逐步商业化以来．其功
能不断发展．逐渐成为管道设计和运行必不可少的
工具。
管道仿真系统可分为离线系统和在线系统 在
线系统通过访问SCADA fSupervisory Control And
Data Acquisition)系统自动获取系统模型所需的各
种参数．作为仿真计算的初始条件．离线系统只能
通过手动方式输入这些参数 国外管道仿真系统的
发展[ 1从离线系统开始，离线系统有：美国SSI公
司的TGNET、TLNET 和INTERACT II， 美国
Stoner公司的SPS． 加拿大Novacorp公司的
PCASIM[2]．主要用于培训的由美国Williams管道公
司委托Eduneering公司开发的Computer—Based
Training(CBT1 System和AU American管道公司委
托RTS公司开发的LIQNET 随着计算机和管道
SCADA系统技术的不断发展．管道在线仿真系统
得以实现，如：SSI公司的On—Line System、Stoner
公司的On—Line Modeling System、美国Modisette
Associates公司的PLDS、意大利Snamprogetti公司
的Dispatching Tutorial System， 近年来又出现了
ATMOS和SSL等著名供应商和大量的实例应用
此外．还有管道公司自主研发的系统．如韩国天然
气公司的GNAP、澳大利亚的SIROGAS系统3_
国内管道仿真系统的研究和开发起步较晚．成
果较少 中国石油大学(北京)于2005年底完成
了“输油(气)管道仿真系统开发与应用研究”项
目．实现离线系统计算值与实测值偏差在5．5％ 以
内，在线系统偏差在10％ 以内 。国内的管道设
计、运行单位是管道仿真系统应用的主力军 2005
年中石油实现了兰成渝成品油管道离线仿真系统的
现场应用，2009年北京调控中心应用了天然气管
道在线仿真系统， 目前该中心正在以西部原油成品
油管道为对象．实施输油管道在线仿真系统 此
外，中石油西部管道公司乌鲁木齐调控中心的在线
仿真系统也正处于设计阶段 2008年中石化仪征
至长岭原油管道在线仿真系统通过现场验收．并得
到了业主单位的好评
1 在线系统的优势
如前所述．在线仿真系统与离线仿真系统的根
本区别在于：在线系统能够实时(在一定时间间隔
内)导人SCADA系统的实时采集数据．而离线系
统不具备此功能。此区别突显了在线系统的极大优
势，主要体现在：
(1)实时导入管道状态实测数据，经仿真计
算．在线系统可实时估计管道任意点位的状态．可
在一定程度上弥补SCADA系统缺省值
(2)在线系统在实时仿真计算过程中．不断修
正管道模型参数．使仿真数学模型更加符合管道实
第39卷第1期 莫巨华等：输油管道在线仿真系统设计 13
际．从而提高仿真准确性
(3)状态数据实时导入使趋势预测功能更加及
时、方便及贴近实际，为快速决策提供了技术保
障。
(4)基于实时模型．可实现对管道泄漏的检测
与定位。
(5)在对批次、清管器、减阻剂或降凝剂跟踪
过程中．用管道中间站场的检测仪表数据自动修正
跟踪误差，使跟踪工作更精确、轻松。
(6)状态数据实时导入使培训功能更加逼真．
效果更好
由此可见．在线仿真系统比离线仿真系统更能
保证管道的安全、高效运行，对运行单位而言，更
具实用价值
2 架构与硬件
整套在线仿真系统的硬件包括一台仿真服务
器和若干台工作站．可以直接挂在SCADA系统局
域网上．但考虑到SCADA系统肩负着对管道的控
制任务．尤其像中石油北京调控中心．肩负着对
全国主要管道的控制任务．安全要求等级极高．
有必要将SCADA系统与其他应用系统进行有效隔
离 因此将仿真系统挂在中间服务器所在局域网
上．如图1所示． 中间服务器为仿真系统提供
SCADA数据 为实现与管道SCADA系统的安全
隔离与数据交换． 中间服务器所在局域网与
SCADA系统局域网通过带有防火墙模块的核心层
交换机连接 中间服务器访问SCADA系统的实时
数据服务器。并存储SCADA实时数据。其他所有
应用系统若要使用SCADA数据．均与仿真系统一
样． 直接访问中间服务器即可． 从而避免对
SCADA系统的直接访问。
工作站 工作站 工作站 工作站
图1 在线仿真系统架构
工作站的数量可以根据需要配置．其提供仿真
系统的人机交互界面．通过人机界面可以完成系统
的各种操作，使系统的各种功能得以实现 仿真服
务器是承担仿真计算的主体．仿真计算是仿真系统
各种功能的基础．各种功能模块通过调用仿真计算
模块来实现其自身的功能 工作站的配置要求不
高．普通的主流微机即可
就实时仿真计算而言．对服务器的要求并不算
高．但若系统配置“运行方案优化”功能．则需要
连续调用仿真计算模块(为了验证方案的可行性)
多次．且调用的次数随系统的复杂程度呈指数增
长，在这种情况下仿真服务器的配置要求较高。中
石油北京调控中心输油管道在线仿真系统项目选择
了中端企业级服务器中的高级配置
据了解． 目前主要仿真系统供应商均有适用于
微软Windows操作系统的产品． 因此服务器和工
作站的操作系统可选择界面友好的微软Windows
系统。
3 软件功能模块
在线仿真系统开发商提供多种功能模块．系统
购买方(业主)根据实际需要选购这些功能模块。
主要模块有：实时模拟；趋势预测：批次计划；运
行方案优化；跟踪：泄漏检测与定位：模拟培训。
各模块的主要功能及性能如下：
3．1 实时模拟模块
系统每个采集周期(目前一般是5 s)访问中间
服务器一次．获取SCADA实时数据作为计算的初始
条件．随即对系统模型进行求解．最终实现管道状态
估计 仿真计算时间小于数据采集周期．随着时间推
移．不断刷新人机界面数据．使系统具有实时性。
实时模拟模块是整个系统的基础与核心．其精
度影响到系统其他所有模块的应用效果．因此．应
重点关注供货方在提高仿真精度方面的努力．主要
措施有：现场数据过滤及转换、模型参数(管内壁
粗糙度、导热系数等)修正、模型求解方法的研究
等 此外．应注意数据时间标签问题．理想的做法
是：在管道各站场完成时间标签，而不是在调控中
心完成．这样可以降低通信延迟造成的数据失真
3．2 趋势预测模块
趋势预测模块提供运行方案和操作策略可行
性的验证手段．能够直观显示运行方案和操作策
略对管道安全产生的影响．调度人员通过不断验
证和修正的过程．制订出安全可行的运行方案和
操作策略
14 石油工 程建设 2013年2月
趋势预测模块应重点关注预测的精度和操作的
便利性 预测精度随预测周期的加大而有所降低，
可对不同预测周期的精度分别做出具体要求
3．3 批次计划模块
批次计划模块以管道和库区罐容实时数据为基
础，结合生产计划数据，快速、合理编制出管道或
管网的批次计划 该模块具有交互性．通过实时监
测计划执行情况及时自动修正批次计划
批次计划模块应重点关注批次计划的可行性和
最优性 部分供应商已开发出具有优化功能的批次
计划模块．该模块以输送时间最短为目标．对批次
计划进行优化以提高管道的输送效率
3．4 运行方案优化模块
运行方案优化模块对管道泵、调节阀或压缩机
的运行状态进行配置．以能耗最小为目标．以管道
各种边界条件(如最大允许操作压力等)为约束进
行优化计算．计算结果得出能耗最小的一个或-~ft
可供选择的可行方案 采用的最优化方法与计算结
果的最优性是衡量该模块性能的关键因素
3．5 跟踪模块
跟踪模块提供对批次、清管器减阻剂或降凝
剂的跟踪功能．在跟踪计算的过程中．系统自动
利用相关站场仪表的检测数据不断修正跟踪精度
跟踪精度是该模块应重点关注的问题．关注跟踪
模块的精度时应考虑管道段长度的影响
3．6 泄漏检测与定位模块
基于数学模型．系统在实时仿真计算的同时．
不断将各种参数的计算值与实测值进行比对．若偏
差大于某个阈值．则发出泄漏报警：根据压力梯度
的变化．系统可以实现对泄漏的定位
泄漏报警的准确度和灵敏度及定位的精度是泄
漏检测和定位模块应重点关注的问题 为提高系统
性能．部分系统开发商在仿真系统中集成了某些特
定方法．如ATMOS系统集成了数理统计法、SSL
系统集成了神经元网络法
3．7 模拟培训模块
基于实时模拟和趋势预测模块．在线仿真系
统可建立与真实SCADA系统十分相似的虚拟操作
环境．使培训操作更加贴近管道实际．培训工作
取得更好效果 模拟培训模块应重点关注模拟培
训环境的逼真性．部分开发商将管道系统的控制
逻辑写入培训模块．从而大幅提升培训环境的逼
真程度
4 项目的实施
项目实施过程包括：系统建模：数据对点调
试：功能模块开发；人员培训；工厂验收测试：现
场验收测试；项目收尾及移交。项目实施过程中应
注意的事项有：
(1)建模时应充分考虑管道沿线各种参数的不
确定性．如不同地点的不同地温及地温随季节的变
化、管道内壁随输送时间的变化等。
(2)对于设有优化功能的模块．如批次计划模
块和运行方案优化模块．不同管道其算法参数应存
在差异性，同时应关注算法的收敛性与最优性
(3)业主单位应明确系统需求，包括功能、方
法及性能等
(4)业主单位应积极配合供应商的编程组态和
调试工作，尽量满足供应商对数据、资料等信息的
需求。
(5)应制订完善的培训计划，包括理论培训和
实际操作培训、定期培训和非定期的紧急咨询等
(6)应制订完善的售后服务机制．如维护维
修、升级更新、回访等
5 结束语
管道仿真系统为管道运行提供决策依据和手
段．在国外已广泛使用多年．在国内的使用一直不
尽如人意，原因有多方面，如：系统本身尚存在无
法克服的偏差问题．系统供应商实施与培训不力．
系统使用人员素质不匹配等 仿真系统对管道安全
运行意义非凡．有关各方应共同努力．把问题解决
好．促进管道仿真系统在国内的应用
参考文献：
[1]常大海，王善珂，肖尉．国外管道仿真技术发展状况fJ]．油气储运，
1997，16(10)：9-13．
[21李长俊，汪玉春，王元春．输气管道系统仿真技术发展状况【J]．管
道技术与设备，1999，(5)：32—35．
【3】王永红，李晓平，宫敬．长输管道在线仿真系统的应用与展望lJ1．
油气储运，2011，30(2)：90—93．
[4】中国石油天然气股份有限公司天然气与管道分公司．“输油(气)
管道仿真系统开发与应用研究”验收评审意见[EB／OL]．http：／／
kysbc．cup．edu．cn／1一guidang—tijiao．asp?id=2437．2006—05—2O．
作者简介：莫巨华(1978一)， 男，广西贵港人， 工程师，
2009年毕业于东北大学系统工程专业．博士．现从事管道
仪表自动化设计工作。
收稿日期：2012—02一l1

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