第四章7節(jié) 油氣管道仿真軟件

RealPipe

仿真軟件應用培訓22秦沈輸氣管線工況演示仿真技術介紹軟件建模與結果分析RealPipe介紹管道仿真業(yè)務背景3管道仿真業(yè)務背景

仿真：借助于一個系統(tǒng)或過程的性能，對另一個系統(tǒng)或過程的性能做出模仿性的演示。（分物理模擬與數學模擬）

計算機仿真：采用數學模型描述系統(tǒng)模型或某一工藝過程的特征，以計算機編程的方式進行模型求解，根據輸入變量與過程特性計算輸出變量的數值。仿真的定義5仿真技術應用領域？傳統(tǒng)的工程技術領域，包括航空、航天、電力、化工以及其他工業(yè)過程控制?，F(xiàn)代仿真技術日益廣泛地應用于社會、經濟、生物等領域，包括交通控制、城市規(guī)劃、資源利用、環(huán)境污染防治、生產管理、市場預測、世界經濟的分析和預測、人口控制等。仿真的應用管網運行管理需要專業(yè)的仿真軟件輔助！為什么要開發(fā)管道仿真軟件？管網發(fā)展迅速使運行調度難度加大傳統(tǒng)的計算手段無法滿足企業(yè)節(jié)能增效的內生動力4大戰(zhàn)略通道9萬公里大型管網管道仿真業(yè)務需求

“十二五”期間，天然氣業(yè)務發(fā)展迅猛，成為中國石油新的經濟增長點。管道新增里程3.2萬公里，總里程達到6.2萬公里，年管輸調峰能力達到2400億立方米，同比增長175%。atmos軟件公司軟件功能：①適應介質：油、氣、水單相、多相流動②仿真功能：管網瞬態(tài)仿真、設備仿真、培訓、優(yōu)化在線仿真，完整性管理、運行成本分析等計算引擎：已經成熟，并且輕易升級不了管網建模技術：可視化、與CAD、GIS系統(tǒng)接口等軟件性能：精度高、穩(wěn)定性好、計算速度快、通用性強軟件產品例如：SPS＋SynerGEE、Energy

solutions、Atmos、Flowmaster80%不足：不能完全滿足國內生產需求需求定制困難價格貴、維護成本高管道仿真發(fā)展現(xiàn)狀SPS軟件美國Stoner公司開發(fā)被英國Advantica公司收購，2001年2007年被德國GermanischerLloyd工業(yè)服務公司收購)SWS---氣體穩(wěn)態(tài)管網設計軟件SPS---長輸管道動態(tài)工況模擬軟件SPS既可以對管道系統(tǒng)的水力、熱力工況進行仿真，又可以對管道系統(tǒng)的調節(jié)過程及結果進行仿真。SPS還設置了理想化的調節(jié)器，可以方便的模擬管道系統(tǒng)的控制，如：進、出站壓力控制，流量控制等。StonerWebSimulatorStonerPipelineSimulator

SPS軟件功能批次跟蹤混油界面跟蹤減阻劑(DRA)仿真控制系統(tǒng)仿真熱力仿真不滿流仿真非牛頓流體仿真瞬態(tài)仿真壓縮機仿真用戶產權跟蹤組分跟蹤管網存活時間分析清管器跟蹤泄漏檢測操作員培訓通過SPS軟件提供的功能模塊和軟件接口，仿SCADA系統(tǒng)界面，可開發(fā)出培訓器操作界面，并通過OPC與界面進行數據連接，從而將后臺的仿真模型與前臺的操作界面有機地結合起來。在培訓器界面上可提供管道全線的參數顯示及控制畫面、水力坡降線和趨勢圖等，以方便對管道運行人員的操作培訓。SPS系列軟件

Offline（離線模擬）

SPS/Simulator（SPS/離線仿真器）SPS/Trainer（SPS/仿真培訓器）

Online（在線模擬）

SPS/Statefinder（SPS/在線仿真器）SPS/Leakfinder（SPS/泄漏檢測器）SPS/Predictor（SPS/預測分析器）TGNET軟件

TGNET(TransientGasNetwork)軟件美國科學軟件公司（SSIScientificSoftwareIntercomp）推出的天然氣集輸管網瞬態(tài)模擬軟件，可以對大型復雜的天然氣集輸管網進行穩(wěn)態(tài)模擬和瞬態(tài)模擬。該軟件是最早從國外引進的輸氣管道仿真軟件。該軟件可用于分析含有球閥、止回閥、調節(jié)閥及壓縮機等多種元件的管道系統(tǒng)的水力、熱力工況。TGNET軟件功能(1)對單相流進行穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬諸如節(jié)點的壓力、流量、溫度、管壁粗糙度等參數的模擬，以確定最佳的設計方案、改擴建方案或最有效的操作方式；(2)對輸氣管道的正常工況和事故工況進行分析測試和評價輸氣管道的設計參數或操作參數，最終獲得優(yōu)化的系統(tǒng)性能；(3)管網模擬預測當管網結構發(fā)生變化或配產發(fā)生變化時，對管線的運行數據進行模擬預測，為生產決策提供有力依據；(4)為實時模擬軟件的組態(tài)提供建模數據

SPS與TGNET的異同(1)SPS與TGNET計算的結果比較相近。動態(tài)模擬結果幾乎無差別，兩者均適用于天然氣管網的動靜態(tài)仿真。(2)動靜態(tài)模型的模擬速度有所差別。TGNET的模擬速度明顯不如SPS快，特別是動態(tài)模擬。(3)建立模型方式不同。均提供有效性檢驗。(4)結果查看方式不同。

(5)邏輯控制方式不同。TGNET幾乎沒有邏輯控制，而SPS則提供了非常豐富的邏輯控制。(6)實現(xiàn)功能有所不同。最新的TGNET7.2增加了模擬地下儲氣庫的功能。SPS能夠實現(xiàn)在線仿真功能TGNET通過有效性檢驗后，便可進行動靜態(tài)模擬；SPS通過有效性檢驗后，需要一個非常重要的INTRAN文件，該文件需要使用者按照SPS自定義的語言進行編程，才能進行模擬計算。TGNET靜態(tài)模擬過程中不能隨時查看結果，SPS在動靜態(tài)模擬過程中均能查看結果，但在動態(tài)時其結果隨時間變化快不易查看，需要通過建立INGRAF文件，運行GRAF后，才能查看軟件自行生成了OUTGRAF結果文本文檔(靜態(tài)也一樣)；TGNET則不需要編寫任何程序，可以直接查看結果趨勢和表。管道仿真原理關鍵-----數學模型+求解方法(仿真發(fā)動機)

1.1數學模型1.2

求解方法數值法包括特征線法、顯式差分法、隱式有限差分法和迦遼金(Galerkin)法或變分法。

1.3初始條件和邊界條件1.1數學模型數學模型通過在管道中取一微元段，根據流體力學的運動微分方程和連續(xù)性微分方程，建立起全面、確切地描述管道動態(tài)過程的基本方程組(對不等溫輸送管路需補充描述熱力瞬變的能量方程，氣體管道需補充氣體狀態(tài)方程)。其中，運動方程和連續(xù)性方程也合稱為水力模型。

傳熱和摩擦生熱對管道的水力特性也會產生很大作用，這種影響可以反映在能量方程中。一個精確的管道仿真模型經常要用到某種形式的熱力模型，如全熱力模型、等溫模型、連續(xù)穩(wěn)態(tài)模型、"蛙跳式"瞬變熱力模型和假穩(wěn)態(tài)熱力模型等，應根據實際情況，選擇合適的熱力模型。連續(xù)穩(wěn)態(tài)模型同是由一系列的邊界條件、控制設定點、設備狀態(tài)及界面位置所組成的，主要用于跟蹤或計算管道中油品的運動。1.2

求解方法求解方法有解析法、圖解法和數值法。數值法包括特征線法、顯式差分法、隱式有限差分法和迦遼金(Galerkin)法或變分法采用特征線法和顯式差分法不需求解龐大的非線性方程組，易于求解，但計算時間相對較長隱式有限差分法需要求解的非線性方程組非常龐大，但它能保證數值的絕對穩(wěn)定性。利用特殊的有限差分數值計算方法，可以對管道中間各點進行計算。迦遼金法（Galerkin）或變分法既具有解析法的特點，又具有數值解法的特點，與純數值解法相比，管道單元和時間步長的選取可大可小，且各管道單元的大小可以不一樣，這就大大提高了求解的靈活性，其算法也具有較高的時間和空間效率。例如、慶鐵輸油管道運行的各種工況，是利用了牛頓—雷伏生法對那些非線性方程組進行線性化，然后用高斯消元法進行求解。在數值計算中采用了松弛因子和變步長等方法，以保證迭代收斂。1.3初始條件和邊界條件瞬變過程發(fā)生前的初始時刻，模擬對象所處的狀態(tài)稱為初始條件。使用差分方程計算不穩(wěn)定流動過程時，需要計算初始條件(t=0時)的參數，即穩(wěn)定工況下管內的壓頭和流量分配，作為瞬變過程計算的初值。通過穩(wěn)定工況仿真，計算初始條件下管線上各節(jié)點壓頭、流量，以此作為動態(tài)仿真的初值。邊界條件是指模擬對象邊界處的流動狀態(tài)或流動狀態(tài)參數之間的關系式管道瞬變流動過程的邊界條件，就是瞬變流動過程中，邊界處壓頭、流量與時間的變化關系。建立和求解邊界條件，就是使用輔助方程描述管道邊界處壓頭、流量隨時間變化的某種函數關系，聯(lián)立求解輔助方程和對應的特征方程的過程。通過求解邊界條件，把邊界特性傳遞給模擬的管道內部節(jié)點。管道系統(tǒng)中的邊界條件有內部邊界條件和外部邊界條件之分。2.管道仿真技術發(fā)展趨勢主要集中在泄漏檢測順序輸送加劑輸送仿真培訓2.1管道泄露檢測和分析

目前管道檢漏的方法很多，常用的有兩種。直接檢漏法：直接檢測石油產品和氣體的泄漏包括人工分段巡檢法、管道分段試壓法、檢測電纜法、油檢測元件法、油溶性壓力管法、漏磁法間接檢漏法：是檢測因泄漏造成的流量、壓力、聲音等物理參數變化，包括質量或流量平衡法、壓力分布法、負壓力波法、壓力點分布法、壓力波陣面分布法、放射物檢漏法、聲學法。2.2順序輸送不同品種的原油：進口油國產油各個油田不同品種的成品油：汽油煤油柴油順序輸送產生油品的混合，增加企業(yè)的生產成本。準確分析順序輸送時兩種油品的混油濃度分布對順序輸送的管理調度、減少混油損失具有重要意義。對管道順序輸送的仿真基礎是建立準確描述混油過程的數學模型，關鍵是解決混油量的計算問題，并實現(xiàn)對混油段的追蹤。2.3加劑輸送加劑輸送的模擬在仿真軟件中對減阻劑效應的模擬通常是對水力摩阻系數進行修正：f=m*F式中f—減阻后的水力摩阻系數；F—減阻前的水力摩阻系數;m—減阻系數。影響減阻劑效應的因素，如減阻劑的類型、溶解劑的濃度、溫度、管徑、粗糙度及季節(jié)性等因素，其對減阻劑效應的影響比較復雜。在管道仿真中要全面模擬減阻劑效應，必須結合現(xiàn)場試驗數據，擬合減阻劑性能曲線，或修正所采用的模型計算減阻系數。仿真培訓仿真培訓培訓系統(tǒng)真實模擬實際管網系統(tǒng)基于精確的水力計算可設置為圖形界面活SCADA界面正常操作培訓和突發(fā)事故應急反應培訓定期培訓考核操作人員自主產權－實現(xiàn)數據安全，提升競爭力，培養(yǎng)人才國外對管道仿真技術封鎖、技術服務不到位，制約國內管道運營企業(yè)的發(fā)展；國內自主研發(fā)，掌握核心技術，可實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展，同時可根據需求定制功能模塊，更好滿足國內生產需要；有利于為企業(yè)培養(yǎng)優(yōu)秀的仿真技術專家，為國內的管道運營業(yè)務提供更好的決策支持。自主開發(fā)管道仿真軟件必要性1、GASFLOW軟件2、GPNS軟件3、SimuPipe軟件4、RealPipe-Gas軟件2010年，中國石油管道科技研究中心自主研發(fā)了大型天然氣管網仿真軟件RealPipe-Gas1.0。1997年，西南石油學院李長俊等研制了氣體管道靜、動態(tài)仿真軟件EGPNS。2005年，中國石油大學左麗麗開發(fā)了輸配氣管網運行仿真通用軟件SimuPipe。

1995年，西南石油學院王壽喜等基于靜態(tài)仿真節(jié)點壓力法、動態(tài)仿真特征線法研制了天然氣管網靜動態(tài)仿真軟件GASFLOW。

國內發(fā)展現(xiàn)狀！2015201220102008RealPipe3.0RealPipe5.0RealPipe1.0啟動國產化進程中國石油管道仿真技術發(fā)展史RealPipe發(fā)展歷程2626秦沈輸氣管線工況演示仿真技術介紹軟件建模與結果分析RealPipe介紹管道仿真業(yè)務背景仿真的分類仿真技術介紹特點流程結構已知計算設備參數

或物料性質等

變量特點特點校核型模擬型設計型流程結構、設

備參數與物料

性質已知優(yōu)化參數流程結構、設

備參數與工況

條件已知工況分析優(yōu)化操作優(yōu)化設計仿真的主要環(huán)節(jié)仿真技術介紹物性預測系統(tǒng)模型拓撲分析數值求解后處理2929仿真技術介紹系統(tǒng)建模試驗關聯(lián)式（復雜或新設備）實驗修正的機理模型（外推）模型依據代數方程組（穩(wěn)態(tài)）偏微分方程組（瞬態(tài)）機理模型經驗模型分布參數模型（空間分布）集總參數模型（點模型）√√√√30仿真技術介紹模型方程模型方程連續(xù)性方程動量守恒分流、匯合串、并聯(lián)模型連接方程模型控制方程能量守恒方程模型控制方程模型連續(xù)方程連續(xù)性方程動量方程能量守恒方程串、并聯(lián)分流、匯合RealPipe的管路流動模型xixi-1xi+1仿真技術介紹氣體：BWRS(適用于輕烴混合物，尤其是高硫）仿真技術介紹物性預測混合物性混合物樣本溫度(℃)壓力(kPa)平均絕對偏差密度14--175～237.78101.35～344731.16%焓差23-156.67～366344.73～172365.117kJ/kg熵值72測點-156.67～148101.35～173890.0218kJ/(kg.℃)仿真技術介紹拓撲分析

將工藝流程圖通過信號流圖描述，采用矩陣的形式實現(xiàn)計算機模擬流程結構，為求解模型方程組提供系數矩陣。單元流線A1-11B1-1C1-1-1D1-1-1工藝流程圖信息流圖關聯(lián)矩陣仿真技術介紹后處理將仿真計算結果以趨勢圖、沿里程分布圖或者使用工藝參數總表的方式進行顯示和輸出，用于工況分析。參數總表壓力-流量分布圖3535秦沈輸氣管線工況演示仿真技術介紹軟件建模與結果分析RealPipe介紹管道仿真業(yè)務背景36RealPipe管道仿真軟件提供一個圖形化的集成環(huán)境進行氣體或液體單相流動管網的建模，并對模型進行水力、熱力瞬態(tài)分析。軟件介紹軟件組成RealPipe-Gas

天然氣管道仿真軟件RealPipe-GasOptimizer天然氣管道運行優(yōu)化

軟件RealPipe-Product成品油管道仿真軟件RealPipe-Crude原油管道仿真軟件軟件的性能穩(wěn)定性準確性高效性RealPipe軟件性能3939軟件功能（天然氣）壓縮機運行仿真天然氣管道設計與校核計算天然氣管道投產計算分析管道啟停過程分析管道運行穩(wěn)定性天然氣管道系統(tǒng)存活時間天然氣管道清管過程仿真主要功能應用RealPipe具備功能設計物理參數和運行參數校核與優(yōu)化篩選投產投產方案運行工況分析正常工況：啟停輸、運行機組切換、增輸減量輸送；分輸量調整、最大最小管存確定、調節(jié)閥切換、運行方案優(yōu)化；水合物生成預測；事故工況：泄漏、堵塞、干線截斷閥異常關閉、壓縮機組失效、

調節(jié)閥失效、

ESD觸發(fā)后響應培訓考核調度人員培訓、認證考核大部分培訓軟件功能（天然氣）設計參數校核難點：輸氣管道長度、結構復雜度以及設備多樣性使得仿真軟件成為管道設計的唯一工具。解決：受昆侖燃氣委托，長沙-大瑤九三-中壓管網長沙-大瑤模型九三-中壓管網模型軟件應用案例投產過程模擬投產難點：現(xiàn)場沒有手段測量氮氣段氣頭速度、進而控制混氣段長度，混氣段長度增加可能導致投產失敗。

解決：提供給現(xiàn)場合適的注入量和注入壓力，保證氣頭速度5m/s，氣頭壓力0.03表壓。軟件應用案例軟件應用案例水合物生成預測防冰堵難點：需要預測水合物生成區(qū)域及生成條件，制定防護措施以及清管方案。解決：實時計算管道沿線溫度、壓力、流量分布，結合水合物預測模型，計算出水合物生成高危位置。泄漏

泄漏事故應急方案制定難點：不能在實際管道中進行。解決：通過泄漏模擬，計算存活時間、下游用戶分輸調整方案和恢復時間，為合理安排維搶修時間提供軟件應用案例4545軟件展示元件庫圖元庫建模區(qū)功能區(qū)信息顯示4646秦沈輸氣管線工況演示仿真技術介紹軟件建模與結果分析RealPipe介紹管道仿真業(yè)務背景4747仿真建模及結果分析運行結果分析系統(tǒng)建模模型驗證仿真運行運行控制邏輯設置管道仿真建模流程基礎參數管道仿真建模流程4848天然氣管道建模實例：建立新的工程點擊軟件圖標選擇流體（gas)設置文件名（qs)設置保存位置運行環(huán)境配置點擊工具-選項設置歷史數據間隔時長設置顯示位數配置畫布顏色仿真建模及結果分析4949常用參數配置物性方程熱、水力模型設定設置常用參數組分輸入建立仿真模型系統(tǒng)流程建模站場子流程建模系統(tǒng)與站場聯(lián)接流程結構參數配置腳本控制編程仿真建模及結果分析5050操作條件設定設置起始工況邊界條件設置操作參數輸入計算參數控制工況分析與輸出分布曲線設置趨勢曲線查看參數表分析計算圖、表導出仿真建模及結果分析5151啟動軟件點擊桌面軟件圖標或者開始菜單中點擊啟動RealPipe軟件，出現(xiàn)啟動界面隨后進入RealPipe軟件主界面5252組分設置包含20個常規(guī)氣體組分參數，可定制化擴展。5353常用參數設置和進口壓力設置匹配5454氣體物性預測5555軟件常規(guī)配置5656畫布工具設置5757天然氣管道模型元件管路元件：站場、管道、閥門（單向閥、截斷閥）動力設備：離心壓縮機站場元件：注入端、分輸端、加熱爐、空冷

器、

旋風分離器、除塵器、站內

匯管、流量計、收發(fā)球筒、閥門5858建立模型—注入注入模型功能：作為來氣邊界模擬上站管線來氣模擬氣源氣、儲氣庫等模擬吹掃，置換外部來氣LNG終端來氣5959建立模型—注入注入圖標注入元件參數設定6060建立模型—閥門閥門組件分類：截斷閥調節(jié)閥（壓力，流量）單向閥放空閥（設置流通面積、開啟壓力）6161建立模型—閥門閥門特性：6262建立模型—閥門閥門流通能力計算式：快開閥：線性閥：等比例閥：6363建立模型—閥門閥門開關曲線及時間設置：氣體管道：類型根據實際設置，缺少廠家數據時，通常設置為線性，開關閥時間采用廠家數據，一般對于干線閥門設置為稍大，站內閥門可以設置較小。6464建立模型—閥門站內短管不做模擬，所以所有的站內管道壓降我們需要并入到閥門中去模擬，模擬最重要的原則是如果一個管路上有控制閥門，同時還有手動閥門和截止閥，我們需要把主要的閥門壓降放到控制閥門上。閥門模擬的原則：6565建立模型—截斷閥截斷閥圖標截斷閥參數設定6666建立模型—調節(jié)閥CV值的設定廠家給定，或者通過SCADA界面值反算注：壓力單位：KPaG=0.5

流量單位：m3/h

溫度單位：K6767建立模型—調節(jié)閥流量控制器：K0.1~0.4Ti0.05~2 推薦值K0.2Ti0.1壓力控制器：K1~5Ti2~5 推薦值K4Ti4液位控制器：K2~5Ti2~5 推薦值K4Ti4溫度控制器：K1~4Ti1~5 推薦值K1Ti5典型的控制器調節(jié)參數：調節(jié)閥的控制類型流量控制出口壓力進口壓力6868建立模型—管段管段圖標管段參數設定6969建立模型—管段7070建立模型—管段7171建立模型—管段7272建立模型—分輸分輸模型功能：模擬站場分輸氣模擬注入儲氣庫模擬泄漏放氣模擬站場或者閥室的放空氣7373建立模型—分輸分輸模型參數設定分輸模型圖標7474建立模型—其它站場匯管加熱爐空冷器離心壓縮機流量計7575調試流程仿真模型驗證控制腳本驗證分布曲線查看趨勢曲線查看工況操作7676模型驗證查找模型缺陷顯示缺陷位置7777腳本驗證用戶在腳本編輯窗口