第四章7节油气管道仿真软件

1、RealPipe 应用培训应用培训2 2秦沈输气管线工况演示秦沈输气管线工况演示仿真技术介绍仿真技术介绍软件建模与结果分析软件建模与结果分析RealPipe RealPipe 介绍介绍3 仿真：借助于一个系统或过程的性能，对另一个系统或过程的性能做出模仿性的演示。（分物理模拟与数学模拟） 计算机仿真：采用数学模型描述系统模型或某一工艺过程的特征，以计算机编程的方式进行模型求解，根据输入变量与过程特性计算输出变量的数值。5仿真技术应用领域？ 传统的工程技术领域，包括航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制。 现代仿真技术日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，包括交通控制、城市规划、资源利用、

2、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。管网运行管理需要专业的仿真软件辅助！管网运行管理需要专业的仿真软件辅助！为什么要开发管道仿真软件？为什么要开发管道仿真软件？ 管网发展迅速使运行调度难度加大管网发展迅速使运行调度难度加大 传统的计算手段无法满足传统的计算手段无法满足 企业节能增效的内生动力企业节能增效的内生动力4 4大战略通道大战略通道9 9万公里万公里大型管网大型管网 “十二五”期间，天然气业务发展迅猛，成为中国石油新的经济增长点。管道新增里程3.2万公里，总里程达到6.2万公里，年管输调峰能力达到2400亿立方米，同比增长175%。atmos atmos

3、软件公司软件公司n 软件功能：适应介质：油、气、水单相、多相流动软件功能：适应介质：油、气、水单相、多相流动仿真功能：管网瞬态仿真、设备仿真、培训、优化仿真功能：管网瞬态仿真、设备仿真、培训、优化在线仿真，完整性管理、运行成本分析等在线仿真，完整性管理、运行成本分析等n 计算引擎：已经成熟，并且轻易升级不了计算引擎：已经成熟，并且轻易升级不了n 管网建模技术：可视化、与管网建模技术：可视化、与CADCAD、GISGIS系统接口等系统接口等n 软件性能：精度高、稳定性好、计算速度快、通用性强软件性能：精度高、稳定性好、计算速度快、通用性强软件产品例如：软件产品例如：SPSSynerGEE、Ene

4、rgy solutions、Atmos、Flowmaster80%不足：不足： 不能完全满足国内生产需求不能完全满足国内生产需求 需求定制困难需求定制困难 价格贵、维护成本高价格贵、维护成本高SPS软件 美国Stoner公司 开发 被英国Advantica公司收购，2001年 2007年被德国Germanischer Lloyd工业服务公司收购) SWS-气体稳态管网设计软件气体稳态管网设计软件 SPS-长输管道动态工况模拟软件长输管道动态工况模拟软件 SPS既可以对管道系统的水力、热力工况进行仿真，又可以对管道系统的调节过程及结果进行仿真。SPS还设置了理想化的调节器，可以方便的模拟管道系统

5、的控制，如：进、出站压力控制，流量控制等。 Stoner Web SimulatorStoner Web SimulatorStoner Pipeline SimulatorStoner Pipeline Simulator SPS软件 功能批次跟踪批次跟踪混油界面跟踪混油界面跟踪减阻剂减阻剂(DRA)(DRA)仿真仿真控制系统仿真控制系统仿真热力仿真热力仿真不满流仿真不满流仿真非牛顿流体仿真非牛顿流体仿真瞬态仿真瞬态仿真压缩机仿真压缩机仿真用户产权跟踪用户产权跟踪组分跟踪组分跟踪管网存活时间分析管网存活时间分析清管器跟踪清管器跟踪 泄漏检测泄漏检测 操作员培训操作员培训 通过通过SPSSPS

6、软件提供的功能模块和软件提供的功能模块和软件接口，仿软件接口，仿SCADASCADA系统界面，系统界面，可开发出培训器操作界面，并可开发出培训器操作界面，并通过通过OPCOPC与界面进行数据连接，与界面进行数据连接，从而将后台的仿真模型与前台从而将后台的仿真模型与前台的操作界面有机地结合起来。的操作界面有机地结合起来。在培训器界面上可提供管道全在培训器界面上可提供管道全线的参数显示及控制画面、水线的参数显示及控制画面、水力坡降线和趋势图等，以方便力坡降线和趋势图等，以方便对管道运行人员的操作培训。对管道运行人员的操作培训。 SPS系列软件 Offline（离线模拟）（离线模拟） SPS/Sim

7、ulator（SPS/离线仿真器） SPS/Trainer（SPS/仿真培训器） Online（在线模拟） SPS/Statefinder（SPS/在线仿真器） SPS/Leakfinder（SPS/泄漏检测器） SPS/Predictor（SPS/预测分析器）TGNET软件软件 TGNET(Transient Gas Network)软件 美国科学软件公司（SSI Scientific Software Intercomp）推出的天然气集输管网瞬态模拟软件，可以对大型复杂的天然气集输管网进行稳态模拟和瞬态模拟。 该软件是最早从国外引进的输气管道仿真软件。 该软件可用于分析含有球阀、止回阀、调

8、节阀及压缩机等多种元件的管道系统的水力、热力工况。 TGNET软件功能 (1) 对单相流进行稳态模拟和动态模拟诸如节点的压力、流量、温度、管壁粗糙度等参数的模拟，以确定最佳的设计方案、改扩建方案或最有效的操作方式； (2) 对输气管道的正常工况和事故工况进行分析测试和评价输气管道的设计参数或操作参数，最终获得优化的系统性能； (3)管网模拟预测当管网结构发生变化或配产发生变化时，对管线的运行数据进行模拟预测，为生产决策提供有力依据； (4) 为实时模拟软件的组态提供建模数据 SPS与TGNET的异同(1) SPS与TGNET计算的结果比较相近。动态模拟结果几乎无差别，两者均适用于天然均适用于天

9、然气管网的动静态仿真气管网的动静态仿真。(2) 动静态模型的模拟速度有所差别。TGNET的模拟速度明显不如SPS快，特别是动态模拟。(3) 建立模型方式不同。均提供有效性检验。(4) 结果查看方式不同。 (5) 逻辑控制方式不同。TGNET几乎没有逻辑控制，而SPS则提供了非常丰富的逻辑控制。 (6) 实现功能有所不同。最新的TGNET 7.2增加了模拟地下储气库的功能。 SPS能够实现在线仿真功能 TGNET通过有效性检验后，便可进行动静态模拟；SPS通过有效性检验后，需要一个非常重要的INTRAN文件，该文件需要使用者按照SPS自定义的语言进行编程，才能进行模拟计算。TGNET静态模拟过程

10、中不能随时查看结果，SPS在动静态模拟过程中均能查看结果，但在动态时其结果随时间变化快不易查看，需要通过建立INGRAF文件，运行GRAF后，才能查看软件自行生成了OUTGRAF结果文本文档(静态也一样)；TGNET则不需要编写任何程序，可以直接查看结果趋势和表。管道仿真原理关键-数学模型 + 求解方法(仿真发动机) 1.1数学模型数学模型 1.2 求解方法求解方法 数值法包括特征线法、显式差分法、隐式有数值法包括特征线法、显式差分法、隐式有限差分法和迦辽金限差分法和迦辽金(Galerkin)法或变分法。法或变分法。 1.3初始条件和边界条件初始条件和边界条件1.1数学模型数学模型 数学模型数

11、学模型 通过在管道中取一微元段，根据流体力学的运动微分方程和连续性微分通过在管道中取一微元段，根据流体力学的运动微分方程和连续性微分方程，建立起全面、确切地描述管道动态过程的基本方程组方程，建立起全面、确切地描述管道动态过程的基本方程组(对不等温输送管对不等温输送管路需补充描述热力瞬变的能量方程，气体管道需补充气体状态方程路需补充描述热力瞬变的能量方程，气体管道需补充气体状态方程)。其中，。其中，运动方程和连续性方程也合称为水力模型。运动方程和连续性方程也合称为水力模型。 传热和摩擦生热对管道的水力特性也会产生很大作用，这种影响可以反映在能量方程中。一个精确的管道仿真模型经常要用到某种形式的热

12、力模型，如全热力模型、等温模型、连续稳态模型、蛙跳式瞬变热力模型和假稳态热力模型等，应根据实际情况，选择合适的热力模型。 连续稳态模型同是由一系列的边界条件、控制设定点、设备状态及界面位置所组成的，主要用于跟踪或计算管道中油品的运动。1.2 求解方法求解方法 求解方法有解析法、图解法和数值法。数值法包括特征线法、显式差分法、隐式有限差分法和迦辽金数值法包括特征线法、显式差分法、隐式有限差分法和迦辽金(Galerkin)法或变分法法或变分法采用特征线法和显式差分法不需求解庞大的非线性方程组，易于求解，但计算时间相对较长隐式有限差分法需要求解的非线性方程组非常庞大，但它能保证数值的绝对稳定性。利用

13、特殊的有限差分数值计算方法，可以对管道中间各点进行计算。迦辽金法（Galerkin）或变分法既具有解析法的特点，又具有数值解法的特点，与纯数值解法相比，管道单元和时间步长的选取可大可小，且各管道单元的大小可以不一样，这就大大提高了求解的灵活性，其算法也具有较高的时间和空间效率。例如、庆铁输油管道运行的各种工况，是利用了牛顿雷伏生法对那些非线性方程组进行线性化，然后用高斯消元法进行求解。在数值计算中采用了松弛因子和变步长等方法，以保证迭代收敛。1.3初始条件和边界条件初始条件和边界条件瞬变过程发生前的初始时刻，模拟对象所处的状态称为初始条件初始条件。使用差分方程计算不稳定流动过程时，需要计算初始

14、条件(t=0时)的参数，即稳定工况下管内的压头和流量分配，作为瞬变过程计算的初值。通过稳定工况仿真，计算初始条件下管线上各节点压头、流量，以此作为动态仿真的初值。 边界条件边界条件是指模拟对象边界处的流动状态或流动状态参数之间的关系式管道瞬变流动过程的边界条件，就是瞬变流动过程中，边界处压头、流量与时间的变化关系。建立和求解边界条件，就是使用辅助方程描述管道边界处压头、流量随时间变化的某种函数关系，联立求解辅助方程和对应的特征方程的过程。通过求解边界条件，把边界特性传递给模拟的管道内部节点。管道系统中的边界条件有内部边界条件和外部边界条件之分。2. 管道仿真技术发展趋势管道仿真技术发展趋势 主

15、要集中在主要集中在泄漏检测泄漏检测顺序输送顺序输送加剂输送加剂输送仿真培训仿真培训2.1管道泄露检测和分析管道泄露检测和分析 目前管道检漏的方法很多，常用的有两种。 直接检漏法：直接检漏法：直接检测石油产品和气体的泄漏 包括人工分段巡检法、管道分段试压法、检测电缆法、油检测元件法、油溶性压力管法、漏磁法 间接检漏法：间接检漏法：是检测因泄漏造成的流量、压力、声音等物理参数变化，包括质量或流量平衡法、压力分布法、负压力波法、压力点分布法、压力波阵面分布法、放射物检漏法、声学法。2.2顺序输送顺序输送 不同品种的原油：进口油 国产油 各个油田 不同品种的成品油： 汽油 煤油 柴 油 顺序输送产生油

16、品的混合，增加企业的生产成本。 准确分析顺序输送时两种油品的混油浓度分布对顺序输送的管理调度、减少混油损失具有重要意义。 对管道顺序输送的仿真基础基础是建立准确描述混油过程的数学模型，关键关键是解决混油量的计算问题，并实现对混油段的追踪。2.3加剂输送加剂输送加剂输送的模拟加剂输送的模拟在仿真软件中对减阻剂效应的模拟通常是对水力摩阻系数进行修正： f = m * F式中 f减阻后的水力摩阻系数； F减阻前的水力摩阻系数; m减阻系数。影响减阻剂效应的因素，如减阻剂的类型、溶解剂的浓度、温度、管径、粗糙度及季节性等因素，其对减阻剂效应的影响比较复杂。在管道仿真中要全面模拟减阻剂效应，必须结合现场

17、试验数据，拟合减阻剂性能曲线，或修正所采用的模型计算减阻系数。仿真培训仿真培训 仿真培训仿真培训 培训系统真实模拟实际管网系统培训系统真实模拟实际管网系统 基于精确的水力计算基于精确的水力计算 可设置为图形界面活可设置为图形界面活SCADA界面界面 正常操作培训和突发事故应急反应培训正常操作培训和突发事故应急反应培训 定期培训考核操作人员定期培训考核操作人员自主产权实现数据安全，提升竞争力，培养人才自主产权实现数据安全，提升竞争力，培养人才p 国外对管道仿真技术封锁、技术服务不到位，制约国内管道运营企国外对管道仿真技术封锁、技术服务不到位，制约国内管道运营企 业的发展；业的发展；p 国内自主研

18、发，掌握核心技术，可实现持续发展，同时可根据需求国内自主研发，掌握核心技术，可实现持续发展，同时可根据需求 定制功能模块，更好满足国内生产需要；定制功能模块，更好满足国内生产需要；p 有利于为企业培养优秀的仿真技术专家，为国内的管道运营业务提有利于为企业培养优秀的仿真技术专家，为国内的管道运营业务提 供更好的决策支持。供更好的决策支持。1、GASFLOW软件2、GPNS软件3、SimuPipe软件4、RealPipe-Gas软件 20102010年，中国石油管道科技研究中年，中国石油管道科技研究中心自主研发了大型天然气管网仿心自主研发了大型天然气管网仿真软件真软件RealPipe-Gas 1.

19、0RealPipe-Gas 1.0。 19971997年，西南石油学院李长俊等研年，西南石油学院李长俊等研制了气体管道静、动态仿真软件制了气体管道静、动态仿真软件EGPNSEGPNS。20052005年，中国石油大学左丽丽开发年，中国石油大学左丽丽开发了输配气管网运行仿真通用软件了输配气管网运行仿真通用软件SimuPipeSimuPipe。 1995年，西南石油学院王寿喜等基于静年，西南石油学院王寿喜等基于静态仿真节点压力法、动态仿真特征态仿真节点压力法、动态仿真特征线法研制了天然气管网静动态仿真线法研制了天然气管网静动态仿真软件软件GASFLOW。 国内发展现状！国内发展现状！2015201

20、5201220122010201020082008RealPipe 3.0RealPipe 3.0RealPipe 5.0RealPipe 5.0RealPipe 1.0RealPipe 1.0启动国产化进程启动国产化进程中国石油管道仿真技术发展史中国石油管道仿真技术发展史2626秦沈输气管线工况演示秦沈输气管线工况演示软件建模与结果分析软件建模与结果分析RealPipe RealPipe 介绍介绍管道仿真业务背景管道仿真业务背景n 仿真的分类特点流程结构已知计算设备参数 或物料性质等 变量特点特点特点校核型校核型模拟型模拟型设计型设计型流程结构、设 备参数与物料 性质已知优化参数流程结构、设

21、 备参数与工况 条件已知工况分析优化操作优化设计n 仿真的主要环节物性预测系统模型拓扑分析数值求解后处理2929n 系统建模试验关联式（复杂或新设备）试验关联式（复杂或新设备）实验修正的机理模型（外推）实验修正的机理模型（外推）模型依据模型依据代数方程组（稳态）代数方程组（稳态）偏微分方程组（瞬态）偏微分方程组（瞬态）机理模型机理模型经验模型经验模型分布参数模型（分布参数模型（空间分布空间分布）集总参数模型（集总参数模型（点模型点模型）30 模型方程模型方程模型方程连续连续性方程动动量守恒分流、汇汇合串、并联并联模型连连接方程模型控制方程能量守恒方程模型控制方程模型控制方程模型连续方程模型连续

22、方程连续性方程连续性方程动量方程动量方程能量守恒方程能量守恒方程串、并联串、并联分流、汇合分流、汇合 Real Pipe的管路流动模型xixi-1xi+1 342xvtxgiifkpcTvTTvvTTTDD 0txAA v( )02()xtxxipfvvvghv vD25223(1)exp()dcRTTRT气体：气体：BWRS(BWRS(适用于轻烃混合物，尤其是高硫）适用于轻烃混合物，尤其是高硫）n 物性预测混合物性混合物性混合物样本混合物样本温度温度()压力压力(kPa)平均绝对偏差平均绝对偏差密度14-175237.78101.35344731.16%焓差23-156.67366344.7

23、3172365.117kJ/kg熵值72测点-156.67148101.35173890.0218kJ/(kg. )20000034521ACDEdZBbRTRTRTRTRTRT n 拓扑分析 将工艺流程图通过信号流图描述，采用矩阵的形式实现计算机模拟流程结构，为求解模型方程组提供系数矩阵。单元单元流线流线A1-11B1-1C1-1-1D1-1-1工艺流程图信息流图关联矩阵n 后处理 将仿真计算结果以趋势图、沿里程分布图或者使用工艺参数总表的方式进行显示和输出，用于工况分析。参数总表压力-流量分布图3535秦沈输气管线工况演示秦沈输气管线工况演示仿真技术介绍仿真技术介绍软件建模与结果分析软件建

24、模与结果分析管道仿真业务背景管道仿真业务背景36RealPipe 管道仿真软件提供一个图形化的集成环境进行气体或液体单相流动管网的建模，并对模型进行水力、热力瞬态分析。RealPipe-Gas 天然气管道仿真软件RealPipe-Gas Optimizer 天然气管道运行优化 软件RealPipe-Product 成品油管道仿真软件RealPipe-Crude 原油管道仿真软件稳定性稳定性 准确性准确性 高效性高效性 RealPipe软件性能软件性能3939压缩机运行仿真天然气管道设计与校核计算天然气管道投产计算分析管道启停过程分析管道运行稳定性天然气管道系统存活时间天然气管道清管过程仿真主要

25、功能主要功能应用应用RealPipe具备功能具备功能设计设计物理参数和运行参数校核与优化筛选物理参数和运行参数校核与优化筛选投产投产投产方案投产方案运行运行工况分析工况分析正常工况：启停输、运行机组切换、正常工况：启停输、运行机组切换、 增输减量输送；分输量调整、增输减量输送；分输量调整、 最大最小管存确定、最大最小管存确定、 调节阀切换、运行方案优化；调节阀切换、运行方案优化； 水合物生成预测；水合物生成预测；事故工况：泄漏、堵塞、事故工况：泄漏、堵塞、 干线截断阀异常关闭、干线截断阀异常关闭、 压缩机组失效、压缩机组失效、 调节阀失效、调节阀失效、 ESD触发后响应触发后响应培训考核培训考

26、核调度人员培训、认证考核调度人员培训、认证考核大部分大部分培训培训n 设计参数校核 难点：输气管道长度、结构复杂度以及设备多样性使得仿真软件成为管道设计的唯一工具。 解决：受昆仑燃气委托，长沙-大瑶 九三-中压管网长沙长沙- -大瑶模型大瑶模型九三九三- -中压管网模中压管网模型型n 投产过程模拟 投产难点：现场没有手段测量氮气段气头速度、进而控制混气段长度，混气段长度增加可能导致投产失败。 解决：提供给现场合适的注入量和注入压力，保证气头速度5m/s，气头压力0.03表压。n 水合物生成预测 防冰堵难点：需要预测水合物生成区域及生成条件，制定防护措施以及清管方案。 解决：实时计算管道沿线温度

27、、压力、流量分布，结合水合物预测模型，计算出水合物生成高危位置。n 泄漏 泄漏事故应急方案制定难点：不能在实际管道中进行。 解决：通过泄漏模拟，计算存活时间、下游用户分输调整方案和恢复时间，为合理安排维抢修时间提供4545元件库图元库建模区功能区信息显示4646秦沈输气管线工况演示秦沈输气管线工况演示仿真技术介绍仿真技术介绍RealPipe RealPipe 介绍介绍管道仿真业务背景管道仿真业务背景4747运行结果分析系统建模模型验证仿真运行运行控制逻辑设置管道仿真管道仿真建模流程建模流程基础参数n 管道仿真建模流程4848建立新的工程 点击软件图标 选择流体（gas) 设置文件名（qs) 设

28、置保存位置运行环境配置 点击工具-选项 设置历史数据间隔时长 设置显示位数 配置画布颜色4949常用参数配置 物性方程 热、水力模型设定 设置常用参数 组分输入建立仿真模型 系统流程建模 站场子流程建模 系统与站场联接 流程结构参数配置 脚本控制编程5050操作条件设定 设置起始工况 边界条件设置 操作参数输入 计算参数控制工况分析与输出 分布曲线设置 趋势曲线查看 参数表分析 计算图、表导出5151点击桌面软件图标或者开始菜单中点击启动RealPipe软件，出现启动界面随后进入RealPipe软件主界面5252包含20个常规气体组分参数，可定制化扩展。5353和进口压力设置匹配5454555

29、556565757管路元件：站场、管道、阀门（单向阀、截断阀）动力设备：离心压缩机站场元件：注入端、分输端、加热炉、空冷 器、 旋风分离器、除尘器、站内 汇管、流量计、收发球筒、阀门5858作为来气边界模拟上站管线来气作为来气边界模拟上站管线来气模拟气源气、储气库等模拟气源气、储气库等模拟吹扫，置换外部来气模拟吹扫，置换外部来气LNGLNG终端来气终端来气59596060截断阀截断阀调节阀（调节阀（压力，流量）压力，流量）单向阀单向阀放空阀（设置流通面积、开启压力）放空阀（设置流通面积、开启压力）61616262wbVpCQ)(max(t)()(maxQtfrtQS)()()（max5.0tQ

30、tfrtQS)()()(max3tQtfrtQS6363阀门开关曲线及时间设置：阀门开关曲线及时间设置：气体管道：类型根据实际设置，缺少厂家数据气体管道：类型根据实际设置，缺少厂家数据时，通常设置为线性，开关阀时间采用厂家数时，通常设置为线性，开关阀时间采用厂家数据，一般对于干线阀门设置为稍大，站内阀门据，一般对于干线阀门设置为稍大，站内阀门可以设置较小。可以设置较小。6464站内短管不做模拟，所以所有的站内管道压降我们需要站内短管不做模拟，所以所有的站内管道压降我们需要并入到阀门中去模拟，模拟最重要的原则是如果一个管并入到阀门中去模拟，模拟最重要的原则是如果一个管路上有控制阀门，同时还有手动

31、阀门和截止阀，我们需路上有控制阀门，同时还有手动阀门和截止阀，我们需要把主要的阀门压降放到控制阀门上。要把主要的阀门压降放到控制阀门上。阀门模拟的原则：阀门模拟的原则：65656666CVCV值的设定值的设定厂家给定，或者通过厂家给定，或者通过SCADA 界面界面值反算值反算ZGTtfrcvQPPSo22i)(t)(-t)（注：压力单位：KPa G=0.5 流量单位：m3/h 温度单位：K6767 流量控制器：流量控制器：K 0.10.4 Ti 0.052推荐值推荐值K 0.2 Ti 0.1 压力控制器：压力控制器：K 15 Ti 25推荐值推荐值K 4 Ti 4 液位控制器：液位控制器：K 25 Ti 25推荐值推荐值K 4 Ti 4 温度控制器：温度控制器：K 14 Ti 15推荐值推荐值K