第四章7节 油气管道仿真软件

RealPipe

仿真软件应用培训22秦沈输气管线工况演示仿真技术介绍软件建模与结果分析RealPipe介绍管道仿真业务背景3管道仿真业务背景

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。仿真的定义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、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。仿真的应用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？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企业节能增效的内生动力4大战略通道9万公里大型管网管道仿真业务需求

“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软件公司软件功能：①适应介质：油、气、水单相、多相流动②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、运行成本分析等计算引擎：已经成熟，并且轻易升级不了管网建模技术：可视化、与CAD、GIS系统接口等软件性能：精度高、稳定性好、计算速度快、通用性强软件产品例如：SPS＋SynerGEE、Energy

solutions、Atmos、Flowmaster80%不足：不能完全满足国内生产需求需求定制困难价格贵、维护成本高管道仿真发展现状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GermanischerLloyd工业服务公司收购)SWS---气体稳态管网设计软件SPS---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的控制，如：进、出站压力控制，流量控制等。StonerWebSimulatorStonerPipelineSimulator

SPS软件功能批次跟踪混油界面跟踪减阻剂(DRA)仿真控制系统仿真热力仿真不满流仿真非牛顿流体仿真瞬态仿真压缩机仿真用户产权跟踪组分跟踪管网存活时间分析清管器跟踪泄漏检测操作员培训通过SPS软件提供的功能模块和软件接口，仿SCADA系统界面，可开发出培训器操作界面，并通过OPC与界面进行数据连接，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。在培训器界面上可提供管道全线的参数显示及控制画面、水力坡降线和趋势图等，以方便对管道运行人员的操作培训。SPS系列软件

Offline（离线模拟）

SPS/Simulator（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

TGNET(TransientGasNetwork)软件美国科学软件公司（SSIScientificSoftwareIntercomp）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TGNET7.2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1.2

求解方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(Galerkin)法或变分法。

1.3初始条件和边界条件1.1数学模型数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，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(Galerkin)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。使用差分方程计算不稳定流动过程时，需要计算初始条件(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主要集中在泄漏检测顺序输送加剂输送仿真培训2.1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：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是建立准确描述混油过程的数学模型，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。仿真培训仿真培训培训系统真实模拟实际管网系统基于精确的水力计算可设置为图形界面活SCADA界面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自主产权－实现数据安全，提升竞争力，培养人才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；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；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。自主开发管道仿真软件必要性1、GASFLOW软件2、GPNS软件3、SimuPipe软件4、RealPipe-Gas软件2010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真软件RealPipe-Gas1.0。1997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EGPNS。2005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SimuPipe。

1995年，西南石油学院王寿喜等基于静态仿真节点压力法、动态仿真特征线法研制了天然气管网静动态仿真软件GASFLOW。

国内发展现状！2015201220102008RealPipe3.0RealPipe5.0RealPipe1.0启动国产化进程中国石油管道仿真技术发展史RealPipe发展历程2626秦沈输气管线工况演示仿真技术介绍软件建模与结果分析RealPipe介绍管道仿真业务背景仿真的分类仿真技术介绍特点流程结构已知计算设备参数

或物料性质等

变量特点特点校核型模拟型设计型流程结构、设

备参数与物料

性质已知优化参数流程结构、设

备参数与工况

条件已知工况分析优化操作优化设计仿真的主要环节仿真技术介绍物性预测系统模型拓扑分析数值求解后处理2929仿真技术介绍系统建模试验关联式（复杂或新设备）实验修正的机理模型（外推）模型依据代数方程组（稳态）偏微分方程组（瞬态）机理模型经验模型分布参数模型（空间分布）集总参数模型（点模型）√√√√30仿真技术介绍模型方程模型方程连续性方程动量守恒分流、汇合串、并联模型连接方程模型控制方程能量守恒方程模型控制方程模型连续方程连续性方程动量方程能量守恒方程串、并联分流、汇合RealPipe的管路流动模型xixi-1xi+1仿真技术介绍气体：BWRS(适用于轻烃混合物，尤其是高硫）仿真技术介绍物性预测混合物性混合物样本温度(℃)压力(kPa)平均绝对偏差密度14--175～237.78101.35～344731.16%焓差23-156.67～366344.73～172365.117kJ/kg熵值72测点-156.67～148101.35～173890.0218kJ/(kg.℃)仿真技术介绍拓扑分析

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。单元流线A1-11B1-1C1-1-1D1-1-1工艺流程图信息流图关联矩阵仿真技术介绍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仿真技术介绍软件建模与结果分析RealPipe介绍管道仿真业务背景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。软件介绍软件组成RealPipe-Gas

天然气管道仿真软件RealPipe-GasOptimizer天然气管道运行优化

软件RealPipe-Product成品油管道仿真软件RealPipe-Crude原油管道仿真软件软件的性能稳定性准确性高效性RealPipe软件性能3939软件功能（天然气）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功能应用RealPipe具备功能设计物理参数和运行参数校核与优化筛选投产投产方案运行工况分析正常工况：启停输、运行机组切换、增输减量输送；分输量调整、最大最小管存确定、调节阀切换、运行方案优化；水合物生成预测；事故工况：泄漏、堵塞、干线截断阀异常关闭、压缩机组失效、

调节阀失效、

ESD触发后响应培训考核调度人员培训、认证考核大部分培训软件功能（天然气）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-大瑶模型九三-中压管网模型软件应用案例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。软件应用案例软件应用案例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、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。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软件应用案例4545软件展示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仿真技术介绍软件建模与结果分析RealPipe介绍管道仿真业务背景4747仿真建模及结果分析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建模流程基础参数管道仿真建模流程4848天然气管道建模实例：建立新的工程点击软件图标选择流体（gas)设置文件名（qs)设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仿真建模及结果分析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仿真建模及结果分析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、表导出仿真建模及结果分析5151启动软件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组分设置包含20个常规气体组分参数，可定制化扩展。5353常用参数设置和进口压力设置匹配5454气体物性预测5555软件常规配置5656画布工具设置5757天然气管道模型元件管路元件：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建立模型—注入注入模型功能：作为来气边界模拟上站管线来气模拟气源气、储气库等模拟吹扫，置换外部来气LNG终端来气5959建立模型—注入注入图标注入元件参数设定6060建立模型—阀门阀门组件分类：截断阀调节阀（压力，流量）单向阀放空阀（设置流通面积、开启压力）6161建立模型—阀门阀门特性：6262建立模型—阀门阀门流通能力计算式：快开阀：线性阀：等比例阀：6363建立模型—阀门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，站内阀门可以设置较小。6464建立模型—阀门站内短管不做模拟，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。阀门模拟的原则：6565建立模型—截断阀截断阀图标截断阀参数设定6666建立模型—调节阀CV值的设定厂家给定，或者通过SCADA界面值反算注：压力单位：KPaG=0.5

流量单位：m3/h

温度单位：K6767建立模型—调节阀流量控制器：K0.1~0.4Ti0.05~2 推荐值K0.2Ti0.1压力控制器：K1~5Ti2~5 推荐值K4Ti4液位控制器：K2~5Ti2~5 推荐值K4Ti4温度控制器：K1~4Ti1~5 推荐值K1Ti5典型的控制器调节参数：调节阀的控制类型流量控制出口压力进口压力6868建立模型—管段管段图标管段参数设定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—分输分输模型功能：模拟站场分输气模拟注入储气库模拟泄漏放气模拟站场或者阀室的放空气7373建立模型—分输分输模型参数设定分输模型图标7474建立模型—其它站场汇管加热炉空冷器离心压缩机流量计7575调试流程仿真模型验证控制脚本验证分布曲线查看趋势曲线查看工况操作7676模型验证查找模型缺陷显示缺陷位置7777脚本验证用户在脚本编辑窗口