0 引言
随着管道自动化技术的不断发展,SCADA系统已在长输管道上得到广泛运用。这就需要调度员在较短时间内根据及时作出正确的控制决策。若缺少必要的调度员培训和工况分析的仿真工具,要实现管道的安全高效运行是非常困难的。SPS(Stoner Pipeline Simulator)是Stoner博士在1970年创建的一款仿真软件,经过数十年的不断完善,该软件已成为世界公认的用于长距离输油(气)管道全线自动化控制模拟的高精度软件,已在国内多条石油管道中应用。基于该软件开发出的仿真系统能为调度员培训、制定输送计划、工况分析等提供强大的平台,确保管道的安全、平稳和高效运行[1,2,3]。
1 工程概况
中缅原油管道(缅甸段)起自缅甸西海岸的马德岛,途经若开邦、马圭省、曼德勒省、掸邦后,至中国云南省的瑞丽市,缅甸境内线路全长756km,管径Φ813mm,设计压力2.3～14.2MPa。沿线共设置工艺站场5座,其中首站1座、泵站3座、计量站1座;线路截断阀室31座,其中监控阀室8座,单向阀室11座,手动阀室12座。管道沿线山脉海沟河流众多、海拔高、地形起伏大,管道最高点海拔为1475m,最低点海拔为-20m。同时,由于管线途经的大部分地区属缺电地区,工艺站场离心泵采用天然气发动机驱动。因此,不论从其作为我国第四大能源战略通道的地位,还是从其沿线复杂地形和缅甸社会依托来讲,运营管理都面临着较大的压力和难度,也就非常有必要开发出一套适合于中缅原油管道(缅甸段)的仿真系统。
2 仿真系统开发
长输管道仿真系统开发的一般步骤是建立模型、编写SPS程序文件、设计VB控制界面、系统调试和系统参数修正。其中仿真系统参数修正是在管道投产后根据实际运行结果对关键参数进行校核和修正,以使系统精度更高。由于中缅原油管道(缅甸段)目前还未投产,本文不再对该步骤进行阐述。
2.1 建立模型
所谓建立仿真系统的模型即明确关键设备和输油站在仿真系统中的作用,以及系统将要实现的主要功能。同时,开展管道基础性数据的收集与整理,为下一步编写Inprep文件和VB界面的开发做好准备。
(1)输油泵
中缅原油管道(缅甸段)的4座泵站均采用离心泵,马德首站和新康丹泵站各3台泵并联,曼德勒泵站和地泊泵站各2台泵串联。根据工艺要求,仿真系统需设计离心泵的正常启停、异常停泵、泵转速调节和保护性停泵。
(2)工艺阀门
全线的工艺阀门主要包含单向阀、调节阀、泄压阀和截断阀。SPS软件根据各阀门的参数进行瞬态计算,这些参数主要包括Cv值(阀门开度系数)、阀门特性曲线和阀门全行程时间等。其中出站调压阀的动态流量通过以下公式得出:
式中:Q为通过阀门的流量;ρ为流动条件下的密度;ρb为基准条件下的密度;f(ΔP)为与阀门压降相关的修正系数,默认值为1;ΔP为调压阀压降;ρw为水的密度;Cv为调压阀在对应开度下的流量系数。
(3)外输罐
仿真系统根据现场储油罐参数设置12座10万方的油罐,分别对应不同的油品,包括沙特中质原油、沙特轻质原油和科威特原油。同时,油罐罐内油品液位高度随着该储罐原油外输量呈线性动态变化,从而使首站给油泵入口压力变化过程接近实际运行时的状况。
(4)输油站
在长距离输油管道摩阻损失中,站内管线摩阻所占比例较小,因此在本仿真系统开发中不考虑站内管线引起的摩阻损失。[4]模型中各输油站出站压力调节优先采用泵转速调节,当泵转速受限时,通过调节出站调节阀控制出站压力。并且结合现场工艺及泄压阀和安全阀参数,使仿真模拟中各站实现进出站泄压保护。
2.2 编写SPS程序文件
SPS提供了图形(Model Builder)和文本(Inprep)两种方式构建仿真系统,由于中缅原油管道元件和设备较多,因此选择编写Inprep文件的方式。将中缅原油管道(缅甸段)的基础参数,包括油品物性、管道里程高程、阀门参数、泵曲线、壁厚、地温、土壤含水等,以SPS内部编程语言写入INPREP文件,形成管道模型的基本架构。模型的约束条件为马德首站的出站压力、中间站的进出站压力、南坎计量站的进站压力和出站流量。在模型中,原油输送过程中的传热模式采用Transthermal模式,沿程摩阻的计算选用Colebrook公式,液体的状态方程选用微可压缩液体(SCL)状态方程。
在完成Inprcp编程后,为了实现对管道的逻辑控制,需要在INTRAN文件中编写仿真控制程序。中缅原油管道(缅甸段)仿真系统的INTRAIN控制指令包含了实际运行中的各个控制参数,如高低压泄压保护(PROTETION)、设备参数报警(ALARM)、输油泵的连锁启停(PUMP_CTRL)等。从而提高了系统精度,且使系统能完全再现管道的运行过程及控制过程。
2.3 开发VB控制界面
为了使系统接近真实的控制环境,通过SPS二次开发接口(动态模拟数据通过StSpsDrServer在SPS和VB之间交流),实现SPS与VB程序之间的连接[5]。
通过程序代码实现了SPS与VB之间的通信后,根据中缅原油管道(缅甸段)各站工艺流程和SCADA系统控制界面,开发出相似的VB控制界面,操作人员可直接通过前端VB界面向后台的SPS读取动态模拟数据和发出控制指令。交互界面的开发,大大提供了系统使用的方便性,为调度员培训和仿真练习创造了与实际相近的操作环境。
中缅原油管道(缅甸段)仿真系统VB控制界面如图1所示。
3 主要功能
3.1 工况模拟分析
此仿真系统是基于目前中缅原油管道(缅甸段)工程最新数据而开发,能对多种常规操作(启输、停输、增量、减量和切泵)和非常规操作(泄漏、异常停泵和阀门误关断)进行动态模拟,从而预测其在以上各类工况下的实际操作情况,规避工艺操作可能带来的风险,为中缅原油管道(缅甸段)的运行管理提供参考。
经过模拟分析,中缅原油管道(缅甸段)控制中的一个风险点为南塘河大峡谷处,该位置地势较低,停输后静水压力较高。若停输后,1#高点压力达到0.3MPa,南塘河大峡谷处静水压力将达到7.58MPa,其安全余量只有0.42MPa(南塘河大峡谷处管道的MAOP值8.0MPa)。因此,若调度员操作不当将使该位置管道面临较大的风险。为使南塘河大峡谷处管道不超压,可在停输过程中通过上游临近的曼德勒泵站出站调节阀降低出站压力,从而将曼德勒站上下游进行压力隔断,或者停输时使1#高点在一定程度上拉空从而降低1#高点至地泊泵站之间的压力值。
3.2 调度员培训
为使系统能提供逼真的调度员环境,开发人员通过VB程序设计出了正常工况模拟和异常工况模拟。例如,在异常工况模拟中,构建了“随机”功能,如异常停泵的模拟培训中,当培训人员点击VB界面“异常停泵”命令按钮后,后台程序会随机确定发生甩泵时的输量、发生甩泵的泵站、甩泵台数和发生甩泵的时间,然后培训人员需及时判断和处理“突发”的甩泵事故。这种模式,为调度员提供了接近实际的模拟培训环境,能大大提高调度员的水平。
4 结语
①总体而言,中缅原油管道(缅甸段)仿真系统能准确、快速地分析各种工况,而且与SCADA系统界面相似的VB操作界面可以让调度员尽快熟悉管道特性及掌握各种工况的操作。
②目前,此系统已在曼德勒调控中心调度员培训工作中开展使用,也已成为《调度手册》和《应急预案》等文件编写的工具。
摘要：中缅原油管道是我国四大能源战略通道之一,有必要开发出适合该管道的准确快速的仿真系统。本文主要以中缅原油管道(缅甸段)为例,利用SPS开发出了一套适用性强的仿真系统,并详细阐述了整个开发过程。该仿真系统能准确、快速地分析各种工况,友好的操作界面,有助于调度员熟悉管道特性和提高操作水平,确保原油管道运行的安全性、稳定性以及高效性,有效地提高了工作效率。
关键词：仿真,模拟,工况分析,培训,风险
参考文献
[1] Forlenza D G:New Training Tech nology for the Pipeline Industry,Pipeline Industry,1992,(4).
[2] 欧阳忠滨,吴长春,艾慕阳.输油管道仿真技术及其应用[J].油气储运,2004,23(8).
[3] 常大海,王善珂,肖蔚.国外管道仿真技术发展现状[J].油气储运,1997,(10).
[4] 杨筱蘅:输油管道设计与管理[M].中国石油大学出版社(东营),2 006.
[5] 熊辉,李建廷等.秦京输油管道仿真培训系统[J].油气储运,2005,24(8):1-4.