基于SPS軟件的原油管道動態仿真應用與探討

趙雨桐

[摘 要] SPS（Stoner Pipeline Simulator）起源于20世紀70年代，最初出自Stoner公司，是一款優秀的水力學動態模擬仿真軟件，已經過了近40年的發展及工程應用，于2007年正式被德國GL公司收購，SPS軟件在管道仿真領域是全球公認的領跑者，在中國乃至全世界范圍內，其瞬態模擬速度及精確度至今難被超越，靈活的二次開發接口及邏輯控制腳本，使其在工程應用中更加得心應手。本文以中國石化某原油管道為例，簡要介紹了利用SPS搭建原油管道仿真系統的過程及應用效果，為原油管道的精細化管理提供了有力支撐。

[關鍵詞] 仿真軟件；動態仿真；原油管道

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 16. 023

[中圖分類號] F272.7；TE832 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）16- 0036- 03

1 引 言

現代長輸管道向著大型化、連續化、管網化及輸送介質多樣化的方向發展，其輸送過程日趨復雜。調度人員在做出控制決策或運行方案時需要考慮的因素很多，如果沒有準確、迅速的水力學核算工具及管道工況分析手段，短時間內做出安全可靠的控制決策或安全經濟的運行方案是十分困難的。

利用SPS軟件搭建管道仿真模型，通過其二次開發接口開發逼真的操作員界面，結合SPS功能強大的邏輯控制腳本，將管道各類控制邏輯融入到仿真模型中（如：PID控制邏輯、高低壓泄壓保護邏輯、各類壓力開關保護邏輯、水擊保護邏輯及各類設備聯動控制邏輯），完全真實再現管道的運行過程及控制過程，為管道水力學核算、調度人員培訓考核，各類運行工況制定及比選，事故工況模擬與演練提供了必要的工具。

2 管道相關基礎資料

某原油管道全長390km，全線采用？準914鋼管，設計壓力8.5MPa，共設5座輸油站場，S1站為首站，有4臺輸油主泵，S2站現階段主要采用越站流程（故將模型簡化），S3站為中間泵站，泵配制與首站相同，S4站同樣采用越站流程（與S2站相同），S5站為末站。管道結構拓撲圖如圖1所示。

建立本仿真模型主要以實驗研究為目的，進行基本的水力、熱力計算，為提高效率，將管道工藝流程進行了簡化，部分備用流程、清管流程等未在模型中予以考慮。若仿真模型包含培訓目的，建議按管道實際情況搭建仿真模型。

3 仿真模型建立

通過SPS軟件所提供的Model Builder模塊進行圖形化建模，鼠標點、選、拖、拽即可完成管道模型建立，如圖2所示，各類設備相應參數通過鼠標雙擊彈出對話框的形式輸入。

在SPS的文件系統中，管道物理模型以擴展名為.inprep的文本形式保存，模型中以虛擬結點（Node）來識別設備與設備之間的連接關系，在熟練掌握inprep文件定義規則的情況下，直接利用管道CAD工藝流程圖及相關資料，手動輸入.inprep文件建模將效率更高。

定義油品物性：在.inprep文件中，通過STATE SCL狀態方式來定義油品物性參數，需要輸入的參數包括密度、黏度、比熱容以及在界面中的顯示顏色等，將黏溫曲線擬合成對數函數并錄入A、B常量。如下表示：

STATE SCL

+ FLUID OIL /*某管道進口原油物性定義

+ DENSITY 0.1 20 859 916 000

+ VISC 7.996 4 0 -0.128 7

+ HCAP 2.4

+ COLOR RED

定義閥門：SPS軟件中閥門大致分為普通截斷閥（Block valve）、止回閥（Check valve）、理想化調節閥（Idealized regulator control valve）、調節閥（Control valve）等幾個主要類型，以下為普通截斷閥定義方式：

B B1 N4 N3 OPEN2 CLSE2 0.0 6 000 1 0

其中：

B 表示定義截斷閥；

B1 閥門名稱；

N4 上游結點名稱；

N3 下游結點名稱；

OPEN2在指定時間內均勻打開閥門，閥門開度與流通率曲線的線性關系；

CLSE2在指定時間內均勻關閉閥門，閥門開度與流通率曲線的線性關系；

0.0閥門關閉狀態下的最小流通能力 m3/h；

6 000 閥門全開狀態下的最大流通能力m3/h；

1 閥門從開全位到全關位的最大行程時間 min；

0 默認狀態下閥門開關狀態（0表示關，1表示開）。

對于通過PID控制的調節閥，SPS可逼真的模擬調節閥PID控制過程，結合管道中調節閥實際所采用的PID控制參數，來設定仿真模型中調節閥的PID參數，從而更加逼真地模擬管道瞬態變化過程。

定義管段：.inprep文件中定義管段，需要輸入管段名稱、上下游結點名稱、管段長度、管徑、壁厚、K值、F值、防腐層、保溫層相關參數以及地溫參數，還包括里程對應海拔曲線以及最大承壓能力。

定義輸油泵：需要輸入泵的額定轉速、額定流量、額定揚程、額定功率、揚程-流量曲線、功率-流量曲線、效率-流量曲線，變頻泵還需輸入不同轉速下的特性曲線。

SPS提供的控制命令及邏輯控制腳本，可完成管道幾乎所有控制邏輯，包括：OPEN命令、CLOSE命令、START命令、STOP命令、SET命令LOAD命令等，邏輯語言包括：IF、WHENEVER、DEF.SEQ、DEFINE等，多達數十種，以下列舉了幾類控制腳本的語法：

泵閥聯動邏輯：當泵P1狀態為STOPPING時，關閥出口閥B3，當泵P1狀態為STARTING時，打開出口閥B3，如下所示：

WHENEVER（P1：ST=STOPPING）

{

CLOSE B3

}

WHENEVER（P1：ST=STARTING）

{

OPEN B3

}

首站甩泵觸發全線ESD邏輯，首站4臺主泵因停電或其他未知原因全部實效，觸發ESD邏輯，1分鐘后關停S3站4臺輸油主泵，2分鐘后關閉末站進站閥，水擊保護邏輯定義方式如下：

DEF. SEQ S1ESD

{

STOP P1

STOP P2

STOP P3

STOP P4

WAIT 1

STOP P4

STOP P5

STOP P6

STOP P6

WAIT 1

CLOSE B23

}

按照上述方式，遵循SPS軟件建模規則，嚴格按照管道實際參數及控制邏輯搭建形成的管道仿真模型不僅是優秀的仿真平臺，同時也是大量管道物理參數的管理和驗證工具。

通過SPS軟件提供的二次開發接口，可利用VB、VC等主流編程語言，按用戶習慣開發操作界面，使用戶界面更加貼近SCADA系統，SPS9.8以上版本，可支持OPC接口協議，目前主流的上位組態軟件，如InTouch、IFix、組態王、WinCC等上位軟件，支持OPC協議都可直接將其操作界面作為仿真模型的人機界面，使操作與實際生產更加貼近。

4 仿真系統應用

仿真模型的精準度是后續一切應用的基礎，如果模型計算結果與實際管道運行參數差距較大，則仿真系統沒有應用價值。

本仿真系統充分收集了某原油管道各類參數，嚴格按照SPS建模要求搭建仿真模型，通過與實際管道運行參數對比，其模擬精度在3%以內，表1～表2為年輸量1 250×104m3/a工況下，管道在某一時刻穩態運行工況與仿真模型計算結果的對比。

經過精度矯正的仿真系統，作為管道生產調度必備的運行分析工具，在以下幾個方面發揮了重要作用：

（1）在日常運行過程中，進行基本的水力熱力核算，幫助調度人員制訂運行方案，并對制訂的運行方案進行驗證；分析管道啟停輸、變工況等操作的合理性，分析管道水擊，制訂更合理的操作方案。

（2）對調度人員進行培訓及考核，完全模擬SCADA系統的操作界面提供了直觀的培訓環境，對于新調度人員對管道水力特征的熟悉及老調度人員操作水平的提高起到了至關重要的作用。

（3）同時通過邏輯控制腳本，設定各類事故工況，如管道泄漏、堵塞、泵機組意外停機、考核調度人員應急處理能力。

主要參考文獻

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