油氣管道綜合模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)與實(shí)踐

＊蔡亮學(xué) 徐廣麗 何方舟 廖柯熹

（1.石油與天然氣工程學(xué)院西南石油大學(xué) 四川 610500 2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 610500）

引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是高水平大學(xué)建設(shè)的重要載體[1]，可培養(yǎng)學(xué)生的工程操作實(shí)踐能力。管輸技術(shù)是油氣儲(chǔ)運(yùn)工程的核心領(lǐng)域，故大型環(huán)道模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)的必備綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[2]，為《油氣管道輸送》《油氣礦場(chǎng)集輸》等專業(yè)核心課程開(kāi)設(shè)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括多泵站密閉輸送實(shí)驗(yàn)[3]、成品油順序輸送實(shí)驗(yàn)[4]、氣液兩相流實(shí)驗(yàn)、清管實(shí)驗(yàn)、事故工況模擬實(shí)驗(yàn)等，還可在多相流理論、油氣管道工程技術(shù)、安全與完整性管理技術(shù)方面開(kāi)展基礎(chǔ)、研究性實(shí)驗(yàn)，是支撐本科教學(xué)、研究生開(kāi)展管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)條件。西南石油大學(xué)在原有管流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域的新技術(shù)與新發(fā)展，規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造了一套大型環(huán)道模擬實(shí)驗(yàn)裝置[5]，全面提升油氣儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)科的教學(xué)、科研水平。圍繞該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、建設(shè)、應(yīng)用三個(gè)階段中的技術(shù)問(wèn)題，梳理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)措施，為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)改造提供參考。

1.油氣管道輸送工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

西南石油大學(xué)自2001年在成都市建設(shè)新校區(qū)，而在南充校區(qū)原有的油氣管道輸送工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并未同步搬遷至成都校區(qū)投入使用，按照規(guī)劃重新設(shè)計(jì)建造一套同類實(shí)驗(yàn)裝置。在第一版設(shè)計(jì)方案中，實(shí)驗(yàn)環(huán)道采用φ48mm×3.5mm、總長(zhǎng)230m的雙面鍍鋅鐵管，工作壓力1.6MPa，經(jīng)商討調(diào)整為總長(zhǎng)1000m的不銹鋼管，并增加180m的可視化管段，此版設(shè)計(jì)方案包含三泵站密閉輸送流程、清管流程和輸氣流程。工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲批后，結(jié)合管輸領(lǐng)域的新技術(shù)與新發(fā)展，新增了成品油順序輸送流程、氣液兩相流輸送流程、低溫氣液固多相輸送流程，強(qiáng)化對(duì)長(zhǎng)輸管道各類工況的模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?jí)了自動(dòng)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提升對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)字化控制水平。

第二版設(shè)計(jì)方案引入了模塊化建設(shè)思想，按功能需求將實(shí)驗(yàn)裝置劃分為5個(gè)子系統(tǒng)，包括：（1）多泵站密閉輸送系統(tǒng)，可模擬正輸流程、三泵站流程、水擊工況、越站工況、事故工況（泄漏工況與堵塞工況）；（2）成品油順序輸送系統(tǒng)，可模擬成品油長(zhǎng)輸管道順序輸送流程；（3）可視化清管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清管器的發(fā)送、運(yùn)行、接收，透明有機(jī)玻璃管段可為清管器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供觀察窗口；（4）氣液兩相流系統(tǒng)，以空氣作為氣相、白油或水作為液相，對(duì)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬，可實(shí)現(xiàn)泡狀流、分層流、段塞流、環(huán)狀流等流型的變化；（5）低溫氣液固多相輸送系統(tǒng)，可模擬海底天然氣管道在低溫高壓狀態(tài)下的多相混輸流程。各子系統(tǒng)功能相對(duì)獨(dú)立，互不干擾，可同步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

在第二版設(shè)計(jì)方案的調(diào)整中，大量新技術(shù)理念得到應(yīng)用。多泵站密閉輸送系統(tǒng)管道總長(zhǎng)超過(guò)1800m，工作狀態(tài)下管路內(nèi)的液量高達(dá)3.5m3，實(shí)驗(yàn)用液量大，為體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，在三泵站長(zhǎng)流程方案的基礎(chǔ)上添加了三泵站短流程方案（圖1），管道總長(zhǎng)約500m，可在大幅降低實(shí)驗(yàn)用液量的前提下實(shí)施除水擊工況之外的工況模擬實(shí)驗(yàn)。為提升模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，向?qū)W生提供形象直觀的實(shí)驗(yàn)觀察窗口，在該系統(tǒng)中設(shè)置了5處可視化管段，總長(zhǎng)51.8m，涵蓋多泵站密閉輸送系統(tǒng)、清管系統(tǒng)、氣液兩相流系統(tǒng)和低溫氣液固多相輸送系統(tǒng)。

圖1 三泵站密閉輸送系統(tǒng)工藝流程圖

2.油氣管道輸送工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)

工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)用地60m×22m，占地1320m2，位于西南石油大學(xué)北區(qū)大型物理模擬實(shí)驗(yàn)基地北側(cè)，長(zhǎng)軸呈東西方向排布，場(chǎng)地東側(cè)為15m×22m辦公用房，裝置的中心控制系統(tǒng)置于其中，其余部分位于西側(cè)的彩鋼棚內(nèi)，裝置的空間布局兼顧使用安全性、操作便捷性、實(shí)驗(yàn)直觀性三方面的要求，俯瞰視角下整體呈U形。按照功能不同，大致劃分為中控區(qū)、儲(chǔ)罐區(qū)、泵站區(qū)、閥組區(qū)、環(huán)道區(qū)共計(jì)5個(gè)區(qū)塊，各區(qū)塊的設(shè)備設(shè)施相對(duì)集中布置，便于操作管理。

實(shí)驗(yàn)裝置的中控區(qū)采用西門(mén)子S300PU子站自控系統(tǒng)，模擬實(shí)現(xiàn)就地控制、站場(chǎng)控制兩級(jí)操控模式。儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)置6個(gè)普通碳鋼材質(zhì)的儲(chǔ)罐，包括2座2m3的承壓水罐、2座1m3的承壓油罐、2座0.05m3的常壓藥劑罐。泵站區(qū)分為3個(gè)泵站，其中1#泵站含2臺(tái)輸水離心泵、2臺(tái)輸油往復(fù)泵，2#泵站、3#泵站分別含2臺(tái)輸水離心泵，3個(gè)泵站內(nèi)的2臺(tái)水泵均可以串聯(lián)或并聯(lián)連接，單臺(tái)泵工作壓力1.2MPa、流量10m3/h。實(shí)驗(yàn)環(huán)道總長(zhǎng)2000m，在36m×22m的U形空間內(nèi)往返布設(shè)，采用梯形門(mén)架按上、中、下三層架設(shè)管道。

圖2 油氣管道輸送工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

建設(shè)過(guò)程中多次優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)裝置的空間布局。初期建設(shè)方案中，2000m環(huán)道呈口形布設(shè)在場(chǎng)地四周，由于東側(cè)辦公用房整體為臨時(shí)性彩鋼房的建設(shè)方案未獲得審批，變更為磚混+鋼結(jié)構(gòu)永久性建筑，環(huán)道布設(shè)空間剔除了辦公用房；基于降低占地面積的原則，將大部分環(huán)道調(diào)整于地下L形管溝中，地面主要擺放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的儲(chǔ)罐、泵站、閥組、控制系統(tǒng)等；考慮到實(shí)驗(yàn)裝置本科教學(xué)的實(shí)用性，地面上、管溝內(nèi)的管道長(zhǎng)度約按1:1再次進(jìn)行了調(diào)整。泵站的6臺(tái)水泵在施工圖中采用了臥式離心泵，占地面積大，施工時(shí)變更為立式管道離心泵。最終，實(shí)現(xiàn)了工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能分區(qū)、操作便捷、兼顧使用安全性與實(shí)驗(yàn)直觀性。

3.油氣管道輸送工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可為油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)開(kāi)出近10項(xiàng)綜合性本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)首次接觸此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的本科生而言，在短短的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)難以掌握實(shí)驗(yàn)涉及的專業(yè)知識(shí)。按照西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，本科生在第1學(xué)期的認(rèn)知實(shí)習(xí)中參觀此裝置，難以深入，在第6學(xué)期使用此裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，時(shí)間倉(cāng)促。工程教育認(rèn)證的OBE理念[6]以產(chǎn)出為導(dǎo)向，而管輸技術(shù)是油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)的核心領(lǐng)域，是本科生必須掌握的知識(shí)內(nèi)容，為提升此裝置實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用深度，結(jié)合目前“勞育實(shí)施計(jì)劃”的培養(yǎng)要求[7]，將此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置為勞動(dòng)教育實(shí)踐基地（圖3），將本科生分組，輪流定期到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)展衛(wèi)生清理工作（圖4），并要求繪制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工藝流程圖，有效提升了本科生對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的理解深度。

圖3 勞動(dòng)教育實(shí)踐基地

圖4 勞動(dòng)教育現(xiàn)場(chǎng)

此套實(shí)驗(yàn)裝置在系統(tǒng)調(diào)試中也出現(xiàn)不足之處。由于水罐材質(zhì)為普通碳鋼，內(nèi)壁面腐蝕嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)可見(jiàn)管流呈黃褐色，鐵銹頻繁堵塞水泵之前的Y形過(guò)濾器，令泵入口管路呈負(fù)壓狀態(tài)，無(wú)法正常工作。初期通過(guò)多次拆洗濾網(wǎng)予以應(yīng)急解決，后期增設(shè)過(guò)濾功能強(qiáng)大的籃式過(guò)濾器解決此問(wèn)題，遠(yuǎn)期計(jì)劃換用不銹鋼水罐從根本上解決管壁腐蝕問(wèn)題。可視化管道為有機(jī)玻璃管，實(shí)驗(yàn)時(shí)為便于學(xué)生觀察，均布置在彩鋼棚的邊緣外側(cè)（圖5），光照強(qiáng)烈，在夏季光線可直射部分有機(jī)玻璃管，導(dǎo)致有機(jī)玻璃管老化嚴(yán)重，使用不足2年就出現(xiàn)了有機(jī)玻璃管開(kāi)裂失效問(wèn)題，目前采用遮光布包裹的方法避免光照老化作用。

圖5 透明管段的老化與更換

4.總結(jié)與展望

油氣管道輸送工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)管輸領(lǐng)域各技術(shù)工況模擬具備良好的多樣性、可靠性與可擴(kuò)充性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與建設(shè)，為本科教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了管輸領(lǐng)域的綜合技術(shù)平臺(tái)。在應(yīng)用實(shí)踐中，有機(jī)結(jié)合OBE教育理念與勞動(dòng)教育要求，通過(guò)認(rèn)知實(shí)習(xí)、勞動(dòng)教育、專業(yè)課實(shí)驗(yàn)為本科生提供全方位的實(shí)踐基地，有效增強(qiáng)了本科生對(duì)管輸技術(shù)的掌握。

工況模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中充分考慮了管輸新技術(shù)的發(fā)展，為遠(yuǎn)期升級(jí)改造以實(shí)現(xiàn)對(duì)新技術(shù)工況的模擬打下基礎(chǔ)。目前已實(shí)現(xiàn)的就地控制、站場(chǎng)控制兩級(jí)操控模式可升級(jí)為“就地控制、站場(chǎng)控制、中心控制”三級(jí)控制模式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的編程改造，可完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的線上操控環(huán)境編程，借助網(wǎng)絡(luò)為國(guó)內(nèi)院校企業(yè)的同類教學(xué)或培訓(xùn)需求提供“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此外，智能化管道[8]是管道技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)方向，此實(shí)驗(yàn)裝置已具備了基礎(chǔ)的軟硬件條件，自控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)管流狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知與自動(dòng)控制，已安裝的管流仿真系統(tǒng)可對(duì)管流狀態(tài)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，結(jié)合智能化研究成果進(jìn)行編程，給出管流狀態(tài)調(diào)整的技術(shù)控制方案，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)完成管流狀態(tài)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)環(huán)道系統(tǒng)運(yùn)行的自主化感知、預(yù)測(cè)與控制，為管道智能化領(lǐng)域的科學(xué)研究提供實(shí)踐平臺(tái)。