兰成渝成品油管道仿真系统的开发

油 气 储 运 第22卷第2期兰成渝成品油管道仿真系统的开发

韩志广*

(中国化工进出口总公司)

宫 敬

(石油大学(北京))

韩志广 宫 敬:兰成渝成品油管道仿真系统的开发,油气储运,2003,22(2)20~23。

摘 要 以兰成渝成品油管道为例,介绍了成品油管道计算机仿真模型的建立和软件的开发过程。仿真模型包括设备、中间分输站、首站等模型,仿真软件由11种模块构成,给出了仿真程序软件的框图。这种仿真系统有助于操作者迅速掌握管道动态运行时全线水力过程的变化和对全线的监控。

主题词 成品油管道 计算机 仿真系统 模型 设计 应用 计算机仿真技术已在输油管道的设计、培训和运行管理等方面得到了日益广泛的应用。但成品油管道与原油管道又有所不同,前者顺序输送且沿线有多处分输点,整个管道的运行处于时时不稳定状态。能否对成品油管道系统进行较好的动态仿真,关键是能否建立准确、完整描述成品油管道动态运行时各种状态的数学模型,以及准确求解数学模型的方法。根据流体力学基本方程所建立的流体瞬变理论和现代的数值计算方法,在一定数学模型的基础上,可以利用计算机模拟成品油管道的工艺情况 1~

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。

一、动态仿真原理 4

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,可以建立起全面、确切地描述管道动态过程的基本方程组。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。但对管道中拥有设备的各点和泵站必须根据其特性和各种操作补充方程(即边界条件)进行计算。在成品油管道仿真模拟过程中,边界条件具有十分重要的地位 3 ,原因有以下几点。

(1)对管道运行的控制,均是通过对管道各站设备的操作实现的。

(2)管道各站设备的动作、调节是产生其扰动的条件。

(3)管道沿线各站场的工艺过程不同,对管道的影响也不相同。

(4)管道动态过程所产生的压力波到达边界时会发生通过和反射,通过和反射情况与各站的流程和控制过程有关。

(5)由于各站工艺过程和设备的复杂性,边界条件的数学表达方式多种多样,繁简不一。

(6)管道中的混油段是一个边界点,处于不停地运动之中,随着所在地理位置的不同,其影响也不同。

(7)不同时刻分输站的启动及关闭操作,对管道运行产生影响。

二、研究对象

兰成渝成品油管道是我国第一条长距离的多分输点成品油管道,沿线地形复杂,有多个分输点。设有首站、分输泵站、清管站、分输站、减压站及末站共16座工艺站场,线路有15个紧急截断阀、14个手动

阀和18个单向阀,在成县分输站和广元分输站分别设减压系统,以降低管道运行动压和截断静压,分输支线均设有流量控制调节阀。

*102249,北京市西城区复兴门外大街A2号,电话:(010)88079270。

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为了方便仿真模拟,将兰成渝成品油管道系统划分为以下几个部分。

(1)兰州首站。

(2)中间分输泵站。

(3)分输站,包括陇西、绵阳、德阳、彭州、简阳、隆昌和永川,这些分输站在仿真模型中设计为分输阀和流量计的组合。

(4)成县和广元减压站,在仿真模型中设计为由减压阀、分输阀和泄压阀等设备的组合。

(5)混油段。

(6)线路截断阀。

(7)末站。

在仿真模型中,以上各部分都是要考虑的边界点,尤其是混油段要单独考虑。因为作为边界点的混油段时刻在运动,对管道运行产生影响,所以在仿真模拟过程要做适当的处理。

三、仿真模型的建立

1、 设备模型

(1)泵机组模型 4~6 建立了不同运行工况下驱动不同泵机组的数学模型,主要包括泵机组的正常运行、启动、正常停运、事故停运、机组切换等。

(2)阀设备数学模型 4 泵站上的阀门通常包括泵机组进出口阀门、越站单向阀、调节阀等。

(3)泄压设备数学模型 5,6 泄压系统的作用是,当管道产生扰动且泄压阀的进口压力达到泄压阀动作给定值时,泄压阀把部分甚至全部液体泄放到常压罐中,以减轻瞬变压力造成的危害。泄压系统一般由泄压阀、泄压罐及连接管道三部分组成。

(4)减压设备 4 兰成渝成品油管道的地形比较复杂,高差大,沿线设有两个减压阀,其作用是使阀前的压力值降到某一设定值。现研究的减压阀为通过式减压调节阀。

2、 中间分输泵站的数学模型

兰成渝管道中间分输泵站的系统简图见图1。

图1中,1X、2X、3X、4X、5X、6X分别代表中间分输泵站的低压泄压阀、高压泄压阀、单向阀、泵机组、调节阀和分输阀。H i为中间分输泵站的进口压力(MPa),Q i为中间分输泵站的进口流量(m3/s), H O为中间分输泵站的出口压力(M Pa),Q O为中间分输泵站的出口流量(m3/s),Q f en为分输量(m3/s), Q P为过泵流量(m3/s),H f、H hf分别为低、高压泄压阀进口压力(MPa),Q f、Q hf分别为低、高压泄压阀泄流量(m3/s)

。

图1 兰成渝管道中间分输泵站系统简图

3、 泵站模型的建立及其求解

(1)泵站总的压头平衡方程为:

H O-H i= k j=1H j-H m-H

(2)泵站总的流量平衡方程如下。

泵站进口:Q i=Q P+Q f+Q f en

泵站出口:Q O=Q P-Q hf

若无分输,则Q f en=0

在上述模型中,H 、 m分别为站内调整摩阻值和调节阀的瞬时节流值,H j为泵机组的瞬时扬程。

对于兰成渝成品油管道中间分输泵站的泵机组,在正常工况下有正常运行泵和未工作的泵,在工况变化过程中还可能涉及正在停或正在启的泵,所以泵站提供的压力是这几种状态泵提供的压头之和。为了判断泄压阀是否进行泄流动作,必须求出高低压泄压阀进口压力的大小。由于未考虑泄压阀管路系统摩阻的影响,因此认为泵入口汇管压力值与低压泄压阀进口压力值相等,泵站出站压力值与高压泄压阀进口压力值相等。

在建立泵站模型的总体方程组时,除要考虑泵站的压力平衡和流量平衡方程外,还要根据不同的扰动工况,添加泵站设备的方程,以便于方程组的封闭求解。

4、 首站的数学模型

首站系统模型和中间站系统模型的区别在于,首站的入口压力是按照定压边界处理的。由于兰州首站设有给油泵系统,所以,将首站的入口压力按定边界处理。

5、 分输站的数学模型

现研究的分输站由阀门、流量计和油罐组成,流

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