第四章7节 油气管道仿真软件
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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
特点
流程结构已知 计算设备参数 或物料性质等 变量
特点
流程结构、设 备参数与物料 性质已知 优化参数
仿真技术介绍
仿真的主要环节
•
•
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。 所组成的，主要用于跟踪或计算管道中油品的运动。
• 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。
软件产品例如：SPS＋SynerGEE、Energy solutions、 Atmos、Flowmaster
不足： 不能完全满足国内生产需求
80%
需求定制困难
价格贵、维护成本高
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Germanischer Lloyd工业服务公司收购) SWS---气体稳态管网设计软件 Stoner Web Simulator SPS---长输管道动态工况模拟软件 Stoner Pipeline Simulator • 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。
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
自主开发管道仿真软件必要性
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。
• 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）
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。
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。
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
管网运行管理需要专业的仿真软件辅助！
管道仿真发展现状
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
仿真的应用
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。
5
管道仿真业务需求
管网发展迅速使运行调度难度加大
RealPipe 仿真软件应用培训
管道仿真业务背景 仿真技术介绍 RealPipe 介绍 软件建模与结果分析
秦沈输气管线工况演示
2
管道仿真业务背景
3
仿真的定义
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。
• 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。
•
•
建立和求解源自文库界条件，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。
• 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。 TGNET通过有效性检验后，便可 进行动静态模拟；
• 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TGNET 7.2增加了模拟地下储气库的 功能。 SPS能够实现在线仿真功能
为什么要开发管道仿真软件？
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
atmos 软件公司
9万公里 大型管网
“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%。
•
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。
RealPipe发展历程
国内发展现状！ 2015 2012
2010
2008
中国石油管道仿真技术发展史
管道仿真业务背景 仿真技术介绍 RealPipe 介绍 软件建模与结果分析
秦沈输气管线工况演示
26
仿真技术介绍
仿真的分类
设计型
校核型
优化设计
模拟型
优化操作 特点
流程结构、设 备参数与工况 条件已知 工况分析
1、GASFLOW软件
2、GPNS软件 3、SimuPipe软件 4、RealPipe-Gas 软件
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。 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。 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-Gas 1.0。
• 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
TGNET软件
• TGNET(Transient Gas Network)软件
• 美国科学软件公司（SSI Scientific Software Intercomp） 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 。
• 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
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。
– 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 F—减阻前的水力摩阻系数; m—减阻系数。 • 式中 f—减阻后的水力摩阻系数；
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。
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
特点
流程结构已知 计算设备参数 或物料性质等 变量
特点
流程结构、设 备参数与物料 性质已知 优化参数
仿真技术介绍
仿真的主要环节
•
•
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。 所组成的，主要用于跟踪或计算管道中油品的运动。
• 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。
软件产品例如：SPS＋SynerGEE、Energy solutions、 Atmos、Flowmaster
不足： 不能完全满足国内生产需求
80%
需求定制困难
价格贵、维护成本高
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Germanischer Lloyd工业服务公司收购) SWS---气体稳态管网设计软件 Stoner Web Simulator SPS---长输管道动态工况模拟软件 Stoner Pipeline Simulator • 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。
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
自主开发管道仿真软件必要性
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。
• 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）
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。
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。
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
管网运行管理需要专业的仿真软件辅助！
管道仿真发展现状
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
仿真的应用
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。
5
管道仿真业务需求
管网发展迅速使运行调度难度加大
RealPipe 仿真软件应用培训
管道仿真业务背景 仿真技术介绍 RealPipe 介绍 软件建模与结果分析
秦沈输气管线工况演示
2
管道仿真业务背景
3
仿真的定义
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。
• 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。
•
•
建立和求解源自文库界条件，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。
• 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。 TGNET通过有效性检验后，便可 进行动静态模拟；
• 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TGNET 7.2增加了模拟地下储气库的 功能。 SPS能够实现在线仿真功能
为什么要开发管道仿真软件？
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
atmos 软件公司
9万公里 大型管网
“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%。
•
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。
RealPipe发展历程
国内发展现状！ 2015 2012
2010
2008
中国石油管道仿真技术发展史
管道仿真业务背景 仿真技术介绍 RealPipe 介绍 软件建模与结果分析
秦沈输气管线工况演示
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仿真技术介绍
仿真的分类
设计型
校核型
优化设计
模拟型
优化操作 特点
流程结构、设 备参数与工况 条件已知 工况分析
1、GASFLOW软件
2、GPNS软件 3、SimuPipe软件 4、RealPipe-Gas 软件
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。 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。 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-Gas 1.0。
• 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
TGNET软件
• TGNET(Transient Gas Network)软件
• 美国科学软件公司（SSI Scientific Software Intercomp） 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 。
• 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
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。
– 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 F—减阻前的水力摩阻系数; m—减阻系数。 • 式中 f—减阻后的水力摩阻系数；
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。