劉 丹，樊書哲

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國石油天然氣股份有限公司西南管道蘭成渝輸油分公司，四川 成都 610036）

目前，天然氣管道仿真系統(tǒng)已成功應(yīng)用于各大長輸氣體管道系統(tǒng)，成為掌握實(shí)際管道運(yùn)行狀況的重要手段。輸氣管道仿真系統(tǒng)方便了企業(yè)了解管道系統(tǒng)的狀態(tài)分布、變化過程，已被廣泛用于各管道系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、操作控制、調(diào)度管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控和事故處理。但是，輸氣管道仿真技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，仿真計(jì)算值均會(huì)與實(shí)際的管道測量值產(chǎn)生偏差，造成仿真計(jì)算不精準(zhǔn)。

1 誤差來源

1.1 輸入?yún)?shù)測量誤差

SCADA系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)噪聲、實(shí)際管道參數(shù)（管徑、管長、高程）偏差、管道粗糙度和土壤導(dǎo)熱系數(shù)偏差。

1.2 緩變參數(shù)誤差

土壤導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨季節(jié)發(fā)生周期性變化，管道參數(shù)和管道粗糙度隨服役期加長而發(fā)生變化。

1.3 手工輸入誤差

仿真建模過程中手動(dòng)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)、控制參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)存在偏差。因此，仿真系統(tǒng)在正式運(yùn)行之前需對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)校正，減小各類誤差對(duì)仿真計(jì)算的影響。

2 仿真模型校正參數(shù)

輸氣管道瞬態(tài)仿真模型主要由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程、能量方程構(gòu)成，通過聯(lián)立狀態(tài)方程、設(shè)定初始條件和邊界條件，實(shí)現(xiàn)管道水熱力參數(shù)的求解。氣體管道微元段瞬態(tài)仿真模型為：

式中，P為壓力，Pa；M為質(zhì)量流量，kg/s；T為氣體溫度，T；ρ為氣體密度，kg/m3；A為管道截面積，m2；x為管道軸向長度，m；z為管道高程，m；f為水力摩阻系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m；Z為壓縮因子，R為氣體常數(shù)；a為氣體波速，m/s；α為慣性因子。

構(gòu)成仿真模型的輸入?yún)?shù)眾多，管道設(shè)計(jì)參數(shù)、模型求解方法、SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、土壤環(huán)境條件等輸入或傳輸?shù)牟粶?zhǔn)確，均會(huì)對(duì)仿真系統(tǒng)最終求解結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此仿真模型校正技術(shù)也主要針對(duì)構(gòu)成仿真模型的參數(shù)，采用實(shí)際壓力、溫度、流量進(jìn)行校正，驗(yàn)證、反演準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)，保證參數(shù)輸入的有效性。

3 國外校正技術(shù)研究現(xiàn)狀

2007年，F(xiàn)arzad Abdolahi等[1]研究了影響天然氣管道仿真的主要參數(shù)，針對(duì)伊朗天然氣管道，從理論流動(dòng)模型和數(shù)值方法上評(píng)估了靜態(tài)仿真條件下土壤導(dǎo)熱率、管壁粗糙度和速度分布校正因子對(duì)壓力、溫度分布的影響程度，結(jié)果表明高雷諾數(shù)下范寧系數(shù)對(duì)壓力、溫度分布的影響較大，導(dǎo)熱系數(shù)和速度校正因子對(duì)壓力、溫度分布幾乎無影響。

2009年，Zdenek Vostry等[2]提出管道環(huán)境參數(shù)的不確定性對(duì)天然氣管道仿真影響很大，通過實(shí)際案例對(duì)比分析了個(gè)管道周圍環(huán)境參數(shù)對(duì)天然氣管道仿真的實(shí)際值與仿真值之間誤差的影響。結(jié)果表明，常規(guī)仿真過程中忽略熱平衡對(duì)天然氣管道的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)仿真的影響的做法是不可行的，其導(dǎo)致的壓降誤差遠(yuǎn)大于合理設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)的情況；瞬態(tài)情況下的環(huán)境參數(shù)的調(diào)整需與實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接，實(shí)現(xiàn)手段難。

2012 年，Garry Hanmer、Edward Jackson[3]重點(diǎn)研究了挪威海底管道粗糙度、熱傳導(dǎo)系數(shù)與測量帶來的模型誤差之間的關(guān)系，結(jié)果表明校正管道粗糙度、土壤熱導(dǎo)率值可以獲得精確的管存量值。同時(shí)，Garry Hanmer、Edward Jackson等還提出新型測量誤差調(diào)整方法——最大似然狀態(tài)估計(jì)，降低了儀表測量誤差，從而提高了管存量的計(jì)算精度，為管道運(yùn)營商節(jié)省了成本。

2018年，Stanis aw Brz czkowski[4]研究了仿真計(jì)算中SCADA數(shù)據(jù)誤差的傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)實(shí)壓力數(shù)據(jù)具有短期影響，質(zhì)量流量數(shù)據(jù)具有長期影響，運(yùn)營商需在誤差傳播之前修復(fù)此類誤差，指出處理SCADA傳輸數(shù)據(jù)誤差的有效途徑是離線動(dòng)態(tài)仿真。

4 國內(nèi)校正技術(shù)研究現(xiàn)狀

到目前為止，國內(nèi)現(xiàn)有管道仿真理論和產(chǎn)品中，對(duì)管道的運(yùn)行參數(shù)系統(tǒng)研究較多，而對(duì)管道設(shè)計(jì)參數(shù)系統(tǒng)變化引起的仿真精度變化考慮的較少[5]，導(dǎo)致國內(nèi)參數(shù)校正技術(shù)發(fā)展較慢。

2011年，張明光[6]探討了節(jié)點(diǎn)流量和摩阻系數(shù)等因素對(duì)燃?xì)夤艿婪抡婢鹊挠绊?，通過對(duì)比分析Chung法、Lucas法、剩余黏度法和統(tǒng)一對(duì)應(yīng)態(tài)法四種天然氣運(yùn)動(dòng)黏度計(jì)算方法，得出采用統(tǒng)一對(duì)應(yīng)態(tài)法計(jì)算天然氣的運(yùn)動(dòng)黏度精度較高；與傳統(tǒng)的試算法相比，采用牛頓迭代法計(jì)算燃?xì)夤艿滥ψ柘禂?shù)，具有較高的仿真精度。

2015年，趙昆鵬[5]研究了管道設(shè)計(jì)參數(shù)偏差以及管道緩變參數(shù)偏差對(duì)管道穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)以及實(shí)時(shí)在線仿真精度的影響，并針對(duì)不同天然氣物性進(jìn)行了預(yù)測優(yōu)化，分析了16種不同的狀態(tài)方程和經(jīng)驗(yàn)方程算法在不同天然氣物性條件下的適用性，提出了5種天然氣物性校正模型，最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各天然氣物性模型，結(jié)果顯示管道仿真結(jié)果平均相對(duì)偏差為1.5%。

5 結(jié)語

輸氣管道仿真模型校正技術(shù)能大幅度提高管道仿真模型精度，減小模型參數(shù)輸入誤差對(duì)仿真結(jié)果的影響，為評(píng)估在役管道運(yùn)行狀況提供借鑒。目前國內(nèi)外仿真模型校正技術(shù)已分析了影響輸氣管道仿真結(jié)果準(zhǔn)確性主要誤差來源，并針對(duì)靜態(tài)仿真條件下形成各類誤差源的校正方法，但是對(duì)于輸氣管道而言，由于氣體的可壓縮性存在，管道系統(tǒng)流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)隨刻在變化，真正意義上的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)難以達(dá)到，因此建議輸氣管道模型校正技術(shù)應(yīng)結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在動(dòng)態(tài)仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。