基于SPS软件的原油管道动态仿真应用与探讨

赵雨桐

[摘 要] SPS（Stoner Pipeline Simulator）起源于20世纪70年代，最初出自Stoner公司，是一款优秀的水力学动态模拟仿真软件，已经过了近40年的发展及工程应用，于2007年正式被德国GL公司收购，SPS软件在管道仿真领域是全球公认的领跑者，在中国乃至全世界范围内，其瞬态模拟速度及精确度至今难被超越，灵活的二次开发接口及逻辑控制脚本，使其在工程应用中更加得心应手。本文以中国石化某原油管道为例，简要介绍了利用SPS搭建原油管道仿真系统的过程及应用效果，为原油管道的精细化管理提供了有力支撑。

[关键词] 仿真软件；动态仿真；原油管道

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

[中图分类号] F272.7；TE832 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）16- 0036- 03

1 引 言

现代长输管道向着大型化、连续化、管网化及输送介质多样化的方向发展，其输送过程日趋复杂。调度人员在做出控制决策或运行方案时需要考虑的因素很多，如果没有准确、迅速的水力学核算工具及管道工况分析手段，短时间内做出安全可靠的控制决策或安全经济的运行方案是十分困难的。

利用SPS软件搭建管道仿真模型，通过其二次开发接口开发逼真的操作员界面，结合SPS功能强大的逻辑控制脚本，将管道各类控制逻辑融入到仿真模型中（如：PID控制逻辑、高低压泄压保护逻辑、各类压力开关保护逻辑、水击保护逻辑及各类设备联动控制逻辑），完全真实再现管道的运行过程及控制过程，为管道水力学核算、调度人员培训考核，各类运行工况制定及比选，事故工况模拟与演练提供了必要的工具。

2 管道相关基础资料

某原油管道全长390km，全线采用？准914钢管，设计压力8.5MPa，共设5座输油站场，S1站为首站，有4台输油主泵，S2站现阶段主要采用越站流程（故将模型简化），S3站为中间泵站，泵配制与首站相同，S4站同样采用越站流程（与S2站相同），S5站为末站。管道结构拓扑图如图1所示。

建立本仿真模型主要以实验研究为目的，进行基本的水力、热力计算，为提高效率，将管道工艺流程进行了简化，部分备用流程、清管流程等未在模型中予以考虑。若仿真模型包含培训目的，建议按管道实际情况搭建仿真模型。

3 仿真模型建立

通过SPS软件所提供的Model Builder模块进行图形化建模，鼠标点、选、拖、拽即可完成管道模型建立，如图2所示，各类设备相应参数通过鼠标双击弹出对话框的形式输入。

在SPS的文件系统中，管道物理模型以扩展名为.inprep的文本形式保存，模型中以虚拟结点（Node）来识别设备与设备之间的连接关系，在熟练掌握inprep文件定义规则的情况下，直接利用管道CAD工艺流程图及相关资料，手动输入.inprep文件建模将效率更高。

定义油品物性：在.inprep文件中，通过STATE SCL状态方式来定义油品物性参数，需要输入的参数包括密度、黏度、比热容以及在界面中的显示颜色等，将黏温曲线拟合成对数函数并录入A、B常量。如下表示：

STATE SCL

+ FLUID OIL /*某管道进口原油物性定义

+ DENSITY 0.1 20 859 916 000

+ VISC 7.996 4 0 -0.128 7

+ HCAP 2.4

+ COLOR RED

定义阀门：SPS软件中阀门大致分为普通截断阀（Block valve）、止回阀（Check valve）、理想化调节阀（Idealized regulator control valve）、调节阀（Control valve）等几个主要类型，以下为普通截断阀定义方式：

B B1 N4 N3 OPEN2 CLSE2 0.0 6 000 1 0

其中：

B 表示定义截断阀；

B1 阀门名称；

N4 上游结点名称；

N3 下游结点名称；

OPEN2在指定时间内均匀打开阀门，阀门开度与流通率曲线的线性关系；

CLSE2在指定时间内均匀关闭阀门，阀门开度与流通率曲线的线性关系；

0.0阀门关闭状态下的最小流通能力 m3/h；

6 000 阀门全开状态下的最大流通能力m3/h；

1 阀门从开全位到全关位的最大行程时间 min；

0 默认状态下阀门开关状态（0表示关，1表示开）。

对于通过PID控制的调节阀，SPS可逼真的模拟调节阀PID控制过程，结合管道中调节阀实际所采用的PID控制参数，来设定仿真模型中调节阀的PID参数，从而更加逼真地模拟管道瞬态变化过程。

定义管段：.inprep文件中定义管段，需要输入管段名称、上下游结点名称、管段长度、管径、壁厚、K值、F值、防腐层、保温层相关参数以及地温参数，还包括里程对应海拔曲线以及最大承压能力。

定义输油泵：需要输入泵的额定转速、额定流量、额定扬程、额定功率、扬程-流量曲线、功率-流量曲线、效率-流量曲线，变频泵还需输入不同转速下的特性曲线。

SPS提供的控制命令及逻辑控制脚本，可完成管道几乎所有控制逻辑，包括：OPEN命令、CLOSE命令、START命令、STOP命令、SET命令LOAD命令等，逻辑语言包括：IF、WHENEVER、DEF.SEQ、DEFINE等，多达数十种，以下列举了几类控制脚本的语法：

泵阀联动逻辑：当泵P1状态为STOPPING时，关阀出口阀B3，当泵P1状态为STARTING时，打开出口阀B3，如下所示：

WHENEVER（P1：ST=STOPPING）

{

CLOSE B3

}

WHENEVER（P1：ST=STARTING）

{

OPEN B3

}

首站甩泵触发全线ESD逻辑，首站4台主泵因停电或其他未知原因全部实效，触发ESD逻辑，1分钟后关停S3站4台输油主泵，2分钟后关闭末站进站阀，水击保护逻辑定义方式如下：

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软件建模规则，严格按照管道实际参数及控制逻辑搭建形成的管道仿真模型不仅是优秀的仿真平台，同时也是大量管道物理参数的管理和验证工具。

通过SPS软件提供的二次开发接口，可利用VB、VC等主流编程语言，按用户习惯开发操作界面，使用户界面更加贴近SCADA系统，SPS9.8以上版本，可支持OPC接口协议，目前主流的上位组态软件，如InTouch、IFix、组态王、WinCC等上位软件，支持OPC协议都可直接将其操作界面作为仿真模型的人机界面，使操作与实际生产更加贴近。

4 仿真系统应用

仿真模型的精准度是后续一切应用的基础，如果模型计算结果与实际管道运行参数差距较大，则仿真系统没有应用价值。

本仿真系统充分收集了某原油管道各类参数，严格按照SPS建模要求搭建仿真模型，通过与实际管道运行参数对比，其模拟精度在3%以内，表1～表2为年输量1 250×104m3/a工况下，管道在某一时刻稳态运行工况与仿真模型计算结果的对比。

经过精度矫正的仿真系统，作为管道生产调度必备的运行分析工具，在以下几个方面发挥了重要作用：

（1）在日常运行过程中，进行基本的水力热力核算，帮助调度人员制订运行方案，并对制订的运行方案进行验证；分析管道启停输、变工况等操作的合理性，分析管道水击，制订更合理的操作方案。

（2）对调度人员进行培训及考核，完全模拟SCADA系统的操作界面提供了直观的培训环境，对于新调度人员对管道水力特征的熟悉及老调度人员操作水平的提高起到了至关重要的作用。

（3）同时通过逻辑控制脚本，设定各类事故工况，如管道泄漏、堵塞、泵机组意外停机、考核调度人员应急处理能力。

主要参考文献

[1]杨筱蘅，张国忠. 输油管道设计与管理[M]. 东营：石油大学出版社， 1996.

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[3]常大海，王善珂，肖蔚.国外管道仿真技术发展现状[J].油气储运，1997（10）.

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[5]张青松，赵会军，王树立.长距离输油管道水力瞬变特性分析[J].石油规划设计，2006（6）.

[6]江国业，吴先策，崔艳丽.输油管道的水击仿真[J].中国民航学院学报， 2005，23（2）.