1、解析长输管道在线仿真系统的应用与展望摘要：上世纪七十年代，管道水利系统受水击的影响开始管道应用软件研究，后用于检测管道泄露。因 SCADA 技术和计算机技术的进步，其在管道与环境保护、商务管理、设计和运行管理优化等方面应用广泛，仿真软件是管道应用软件的基础与核心。仿真软件包括离线与在线两大产品，有培训系统、清管器跟踪、自救时间分析、机组优化和运力调度分析等模块功能。在完善的法规现状下，多种管道应用软件在提高管理以及运行效率，减小或避免损失等方面发挥着积极作用。 关键词：长输管道；在线仿真系统；应用展望 Abstract: in the last century seventys, the hy
2、draulic system is affected by the water hammer started pipeline research of application software, and used for monitoring pipeline leakage. Because of SCADA technology and the progress of computer technology, the pipeline and environmental protection, business management, design and operation manage
3、ment optimization applications, simulation software is the basis and core of pipeline application software. The simulation software including off-line and online two products, training system, pigging tracking, self time analysis, optimization of unit and dispatch analysis module function. In the pr
4、esent perfect laws and regulations, various pipeline applications in improving the management and operation efficiency, reduce or to play an active role to avoid loss. 关键词：长输管道；在线仿真系统；应用展望 Keywords: pipeline on-line simulation system; application prospect 中图分类号：TE832 文献标识码：A 一 管道仿真软件概述 上世纪八十年代，管道仿真软
5、件走上市场化道路，管道仿真软件与Windows 系统相结合，软件性能提高，扩展了功能。管道仿真领域中，商业化仿真软件是主流，比如 GREEG、SPS 等软件的市场份额较大。另外，一些管道企业根据自身实际，也进行着自主开发，比如 SIROGAS 软件、GNAP 软件等。但是，由于我国自主创新能力弱，石油天然气行业中的仿真软件开发还落后于世界平均水平，专业人才的限制，使自主开发瓶颈不断。 在我国，管道仿真软件的首先使用是管道设计单位，1999 年的 SPS软件成功应用在设计与运营成渝成品油管道后，其在国内设计与运营长输管道上成为必备的工具。虽应用范围广泛，但现实堪忧。复杂的软件要求人员具备控制管道
6、运营的操作经验以及专业背景，同时仿真计值受参数选择、仿真建模、控制形式的影响。运营单位做好软件使用和自身现实的有机结合，发挥仿真软件在经济效益提高、生产指导上的作用，是急需解答的问题。原因在于运营管道需要与仿真软件结合不紧密，对仿真软件的被动适应，自身需求难以实现；仿真软件是多学科的结合体，需在计算机、输送工艺、自动化知识指导下维护与使用软件，学习使用时间过长，调度人员太过繁忙。即使调度者又丰富经验，也无济于事。比如单位购买的 TLNET 与 SPS 软件，工作人员对软件使用办法、性能、设计思路和算法、数学模型了解不够系统全面等。 二 在线仿真系统应用之本质与核心分析 经过长足发展，我国长输管
7、道在自动化、运营与工艺设计上发展较为成熟，成立北京油气调控中心标志着运营管理模式的形成，国外仿真软件出现了与我国实际情况不符的现象。比如，国内仿真软件发展滞后，无可参考的规范或标准且许多技术需要研究。我国在线仿真系统是在设计阶段对国外仿真的沿用下确定功能的，这显然很难与我国现实运营管理相符合；另外，我国并没彻底的吸收离线仿真系统，使得过程控制以及油气调配工作无法在在线仿真系统指导下完成，出现了以检测管道泄露为应用在线仿真系统的目标，弱化、忽略了其他功能。 距离长、压力大、管网化、口径大、洲际化是现代长输管道的发展方向，输送过程也不简单。SCADA 系统是我国目前采用的主流。该系统可实现管道基本
8、功能，如阀门启闭、机组启停等，但并未能在管道系统的生产运营上大范围的利用。伴随长输管道日益复杂，要求更好控制管道的输送，做好规律的掌握，分析与处理事故工况，做好 SACDA 系统的智能研究，确定稳态最优工况等管道优化方案。以调度者的工作经验做好以上操作显然困难重重。管道的管理运行水平体现在使用 SCADA 系统的程度上。 可以说，SCADA 广义系统包括在线仿真系统，二者存在机理上的联系，边界条件为采集的实时数据，做到实时、连续模拟管道状态，从而实现管道的热力与水利变动的明确。所以，管道的状态估计为在线仿真系统之核心，是所有功能的基础，为技术工作者监视、掌握与分析管道的运行提供了工具支撑。以
9、SCADA 为基点，实现自动化控制管道输送，摆脱管道运用控制依靠调度者经验行事是管道运营公司所期待的，但目前最优控制管道的输送过程依然无法依靠在线仿真系统构建。所以，最优控制管道的输送过程被看做是在线仿真系统之本质。可以说，本质达成之基础在于核心，在分析管道历史变化的前提下，做管道将来形态的预测，才是实现最优控制的最佳方法。 三 研究在线仿真系统内容展望 作为系统工程，长线管道在线仿真涉及到自动化、流体力学、油气储运、计算机以及最优控制等许多学科。 （一）数据滤波器 SCADA 系统之数据时常因元件、系统和外界的干扰而存在失真现象。运行在线仿真系统前，要预处理数据，处理方式以数据类型做好划分处
10、理，才可进一步实现辨识、预估、观测管道的状态。 优化控制与管理运行系统受沿线管道流动参数的影响，即使数据类型一样，比如温度与压力数据，但瞬变特征存在差异，比如温度瞬变慢，压力瞬变慢，那么滤波方法也会有差异。在研究辨识管道的状态前，如果滤波器数据不可靠，预估、观测、辨识管道状态可能会不尽人意。所以，以 SCADA 系统为前提，估计管道状态需要滤波器检测的实时数据。 估计状态 SCADA 系统的技术体现在最优控制长输管道的过程，亦被看做在线仿真系统之最终目的。因为长输管道中的流体具有复杂的流动特性，沿线的模拟动态参数较易变动，不容易计算，想要得到最优、可靠的控制方案，必须保证计算结果的正确性。如计
11、算出现差错，管道运行在以此实行的控制方案下会出现安全问题，且引起新水击出现，过程控制也难以把握。所以，动态模型参数是管道运行时在线仿真系统应该解决的问题，比如传热系统的辨别、摩阻因素、辨识牛顿流体等，动态管道特点，比如辨识供能设施的特点；控制元件的动态特点，比如辨识控制阀的特点等。最终准确的估计管道的状态，为最优控制管道做基础性工作。 估计线性系统之状态较为成熟，但长输管道的分布参数为非线性状态，研究不到位，人员数量少，进展缓慢。做分布参数系统的研究，空间中的状态呈无穷维自由度形式，对其测量限制在有限的离散空间点，且噪声污染影响着测量。另外，系统模型的误差，未知扰动影响这测量过程。所以，控制反
12、馈直接采取测量值，系统控制很难取得效果，这也是现场过程控制中在线仿真系统无法运用的原因。要最大发挥核心功能的作用，对变量测量苦难情况以状态测量值做预估，做到管道状态的真实估计，提升控制质量。管道的真实状态可由 SCADA 系统与状态估计和数据过滤后的状态做比较而来，见下图。状态通过在线仿真系统的精准估计，让管道优化控制成为现实。 （三）控制器优化 作为非线性、大时滞的长输管道系统，因阀门开度变动突然，机组停机、开启或脉动等元件工作形态的变动或外界影响，管道内部会出现压力、流量等的脉动或冲击，进而导致不稳定的流体流动。在当前情况，受压力波的影响，某点将在管道内产生高低压，管道正常运行被破坏。所以
13、，通过在线仿真系统，组号控制器的研制，对管道的运行以可靠先进技术为保障，做到自动化控制管道的输送过程，被看做为设计管道与管理运作的主要目标，推动着在线仿真系统的进步。 从自动控制层面分析，排压控制（强度控制）取代原来的进压控制（流量控制） ，在控制器种类上，智能控制器取代 PID 的传统控制器，在系统控制的分析方法上，主动分析取代了被动分析，以实现最优化的管道控制系统。机组自动调节、调节阀等控制模式是被动的管道系统控制过程。被动分析法是瞬变管道流动控制的主要策略，首先分析控制装置功效，比如 PID 调节阀系统控制，再模拟系统反馈；在对控制装置的功效反复修改（整定 PID 控制器的参数） ，得到
14、最优化控制品质。主动分析法则是参照某项具体的要求（通常是最优过程控制，比如压力变化平稳、最小水击压力、最小动力消耗、最短过度时间等） ，使管道状态在平稳相互转变。比如在管道可承压力范围值内，完成过渡时间尽量的短或实现过渡不超过规定的时间。可以说，控制装置性能的获取采取的主动分析法比被动分析法更加优异，这也是最优控制的方法来源。最优控制存在不完善之处，需要做研究，估计在线仿真系统之形态为实现最优控制之基础。其实，完全实现计算分析结果比较困难，所谓的最优控制是相对最优。 四 结语 本文在分析在线仿真系统的历史进程的基础上得出我国在线仿真软件的应用存在不足，管道运用未能结合仿真软件，用户缺乏全面了解
15、软件功能，缺乏分析软件的实用价值。对管道真实状态的估计以有限的方式获取是该软件系统的核心，对管道运行过程做到自动化的控制是该软件的最终目的。通过对管理长输管道的运营特性以及目标分析，本文未来在线仿真系统的发展主要在于状态估计、数据滤波器以及优化控制等三方面的研究。 参考文献： 1 王忠巍.自主海底管道机器人智能控制关键技术研究D.上海交通大学,2010. 2 李颖栋,许晖,刘春杨等.在线仿真和离线仿真的建模机理J.油气储运,2011,30(3):170-172. 3 刘牧,钱新明,郭臣等.运力约束下油气长输管道应急资源调运模型及算法J.北京理工大学学报,2011,31(8):996-1000. 4 聂廷哲,段常贵.天然气长输管道可靠性故障树模糊分析J.油气储运,2003,22(6):44-46. 5 李小洪.基于压力试验方法的长输管道水击泄放量计算J.油气储运,2013,32(11):1171-1174.
