不確定性在管道流動安全評價中的研究進展

潘 峰，付曉明，楊廣仁，王 輝，陳雙慶

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不確定性在管道流動安全評價中的研究進展

潘 峰1，付曉明2，楊廣仁2，王 輝2，陳雙慶1

（1. 東北石油大學 石油工程學院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司，黑龍江 大慶 163000）

油氣集輸管網的設計首先要保證管道內介質流動的安全性，由于與原油管道輸送相關的原油物性參數、運行參數、環境因素具有很強的不確定性，因此傳統的確定性方法進行管道流動安全性評價有很多局限性。回顧了國內學者對管道輸送相關參數不確定性研究現狀，并對油氣儲運工程領域不確定性研究的發展趨勢進行了探討，從而為管道流動安全性評價提供了理論基礎。

流動安全評價；不確定性；工程應用；研究進展

油氣集輸管網的設計首先要保證管道內介質流動的安全性，原油管道介質流動失效主要包括凝管和蠟堵。而進行管道介質流動安全性評價首先需要確定管道埋深、地溫、土壤導熱系數、原油流變性等參數。受環境及原油自身因素的影響，這些在原油管輸過程中所涉及參數往往具有很強的不確定性。而目前，這些具有不確定性的量往往按照確定的量進行處理，這種確定性方法存在著很多不足。例如，為了降低凝管風險，工程中的現行做法是控制管道進站溫度高于凝點以上3 ℃，以此來反算最低出站溫度。而這一做法的前提是將管輸油品物性、管道運行參數、環境參數等視為確定的量。實際上，這些參數都具有不確定性，現行做法難以反映管道真實的安全性水平。例如，某油品凝點是28 ℃（均值），進站溫度是30 ℃時安全性就不一定差。原因在于油品的凝點是波動的，若凝點波動值大于1 ℃且偏小，此時原油的凝點很可能低于均值28 ℃，管道的安全性仍有保證。以此類推，包括原油物性（凝點、粘度、觸變性等）、土壤物性（土壤導熱系數、地溫等）、管道運行參數（管道輸量、進出站溫度、進出站壓力）等，這些參數在不同程度上都具有不確定性。ISO 16708指出在管道壽命期內的設計、施工、投產和運行階段，都存在著不確定性，管道實際運行過程中不確定性的參數是普遍存在的，而且波動范圍很大。確定性評價方法通常采用均值進行計算，難以考慮數據波動對管道運行安全可能產生的影響。

不確定性的研究方法主要有兩種：一種是用概率分布模型來描述某一變量的不確定性方法，這種方法研究的是變量本身的不確定性；第二種是引入隨機因子，在物理模型中引入一個隨機因子來描述模型的不確定性，這種方式是通過引入隨機因子來修正因模型的簡化和不完善等產生的不確定性。本文回顧了原油物性及流變性、管道運行參數、環境參數等的不確定性研究現狀和方法，并給出了今后的發展趨勢，從而為油氣管道的流動安全性評價提供了理論依據。

1 原油物性及流變性的不確定性

原油本身是一種極其復雜的烴類和非烴類的液態混合物，對原油流變性影響很大的組分(蠟、膠質、瀝青質等)，從化學上講是一類物質的集合，而不是在分子結構上很清楚的某一種物質。含蠟原油的流變性不僅取決于組成，還與經歷的熱歷史、剪切歷史等外因有關，并體現著隨機性和模糊性兩個方面的不確定性。此外，原油流動性參數的不確定性不僅與原油本身的組成有關，還與實驗儀器等因素有關。當然，對于給定原油，粘度隨溫度的變化是確定的（不屬于不確定性的范疇）。本文總結的粘度不確定性，主要是指同一溫度下由于管內油品組成差異造成的粘度的不確定性，屬于本征不確定性，而非由于溫度變化引起的粘度變化。

2 管道運行參數的不確定性

通過分析 SCADA 系統采集到的管道實際運行參數，可以發現，即使在不考慮人為的輸送計劃調整時，管道運行參數（管道輸量、進出站壓力、進出站溫度等）在給定的泵和加熱爐組合工況下，也是在一定范圍內波動的。管道的運行參數（管道輸量、進出站壓力、進出站溫度等）存在波動，確定性評價方法通常采用均值進行計算，難以考慮數據波動對管道運行安全可能產生的影響。原油管道運行過程中，進出站壓力、進出站溫度、進出站流量等主要運行參數都具有不確定性，且都會對管道流動安全性產生影響。

3 環境參數的不確定性

無論是礦場油氣集輸管道還是油氣長距離輸送管道，往往綿延數百、甚至數千公里，沿線管道埋深、土壤物性、管道敷設處自然地溫均存在不確定性，這里面既有由于土壤組成不同而產生的不確定性，也有由于測量、計算模型產生的認知不確定性。確定性方法往往忽略環境參數的不確定性，如目前業內都采用站間當量數值進行工藝計算，最典型的莫過于“總傳熱系數”，對于穩態運行工況，這是可行的。然而，對于非穩態工況，特別是停輸再啟動分析，這種采用站間平均參數的確定性分析方法的缺陷顯而易見。當然，由于管道埋深處（地下一定深度）地溫隨季節的變化基本上是確定的。本文總結的地溫不確定性，主要是指由于測量或統計的原因產生的地溫的不確定性，屬于認知不確定性范疇，而非地溫隨季節的變化。

4 不確定性研究在油氣儲運工程中的發展趨勢

目前而言，國內學者對參數不確定性的研究主要是指通過統計分析的方法得到不確定性參數的分布模型和相應的模型參數，目前用來表示不確定性參數的分布主要是常見的概率分布，其中以正態分布與Poisson分布最為常見。總體而言，相對于巖土工程、機械工程等領域，不確定性研究在油氣儲運工程中的起步較晚，并主要將不確定性研究的成果應用于含蠟原油管道停輸再啟動安全性評價，對于管道正常運行中的安全性評價問題應用較少。由于受多種復雜因素的影響，工程實際中的問題可能并不嚴格符合常用的概率分布，而是服從某種未知的分布或幾種常用分布的組合。對目前環境參數（管道埋深、埋深處地溫、土壤導熱系數）等不確定參數均直接確定服從正態分布，直接給出均值和標準差，顯然是不可靠的。此外對于不符合某種特定分布模型（如正態分布、指數分布等）的樣本，ISO 16708中的方法是不適用的。因此在今后的研究中可以參考其他領域的方法，綜合運用模糊分布法、最大熵原理等方法來研究流動性參數的不確定性是今后的研究方向。

5 結束語

總而言之，對參數進行不確定性分析，就是在弄清楚參數不確定性來源的前提下，運用統計方法確定參數的隨機概率分布，也就是參數的分布模型和相應的模型參數。但是，由于造成數據不確定性的原因各異，以及數據基礎樣本容量的不同，對于不同的參數，采用的不確定性分析方法也會有所不同。當然，研究不確定性因素的統計規律需要大量的數據，因此與管道流動安全性有關的參數全部作為不確定性參數考慮并不現實，可將對管道流動安全性影響較小，通常可以忽略其不確定性的參數作為確定性參數考慮。統計相關參數的不確定性，對流動安全性進行評價，不僅具有重要的科學意義，并且對于輸油管道的安全運行、節能減排具有極其重要的工程應用價值。

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Research Progress of the Uncertainty in Pipeline Flow Safety Assessment

1,2,2,2,1

（1.Petroleurm Engineering College, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China;2. Daqing Oilfield Company Transportation and Storage and Marketing Branch, Heilongjiang Daqing 163000，China）

The design of oil and gas gathering and transportation network must first ensure the safety of the medium flow in the pipeline. Due to the uncertainty of crude oil physical parameters, operating parameters and environmental factors related to crude oil pipeline transportation, traditional deterministic methods have many limitations to the safety assessment of pipeline flow. In this paper, research status of uncertainties in pipeline transportation was reviewed, and the development trend of uncertainties in the field of oil and gas storage and transportation engineering was discussed, in order to provide a theoretical basis for pipeline flow safety evaluation.

Flow safety assessment;Uncertainty; Engineering application; Research progress

TE 832

A

1671-0460（2017）08-1671-04

國家自然科學基金資助項目“受約束三維地形條件下油氣集輸系統模糊布局優化研究”,51674086。

2016-12-22

潘峰（1993-），男，遼寧省撫順市人，東北石油大學油氣儲運工程專業在讀研究生，2015年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業，研究方向：主要從事多相管流及油氣田集輸技術研究。E-mail：panfengnepu@sina.com。