輸氣管道虛擬仿真實踐教學平臺的構建與應用

朱建魯，宋存永，盧興國，曲本全，韓俊騰

輸氣管道虛擬仿真實踐教學平臺的構建與應用

朱建魯1，宋存永1，盧興國1，曲本全2，韓俊騰2

（1. 中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院 油氣儲運工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，山東 青島 266580；2. 中國石油大學（華東）石油工業訓練中心，山東 青島 266580）

為滿足油氣儲運工程專業實踐教學的需要，設計了輸氣管道虛擬仿真教學平臺。實踐內容分為內操輸氣工藝中控系統和外操現場虛擬場景兩個類別，高度模擬真實的輸氣管道運行和管理。學生以小組配合的方式，分別對中控系統和虛擬現場進行控制操作，通過反復自主式練習，掌握工藝參數控制和故障處理方法。經實踐驗證，學生對課程理論知識的理解明顯加深，實踐過程安全可靠，學習效果顯著增強。

輸氣管道；虛擬仿真；實踐教學平臺

“輸氣管道設計與管理”是油氣儲運工程專業的核心課程之一，實踐教學起著至關重要的作用[1-2]。實踐教學環節包括認識實習和生產實習。由于實習條件的限制，實習過程以聽、看為主，不能操作和控制設備，學生進廠實習的學時減少甚至被取消。為此，中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業依托油氣儲運工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，將虛擬仿真技術引入實踐教學環節[3-4]，構建了天然氣長輸管道、壓氣站場、截斷閥室等虛擬場景下的仿真實驗[5]。學生可以操作壓縮機、閥門等設備，獲得接近現實的體驗，提高解決復雜油氣儲運工程問題的能力[6-7]。

1 輸氣管道虛擬仿真實踐內容及基本架構

輸氣管道虛擬仿真實踐教學的內容包括內操和外操2個類別、12個案例。內操對應輸氣工藝的中控系統，外操集成現場的虛擬場景。學生可以選擇不同的崗位，不同崗位之間可以進行數據通信，模擬真實的輸氣管道運行和管理。

（1）內操包括6個案例：①輸氣干線流量-壓降公式擬合；②輸氣干線全線調峰；③集氣工況；④分氣工況；⑤跨接管供氣分析；⑥管徑壓力參數敏感性分析。要求在中控室內模擬現場DCS（distributed control system，分布式控制系統），識別并分析復雜工藝系統問題。

（2）外操包括6個案例：①首站壓縮機啟動；②分輸站虛擬計量；③收發球操作；④截斷閥室放空操作；⑤末站分配操作；⑥采氣樹流量調節。要求在現場虛擬環境下按照操作手冊完成設備流程訓練。

輸氣管道虛擬仿真教學平臺基本架構分為數據層和場景層兩部分，如圖1所示。數據層主要是利用動力設備模型、傳熱設備模型、分離設備模型和閥門設備模型等輸氣管道基礎理論模型，建立輸氣管道工藝動態仿真模型，并實時向場景層傳輸模擬計算數據；場景層的虛擬計量模塊顯示溫度、壓力、液位等參數；場景層所觸發的動作（例如壓縮機、閥門等操作）也會傳輸到數據層，由數據層通過模擬計算，返回工藝系統參數的動態變化。工藝動態仿真模型與站場的三維場景模型進行實時數據交互，并分別對應真實的中控操作和現場操作。

圖1 輸氣管道虛擬仿真教學平臺基本架構

2 輸氣管道虛擬仿真教學平臺的設計

2.1 工藝系統的數學模型

輸氣管道系統總貌如圖2所示。系統包括輸氣管道、壓氣站、截斷閥室、分輸站等，輸氣管道工藝系統的數學模型為虛擬現場提供基礎數據。主要的數學模型包括管道模型、壓縮機模型、換熱器模型、氣液分離器模型和閥門模型。

圖2 輸氣管道總貌圖

2.1.1 管道數學模型

將輸氣管道簡化為一維不穩定流動，管道的動態模型[8]有連續性模型：

和運動模型：

式中，為流體沿軸向運動的距離，單位m；為時間，單位s；為管道的截面積，單位m2；為流體密度，單位kg/m3；為介質流速，單位m/s；為管道的 傾角。

2.1.2 壓縮機數學模型

壓縮機是輸氣管道主要的動力設備，其響應時間比其他設備少很多，可認為是準穩態部件，按照穩態模型處理，數學模型包括多變壓縮功模型：

和出口溫度模型：

2.1.3 換熱器數學模型

換熱器模型轉化為管殼式換熱器模型，殼側和管側的能量守恒方程為

流量方程為

式中：為流量，單位kg/s；下標shell為殼側，下標tube為管側；為密度，單位kg/m3；為焓值，單位J/kg；為殼側或管側的滯留體積，單位m3；C為流通面積，單位m2，一般由穩態計算得到。

2.1.4 氣液分離器數學模型

由于LNG在儲存過程中不斷蒸發，LNG儲罐一般設有氣相出口，其數學模型與分離器相同。采用集中參數法進行模型簡化并忽略動量的變化。假設流體物性參數在空間是相等的，在分析中只考慮時間梯度，利用常微分方程進行描述，其中質量守恒方程為

能量守恒方程為

式中：為儲罐容積，單位m3；為流體密度，單位kg/m3；為流量，單位kg/s；為流體比焓，單位J/kg ；下標v為氣相，下標L為液相。

2.1.5 閥門數學模型

在膨脹液化流程中，節流閥一般安裝在換熱器的出口，主要用來節流LNG，降低LNG的壓力，便于儲存；在混合制冷劑液化流程中作為主要的制冷元件，實現制冷劑的降溫、降壓。閥門的節流過程近似等焓過程，模型為

式中：為流量，單位kg/s；v為流通面積，單位m2，一般由穩態計算得到；為閥門開度。

由以上設備模型組成輸氣管道系統的工藝流程如圖3所示。首站工藝系統通過數學模型的計算，可以在中控界面中實時顯示，也可以傳輸到現場三維模型中進行虛擬計量[9]，實現自動控制、閥門操作和設備啟停，設置PID控制參數，對比不同控制方式的穩定性，讓學生接觸遠程控制和調節，學習數字化站場、智慧管道等油氣儲運專業知識與技能。

圖3 首站工藝系統流程圖

2.2 壓氣站場三維模型

用虛擬現實技術對壓氣站場生產工藝和設備進行三維建模，模型主要包括壓縮機車間、高壓管組、氣體凈化和脫塵設備、清管器接收和發放室、調壓計量設施；輔助生產工藝包括能源系統、給排水系統、通信、監控及生活系統等。一些復雜設備采用剖視圖或者動畫展示，學生可以利用鼠標、鍵盤控制，在三維虛擬環境中進行漫游，學習工藝流程和設備結構。

壓氣站場三維模型可以與工藝系統模型進行實時數據交換，對于重要參數采用虛擬計量技術進行顯示，可以對站場的溫度、壓力進行計量。由于采用精度較高的數學模型，因此計量數據與實際生產數據的誤差小于10%[10]。

對于閥門、設備等三維對象，可以進行操作并還原真實的生產現場，例如對壓氣站的壓縮機進行開/停車操作和調節（見圖4）、對中控保持通信、配合內操人員進行現場的控制。學生可以觀察生產設備數據的實時變化，提高動手操作的能力和實踐創新的能力。

圖4 壓縮機操作

通過工藝系統數學建模以及站場的三維虛擬模型的設計，可以實現輸氣管道虛擬仿真系統的集成，并應用于實踐教學。

3 虛擬仿真教學平臺的應用

3.1 操作步驟

學生按照內操、外操配合的模式組建操作小組，分別對中控系統和虛擬現場進行虛擬仿真操作。學生可反復進行自主式練習，掌握控制工藝參數的方法和操作過程，以及故障的處理過程。

具體的操作步驟如下：

（1）啟動數據服務器，在“離線訓練”中選擇“內操訓練站”，輸入用戶名和密碼登錄。

（2）進入工藝界面，即可進行中控室操作。中控室的操作主要是進行參數監控和轉動設備遠程操作，如泵、空冷器、壓縮機，以及PID調節閥和電動開關閥等電動閥門的操作。

（3）外操學生選擇已有內操人員的組，點擊外操“加入”按鈕，進行配對，加入成功后即可進行操作項目選擇。

（4）在項目選擇窗口中選擇操作模式、場站、區域、等級、天氣、風向、風速等，在項目選擇框中選中所要操作的項目并啟動該項目（會彈出項目啟動提示框）。

（5）可以在三維交互場景中漫游，通過點擊設備、閥門、儀表等以及相應的指令進行操作。操作過程完全模擬生產現場，操作過程被組合成項目供學生實踐。

3.2 結果分析

3.2.1 集氣、分氣仿真實驗

以集氣、分氣為例，利用平臺進行虛擬仿真。已知標準工況為20 ℃、1.013 25 bar，起點、終點壓力為80 bar，壓縮機功率1 000 kW，機械效率0.8，多變效率1.3，集氣、分氣流量100 000 m3/h，分別模擬集氣、分氣對沿線壓力及流量的影響（見圖5、圖6）。

圖5 集氣時流量、壓力曲線

通過模擬可知：分氣點之前流量增加，分氣點之后流量減小；分氣使全線壓力下降，越接近分氣點的地方，壓力下降得越多；集氣點之前流量減小，集氣點之后流量增加；集氣使全線壓力上升，越接近集氣點的地方，壓力上升得越多。

圖6 分氣時流量、壓力曲線

3.2.2 壓縮機堵塞工況仿真實驗

壓縮機起點壓力80 bar，終點流量360 000 m3/h，在第五臺壓縮機后發生局部堵塞，堵塞處的流通能力CV值在100 min內由正常時的100 000 m3/(h·kPa)降到5 m3/(h·kPa)，繪制堵塞發生前、后全線壓力、流量曲線（見圖7、圖8）。

圖7 堵塞發生時全線流量、壓力曲線

圖8 堵塞發生后全線流量、壓力曲線

通過以上模擬可知：壓縮機發生堵塞后，堵塞點之前的壓力升高，堵塞點之后的壓力下降，且越靠近堵塞點壓力變化越明顯；堵塞發生后，全線流量減小；終點壓力、末段管道儲氣量減小。

4 實踐效果

通過虛擬仿真教學，學生的實踐效果明顯增強。

（1）學生與操作對象進行交互，加深了對輸氣管道設計與管理、測量儀表與自動化、泵與壓縮機等課程理論知識的理解。

（2）對于現場操作，仿真中的聲、光警報及語言提示，完全可以對學員操作錯誤進行提示和糾正，學生可以多次反復練習。

（3）閥門內部動作、壓縮機的內部動作及操作產生的現象，可以在三維虛擬平臺觀察到，而這些是現場實習難以實現的。

（4）避免了現場實習的安全風險。

5 結語

利用輸氣管道虛擬仿真實踐教學平臺進行實踐教學，學生可以選擇不同的崗位，通過多次練習，掌握工藝參數和操作過程。對于不具備現場實習條件的高校，該平臺能夠滿足油氣儲運工程專業實踐教學需求；對于具備現場實習條件的高校，通過虛擬仿真實踐教學和現場教學相結合，學生實習效果更佳。

輸氣管道虛擬仿真實踐教學平臺豐富了油氣儲運工程專業的多層次實驗教學模式，有利于培養學生解決復雜輸氣管道工程實際問題的能力，進一步提高了實踐教學質量。

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Construction and application of virtual simulation practical teaching platform for gas pipeline

ZHU Jianlu1, SONG Cunyong1, LU Xingguo1, QU Benquan2, HAN Junteng2

(1. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Oil and Gas Storage and Transportation Engineering, College of Storage, Transportation and Architectural Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Petroleum Industry Training Center, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to meet the needs of practical teaching of the oil and gas storage and transportation engineering, a virtual simulation teaching platform for gas pipeline is designed. Practice content includes two categories such as the control system in internal operation gas transmission process and virtual scene in external operation site, which highly simulates the operation and management of real gas transmission pipeline. The students control and operate the central control system and the virtual field separately in the way of group cooperation. Through repeated independent exercises, they can master the process parameters control and fault treatment methods. Practice proves that the students’ understanding of the theoretical knowledge of the curriculum is obviously deepened, the practice process is safe and reliable and the learning effect is significantly enhanced.

gas pipeline; virtual simulation; practical teaching platform

TE832；G642.0

B

1002-4956(2019)11-0105-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.026

2019-04-22

2019-06-04

國家重點研發計劃項目（2017YFC0805800）；國家自然科學基金青年科學基金項目（51504278）

朱建魯（1985—），男，山東曲阜，博士，講師，主要研究方向為液化天然氣技術、多相管流及油氣田集輸技術。