輸氣管道仿真模型校正技術研究進展

劉 丹，樊書哲

（1.西安石油大學，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已成功應用于各大長輸氣體管道系統，成為掌握實際管道運行狀況的重要手段。輸氣管道仿真系統方便了企業了解管道系統的狀態分布、變化過程，已被廣泛用于各管道系統的規劃設計、操作控制、調度管理、實時監控和事故處理。但是，輸氣管道仿真技術在實際應用過程中，仿真計算值均會與實際的管道測量值產生偏差，造成仿真計算不精準。

1 誤差來源

1.1 輸入參數測量誤差

SCADA系統傳輸數據噪聲、實際管道參數（管徑、管長、高程）偏差、管道粗糙度和土壤導熱系數偏差。

1.2 緩變參數誤差

土壤導熱系數會隨季節發生周期性變化，管道參數和管道粗糙度隨服役期加長而發生變化。

1.3 手工輸入誤差

仿真建模過程中手動輸入設計參數、控制參數、設備狀態存在偏差。因此，仿真系統在正式運行之前需對仿真模型進行參數校正，減小各類誤差對仿真計算的影響。

2 仿真模型校正參數

輸氣管道瞬態仿真模型主要由質量守恒方程、動量方程、能量方程構成，通過聯立狀態方程、設定初始條件和邊界條件，實現管道水熱力參數的求解。氣體管道微元段瞬態仿真模型為：

式中，P為壓力，Pa；M為質量流量，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；D為管道內徑，m；Z為壓縮因子，R為氣體常數；a為氣體波速，m/s；α為慣性因子。

構成仿真模型的輸入參數眾多，管道設計參數、模型求解方法、SCADA實時數據、土壤環境條件等輸入或傳輸的不準確，均會對仿真系統最終求解結果產生誤差，因此仿真模型校正技術也主要針對構成仿真模型的參數，采用實際壓力、溫度、流量進行校正，驗證、反演準確的輸入參數，保證參數輸入的有效性。

3 國外校正技術研究現狀

2007年，Farzad Abdolahi等[1]研究了影響天然氣管道仿真的主要參數，針對伊朗天然氣管道，從理論流動模型和數值方法上評估了靜態仿真條件下土壤導熱率、管壁粗糙度和速度分布校正因子對壓力、溫度分布的影響程度，結果表明高雷諾數下范寧系數對壓力、溫度分布的影響較大，導熱系數和速度校正因子對壓力、溫度分布幾乎無影響。

2009年，Zdenek Vostry等[2]提出管道環境參數的不確定性對天然氣管道仿真影響很大，通過實際案例對比分析了個管道周圍環境參數對天然氣管道仿真的實際值與仿真值之間誤差的影響。結果表明，常規仿真過程中忽略熱平衡對天然氣管道的靜態、動態仿真的影響的做法是不可行的，其導致的壓降誤差遠大于合理設置導熱系數的情況；瞬態情況下的環境參數的調整需與實時操作數據進行鏈接，實現手段難。

2012 年，Garry Hanmer、Edward Jackson[3]重點研究了挪威海底管道粗糙度、熱傳導系數與測量帶來的模型誤差之間的關系，結果表明校正管道粗糙度、土壤熱導率值可以獲得精確的管存量值。同時，Garry Hanmer、Edward Jackson等還提出新型測量誤差調整方法——最大似然狀態估計，降低了儀表測量誤差，從而提高了管存量的計算精度，為管道運營商節省了成本。

2018年，Stanis aw Brz czkowski[4]研究了仿真計算中SCADA數據誤差的傳播規律，發現實壓力數據具有短期影響，質量流量數據具有長期影響，運營商需在誤差傳播之前修復此類誤差，指出處理SCADA傳輸數據誤差的有效途徑是離線動態仿真。

4 國內校正技術研究現狀

到目前為止，國內現有管道仿真理論和產品中，對管道的運行參數系統研究較多，而對管道設計參數系統變化引起的仿真精度變化考慮的較少[5]，導致國內參數校正技術發展較慢。

2011年，張明光[6]探討了節點流量和摩阻系數等因素對燃氣管道仿真精度的影響，通過對比分析Chung法、Lucas法、剩余黏度法和統一對應態法四種天然氣運動黏度計算方法，得出采用統一對應態法計算天然氣的運動黏度精度較高；與傳統的試算法相比，采用牛頓迭代法計算燃氣管道摩阻系數，具有較高的仿真精度。

2015年，趙昆鵬[5]研究了管道設計參數偏差以及管道緩變參數偏差對管道穩態、瞬態以及實時在線仿真精度的影響，并針對不同天然氣物性進行了預測優化，分析了16種不同的狀態方程和經驗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，最后實驗驗證各天然氣物性模型，結果顯示管道仿真結果平均相對偏差為1.5%。

5 結語

輸氣管道仿真模型校正技術能大幅度提高管道仿真模型精度，減小模型參數輸入誤差對仿真結果的影響，為評估在役管道運行狀況提供借鑒。目前國內外仿真模型校正技術已分析了影響輸氣管道仿真結果準確性主要誤差來源，并針對靜態仿真條件下形成各類誤差源的校正方法，但是對于輸氣管道而言，由于氣體的可壓縮性存在，管道系統流動參數隨時隨刻在變化，真正意義上的穩態數據難以達到，因此建議輸氣管道模型校正技術應結合實時數據，在動態仿真的基礎上進行研究。