輸油泵站動態特性仿真平臺建設及應用

楊 文，周晨初，謝 成，劉 靜

1.中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣東廣州 510620

2.西安航天動力研究所，陜西西安 710100

現代長輸管道向著大型化、密閉化的方向發展，在經濟效益提高的同時，輸送過程變得更加復雜，使得人們更難于了解和掌握管道系統的運行規律，以及對管道系統進行有效管理、合理調度、可靠運行[1]。利用仿真技術能真實地再現管道內油品的流動規律，壓力、流量等分布情況和隨時間變化趨勢，不僅能快速解決問題，而且可以節省大量經費，為管道工業帶來巨大的社會效益和經濟效益[2]。

隨著石油行業的迅速發展，管道仿真技術日益成熟，在國外已形成很多成熟的軟件，如SPS、PipelineStudio、ATMOSSim、PIPEWORK、SURGE等[3-4]。這些大型軟件被各管道公司采用且發揮了巨大的作用。自上世紀80年代，國內通過學習國外相關軟件，加深了對管道仿真技術的了解，管網仿真理論、建模求解及運營優化技術基本成熟[5-6]。2012年我國發布了首款自主研發的氣管道仿真軟件RealPipe。這些軟件基本都能模擬管網中的流動和控制，但主要還是用于仿真教學培訓、管理控制方案的研究，未形成大規模應用局面，依然不能擺脫對國外軟件的依賴。

目前，國內外仿真軟件主要關注于管道的穩態或連續穩態過程，而對泵站內研究較少。泵站是成品油管道系統的“心臟”，為管網提供必需的輸運壓力，控制著整個系統的運行過程，是影響系統運行規律的主要環節。相比于管道，泵站流道更加復雜。泵站內設備的動態過程多，如輸油泵啟停機、截止閥打開、關閉等會使系統工作參數短時間發生大幅度變化。這些變化隨著非線性系統的傳導、放大，很容易使單體設備在某時刻工作在極為惡劣的工況，從而發生故障，如管道系統關閥水擊超壓、設備間耦合共振等。本文針對輸油泵站內單體設備的動態工作過程及其相互影響，以“模型重用、系統重構”為技術特征，綜合利用模塊化技術，構建了通用化動態仿真平臺，可實現單體設備、泵站、管網系統的快速建模和動態工作過程仿真分析。

1 仿真軟件平臺框架

1.1 軟件架構

在成熟液體火箭發動機仿真軟件基礎上，根據輸油泵站仿真特點，改進底層設計，開發設備模型，形成通用化輸油站場仿真平臺。平臺架構與模塊化建模相適應，模型庫開發考慮了拓展性，支持從零件、設備、泵站到管網等不同復雜度系統拓展，軟件架構實現方法如圖1所示。軟件底層架構采用C++語言開發，語言通用性好；單體設備模型庫采用目前國際先進的的工程編程語言Modelica進行建模，支持多學科、多領域系統統一建模和圖形化建模，工作人員可將主要精力投入到典型單體設備工作過程的認識和精細化建模上，對工作人員編程能力要求低。最終形成以C++語言為底層架構，以Modelica為模型開發語言的仿真平臺，底層架構與模型開發部分的關系如圖2所示。

圖1 軟件平臺總體架構

1.2 層次化、模塊化建模

圖2 平臺底層架構與模型開發部分關系

采用模塊化建模技術，把站場系統看成多個單體設備的組合，如：儲罐、輸油泵、電機、管道、閥門等。采用面向對象的編程，對各設備的物理過程、公共屬性操作進行封裝，形成功能獨立的仿真模塊，實現模型重用，規定各單體設備模型均采用統一接口，采用自下而上的系統搭建，根據各個輸油泵站的實際構成，建立相應的仿真系統，實現“模型重用、系統重構”。用戶可以根據需要，利用現有模型庫逐級完成從零件到設備、泵站、管網級的仿真模型搭建。軟件提供了不同詳細程度的設備模型庫，以支持不同規模、層次系統的仿真。模型與系統間的關系如圖3所示。

圖3 模型與系統之間關系

1.3 仿真接口標準化

設備模型接口的好壞決定系統連接是否方便，也是影響設備模型通用性的重要因素[7]。輸油泵站的主體是流體系統，兼有機械、電力和傳熱等設備。為了方便系統連接，規定各單體設備模型均采用統一接口，接口變量分為流變量和勢變量，服從廣義基爾霍夫定律，不同接口類型模型交替連接接口規范如下：

（1） 流體類模型接口變量：流量、壓力、密度。

（2）機械類模型接口變量：力或扭矩、功率、速度或轉速。

（3）電器類模型接口變量：電流、功率、電壓。

設備接口定義目的除了為實現接口變量統一，其連接方式也是為了與基于一維有限元計算方法相適應，保證各設備動力學方程組求解封閉。接口所傳遞的變量事實上也是單體設備模型獨立仿真計算所需的邊界條件，從這個角度看單體設備模型也可看作簡單的系統，同樣站場系統也可看作為單體設備，用于搭建更為龐大復雜的整個輸油管網系統。接口模式采用統一的接口規范，用戶不需要了解模塊接口與內部實現的關系，只需根據模塊之間的實際物理元件連接即可完成系統搭建。增加或刪除系統中的某一元件影響到其他元件的連接特性，使得整個系統的連接更加簡單、靈活。

2 非線性方程組高效求解技術研究

2.1 一維有限體積法

輸油泵站系統由許多結構、型面復雜且工作過程多變的設備組成，為實現各種復雜結構的聯合仿真，需要尋求一種適用于復雜流道、復雜物理過程的統一建模方法實現設備物理過程抽象和模型建模，軟件開發過程中采用一維有限體積法和集中參數法進行成品油輸運物理過程描述和數值離散。兩種方法均支持復雜物理系統建模且方法之間具有很好的兼容性。對于對系統工作過程影響較大的設備采用一維有限體積法進行建模，確保系統仿真精度，而對系統工作過程影響不大的單體設備可采用集中參數進行建模，實現更高的系統求解效率[8-10]。

2.2 DASSL求解算法

站場系統單體設備動態運行過程具有如下特點：

（1）方程組的維數高，單體設備數量多，描述其運行規律的方程數量多，輸油管道長度長，為保證計算精度需要分段數較多，求解計算量很大。

（2）強非線性。由于描述站場各單體設備瞬態特性的連續方程、動量守恒方程、能量守恒方程都是非線性方程，據此建立的系統模型必然是非線性數學模型。

（3）方程組剛度大，系統中各單體設備相互制約、相互影響，且時間常數差別很大。如：機械運動過程的慣性一般遠小于系統中熱量遷移過程的慣性，壓力和流量的變化傳遞速度很快，而溫度和熱量的變化傳遞速度卻很慢，這決定了方程組存在著顯著的數學剛性問題。

由于輸油泵站系統的工作特點，描述它工作構成的物理方程具有方程組規模大、模維數高，動態過程非線性強，方程組剛度大、間斷點多等特點，導致相應微分方程求解困難。為實現泵站系統的高效穩定求解，選用目前使用較廣評價較高的DASSL算法對站場動態過程仿真方程組進行快捷的求解。采用DASSL算法可利用上次迭代結果估計本輪迭代因子，收斂快；其穩態階段步長大，計算效率高；非線性階段步長小，計算精度高。

3 站場仿真軟件

3.1 軟件界面及基本功能

搭建的仿真平臺界面如圖4所示。平臺具有設備模型庫的加載、移除、檢索和新建功能，模型庫單體設備模型的新建、復制和刪除等功能；具備圖形化和文本代碼兩種方式模塊化建模方式，在建模區設置系統結構參數、初始狀態、仿真條件等實例化功能，系統模型仿真前編譯檢查，仿真求解的啟動、暫停、單步運行、停止等控制功能；圖形化界面快速選擇組件用以顯示參數結果曲線等功能。仿真結果后處理功能主要包括：同界面顯示多個變量仿真結果，仿真曲線名稱、顏色、線性等設置，曲線局部放大、縮小以及通過游標來快速讀取信息，曲線的加、減、積分、微分等運算，仿真結果保存成圖片，以及“.csv”、“.mat”格式數據導入和導出等。

圖4 仿真平臺界面

3.2 軟件仿真計算流程

圖5為仿真全流程，用戶可根據情況省略部分操作。開始仿真前先加載模型庫，若模型庫已加載，則不必重復加載。利用模型庫模型搭建仿真系統，可進行系統參數設置和編譯檢查，檢查無誤即可開始仿真。仿真完成，進行仿真結果查看和后處理。圖6～圖10分別展示了系統建模、系統參數設置、編譯檢查、仿真設置、仿真求解結果等相關步驟。

圖5 仿真軟件使用基本流程

4 站場仿真示例

以某成品油輸油站場為例，開展相應精細化仿真計算。根據工藝流程圖建立了該站系統模型。模擬泵站啟輸、停輸操作，仿真過程中設置的工作流程為：0 s打開汽油罐DBB閥和出站閥；100 s打開給油泵，泵后閥跟隨打開；500 s打開1號主輸泵；900 s打開2號主輸泵（與1號主輸泵串聯）；1 300 s打開3號主輸泵；3 700 s關閉3號主輸泵；4 100 s關閉2號主輸泵；4 500 s關閉1號主輸泵；5 300 s關閉DBB閥；5 400 s關閉出站閥。系統累計工作時間5 500 s，仿真計算用時562.6 s。仿真計算結果如圖11～15所示。

圖6 簡化泵站系統組成

圖7 組件屬性及參數

從圖11中可以看出，系統流量隨著給油泵、主輸泵的先后打開而增加，3 700 s后隨著泵的關閉逐漸降低。從圖12中可以看出，系統穩態壓力為4.175 MPa（絕對壓力），并隨著儲罐油位降低，壓力逐漸減小，與實際控制流程圖中出站壓力4.08 MPa（表壓）基本吻合。圖13可以看出，當3號主輸泵不工作時，成品油均從止回閥流過；而1 300～3 700 s期間，當泵打開后，由于泵后壓力大于入口壓力，止回閥關閉。從圖14可以看出，由于DBB閥位于泵上游，當給油泵、主輸泵打開后，上游壓力由于供油量增大，壓力下降。圖15為開閥瞬間和關閥瞬間的壓力曲線，仿真結果對開、關閥過程中產生的壓力振蕩有較好的描述。

圖8 編譯檢查信息

圖9 仿真設置

圖10 輸出主輸泵流量曲線

圖11 出站流量變化曲線

圖12 泵站出站壓力變化曲線

圖13 3號主輸泵并聯止回閥流量變化曲線

圖14 DBB閥前壓力變化曲線

5 結論

針對國外軟件價格昂貴、操作不方便、仿真精度差、適應性差等問題，開展了通用化輸油站場系統仿真方法研究，并搭建了相應的仿真軟件平臺。

圖15 DDB閥前壓力放大

（1）目前仿真軟件主要關注管道的穩態或連續穩態仿真，主要用于運營管理和教學演示，對設備的運行規律及設備間、組部件間、設備參數間的相互影響關注較少。而泵站中大多數故障多是由開、關閥或啟、停泵等動態過程造成的，本軟件從設備的實際物理工作過程出發，建立了涉及流體流動和傳播過程、閥芯運動過程，流量、轉速對泵的揚程和效率等影響泵站設備高精度、動態工作過程仿真模型庫。能從機理上解釋站場運行中所發生的宏觀物理現象，如：關閥水擊的產生和傳播過程，泵揚程、流量、轉速與輸入、輸出功率之間的關系，加深工作人員對泵站運行過程的理解，減少人為因素造成的故障發生率，確定設備運行邊界，提高設備運行安全系數和輸運能力，為站場及管網系統精細化管理奠定基礎。

（2）該軟件平臺采用目前國際先進的工程建模語言Modelica（德國工業4.0推薦語言） 進行二次開發，融合了鍵合圖的非因果建模思想、Java等的面向對象技術和Matlab的數值與矩陣機制，形成了模型可重用、可重構、可擴展的先進架構體系，可實現成品油泵站、管網等大型、多層次、復雜物理系統所涉及的流體、機械、力、熱、電、磁等多學科協同仿真。軟件支持圖形化建模，可以通過拖拽零件、設備的形式搭建系統，操作簡單，二次開發方便。

（3）用戶可以根據需要，利用現有模型庫逐級完成從零件到設備、泵站、管網級的仿真模型搭建，系統拓展方便。也可將已搭建的系統封裝成模型，實現重用。可根據仿真規模和需求，對底層模型進行適當簡化。當進行管網級仿真時可對設備模型進行簡化，忽略設備內部彈簧、閥芯的運動過程。而當進行泵站或設備級仿真時可建立更詳細的設備、零件模型。軟件提供了不同詳細程度的設備模型庫，以支持不同規模、層次系統的仿真。