PIPESIM與GoogleEarth在集輸管線高程計(jì)算中的聯(lián)合應(yīng)用

中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院

PIPESIM是斯倫貝謝公司研發(fā)的一款多相流穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算軟件，可以快速構(gòu)建地面設(shè)施直接到GIS底圖的畫布上，并可以準(zhǔn)確捕獲管線坐標(biāo)和高程，實(shí)現(xiàn)在地圖畫布上快速建模并準(zhǔn)確進(jìn)行集輸管網(wǎng)模擬計(jì)算[1]。但目前PIPESIM軟件只允許Ersi公司的.shape 格式文件導(dǎo)入到GIS 底圖上，尚不支持其他地理信息系統(tǒng)建立的文件格式[1]。

GoogleEarth是一款地球儀軟件，在地面建設(shè)規(guī)劃階段，通過提供的井位及其他設(shè)施坐標(biāo)，可以很方便地在GoogleEarth 上布置地面集輸管網(wǎng)，從而有效規(guī)避障礙物、水坑、山包等，非常直觀，大大節(jié)省了規(guī)劃方案設(shè)計(jì)的時(shí)間和管線測量費(fèi)用[2-6]。

Arcgis 是由Ersi 公司開發(fā)研制的一款完整的GIS 應(yīng)用平臺(tái)。基于Arcgis 應(yīng)用平臺(tái)，可以完成地理信息系統(tǒng)的開發(fā)、地理信息的瀏覽、地理數(shù)據(jù)的編輯分析和存儲(chǔ)，以及地理信息系統(tǒng)的發(fā)布等[7-8]。

通過GoogleEarth、Arcgis、PIPESIM 軟件的結(jié)合，可以把在GoogleEarth 上創(chuàng)建的地面集輸管網(wǎng)圖導(dǎo)入Arcgis 地理信息系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成shape 格式文件，再導(dǎo)入PIPESIM 軟件的GIS 畫布上建模，自動(dòng)捕獲管線坐標(biāo)和高程，快速建模并準(zhǔn)確地進(jìn)行集輸管網(wǎng)模擬計(jì)算[9-11]。下文以海外A油田1條長輸油管線為例，介紹建模的過程。

1 輸油管線矢量圖建立

GoogleEarth使用的坐標(biāo)系是WGS-84地理坐標(biāo)系。WGS-84 是一種國際上廣泛采用的地心坐標(biāo)系，又稱為1984 年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)，高程系統(tǒng)為WGS-84 橢球的大地高[5，12]。GoogleEarth 采用開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并提供二次開發(fā)的API 接口，文件格式為.kml和.kmz，用于描述和保存地理信息，如點(diǎn)、線、圖像、多邊形和3D模型等[5]。

1.1 管線基本資料

從ACPF到PS輸油管線，管徑8in（1in=25.4mm），Sch60（Sch為美國石油學(xué)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼管壓力等級(jí)的專用表述），長度22.4 km；從PS到K CPF輸油管線，管徑16 in，Sch60，長度72.4 km。日輸油量2 100 t，含水率小于或等于0.5%，A CPF原油起輸溫度為52 ℃，K CPF進(jìn)站壓力為4.2 bar(G)。

1.2 原油物性

A油田原油物性見表1。

表1 A油田原油物性資料Tab.1 Oil physical property data of A Oilfield

1.3 繪制輸油管線

根據(jù)AutoCAD管線資料，將輸油管線的坐標(biāo)信息導(dǎo)入GoogleEarth。如果規(guī)劃新的油氣集輸管線，可以根據(jù)井位坐標(biāo)，在GoogleEarth 上參照沿線地形地貌直接規(guī)劃、繪制，A CPF到K CPF輸油管線走向示意圖見圖1。

GoogleEarth 文件格式為.kml 或.kmz，從A CPF到PS輸油管線沿線高程變化見圖2，從PS到K CPF輸油管線沿線高程變化見圖3。

圖1 GoogleEarth上從A CPF到K CPF輸油管線走向示意圖Fig.1 Route of oil pipeline from A CPF to K CPF on GoogleEarth

圖2 A CPF到PS輸油管線沿線高程變化Fig.2 Elevation change of oil pipeline from A CPF to PS

圖3 PS到K CPF輸油管線沿線高程變化Fig.3 Elevation change of oil pipeline from PS to K CPF

2 地理信息文件格式轉(zhuǎn)換

截至目前，PIPESIM 的GIS 底圖只認(rèn)可Arcgis軟件的.shape格式文件，由GoogleEarth產(chǎn)生的地理信息資料需要通過Arcgis、FME或Global Mapper軟件，轉(zhuǎn)換成Arcgis的.shape格式文件[9-11]。

Arcgis是ESRI公司開發(fā)的一款目前世界上使用最為廣泛的地理信息軟件，它默認(rèn)的參考坐標(biāo)也是WGS-84坐標(biāo)系，并且?guī)缀鹾w了世界上目前使用的地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系，這些坐標(biāo)系可以根據(jù)用戶需要，相互之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

為了保證.shape格式的文件在GIS底圖上能夠成功加載，PIPESIM 要求Arcgis 四種必要的文件格式需保持相同的文件名，而且必須存放在同一個(gè)文件夾內(nèi)。這四種文件格式是：①.shp文件，用于存儲(chǔ)幾何要素的主文件；②.shx文件，用于主文件內(nèi)加載幾何要素的索引文件；③.dbf文件，用于主文件內(nèi)存儲(chǔ)與屬性要素相關(guān)的dBase 表，④.prj 文件，用于存儲(chǔ)與幾何要素相關(guān)的參考坐標(biāo)系信息[1]。

3 管線信息展示和計(jì)算

根據(jù)PIPESIM 2017 版用戶使用指南，若要把管線和設(shè)施的地理信息成功導(dǎo)入到GIS畫布上，首先必須選擇一幅背景底圖，這些底圖是Microsoft Bing、National Geographic、Ocean、World Satellite、World Street、World Topographic 六種圖，其中World Satellite被PIPESIM作為默認(rèn)的GIS底圖[1]。

World Satellite 采用Web Mercator 作 為 參考坐標(biāo)系，歐洲石油標(biāo)準(zhǔn)組織（European Petroleum Standards Group）給它的編號(hào)是EPSG3857，ESRI公司在Arcgis 中給它的編號(hào)為EPSG102100，它們都采用WGS 1984 Web Mercator 輔助球體參考坐標(biāo)系[1，13-14]。

導(dǎo)入PIPESIM 的高程數(shù)據(jù)源有三種，分別是ESRI 高程服務(wù)數(shù)據(jù)、ASTER 高程數(shù)據(jù)和SRTM 高程數(shù)據(jù)（表2）。

GIS 底圖由Arcgis 服務(wù)器與服務(wù)終端相連，供用戶調(diào)用。用戶生成的.shape格式管線和地面設(shè)施文件，疊加到底圖的上層，也需要通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用[1]。

表2 ESRI、ASTER、SRTM三種高程數(shù)據(jù)源指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of three elevation data source indexes of ESRI，ASRET，and SRTM

GIS底圖上的管線信息可以手動(dòng)添加，也可以自動(dòng)添加，指定管段長度和高程提取點(diǎn)數(shù)，就可以自動(dòng)捕獲管線高程。目前，PIPESIM 2017允許提取的最多高程點(diǎn)數(shù)為1 000 個(gè)[1]。GIS 底圖捕獲的A CPF 到PS 8 in 管線高程變化見圖4，GIS 底圖捕獲的PS到K CPF 16 in管線高程變化見圖5。

圖4 GIS底圖捕獲的A CPF到PS 8 in管線高程變化Fig.4 Elevation change of pipeline from A CPF to PS 8 captured by GIS base map

圖5 GIS底圖捕獲的PS到K CPF16 in管線高程變化Fig.5 Elevation change of pipeline from PS to K CPF 16 captured by GIS base map

圖6 A CPF到K CPF輸油管線自動(dòng)捕獲管線坐標(biāo)和高程模擬計(jì)算結(jié)果Fig.6 Simulation calculation results of elevation and coordinates automatically captured of pipeline from A CPF to K CPF

在PIPESIM GIS 畫布上建立輸油管線模型，通過捕獲的管線位置坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，快速建模，輸入物性參數(shù)后直接模擬運(yùn)算[15]。A CPF 到K CPF 輸油管線自動(dòng)捕獲管線坐標(biāo)和高程模擬計(jì)算結(jié)果見圖6。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在環(huán)境溫度9.8 ℃、不同的輸油量條件下，采用GoogleEarth高程數(shù)據(jù)和PIPESIM自動(dòng)捕獲高程數(shù)據(jù)，將A CPF起輸壓力模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖7），K CPF進(jìn)站溫度模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖8）。

圖7 A CPF實(shí)際起輸壓力與采用兩種高程數(shù)據(jù)源模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between the actual starting pressure of A CPF and the simulation results with two elevation data sources

PIPESIM 計(jì)算結(jié)果顯示，GIS 自動(dòng)捕獲管線坐標(biāo)和高程，A CPF起輸壓力計(jì)算值與實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均誤差為-9.1%（表3），K CPF 進(jìn)站溫度計(jì)算值與實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)平均誤差也為-9.1%（表4）。

表3 A CPF輸送壓力計(jì)算值與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)誤差對(duì)比Tab.3 Error comparison between calculated value and actual production data of A CPF pressure

表4 K CPF進(jìn)站溫度計(jì)算值與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)誤差對(duì)比Tab.4 Error comparison between the calculated value and actual production data of K CPF arrival temperature

圖8 K CPF實(shí)際進(jìn)站溫度與兩種高程數(shù)據(jù)源模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison between the actual arrival temperature of K CPF and the simulation results with two elevation data sources

5 結(jié)論

（1）在方案規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，在GoogleEarth 上直接繪制管網(wǎng)圖或輸油氣管線圖，可以有效規(guī)避障礙物和不利地形，節(jié)省規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)間及管線測量費(fèi)用。

（2）把GoogleEarth 上生成的管線地理信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入PIPESIM 自帶的GIS 底圖上，在GIS 畫布上自動(dòng)捕獲管線坐標(biāo)點(diǎn)和高程數(shù)據(jù)，相比手動(dòng)輸入管線高程數(shù)據(jù)，大大縮短了建模時(shí)間，也避免了誤輸情況的發(fā)生。

（3）起點(diǎn)輸送壓力、末端進(jìn)站溫度模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差均小于10%，可靠性較高。