油氣管道綜合模擬實驗系統的建設與實踐

＊蔡亮學 徐廣麗 何方舟 廖柯熹

（1.石油與天然氣工程學院西南石油大學 四川 610500 2.油氣消防四川省重點實驗室 四川 610500）

引言

實驗教學是本科教育的關鍵環節，實驗平臺是高水平大學建設的重要載體[1]，可培養學生的工程操作實踐能力。管輸技術是油氣儲運工程的核心領域，故大型環道模擬實驗系統是油氣儲運工程專業的必備綜合性實驗平臺[2]，為《油氣管道輸送》《油氣礦場集輸》等專業核心課程開設本科教學實驗項目，包括多泵站密閉輸送實驗[3]、成品油順序輸送實驗[4]、氣液兩相流實驗、清管實驗、事故工況模擬實驗等，還可在多相流理論、油氣管道工程技術、安全與完整性管理技術方面開展基礎、研究性實驗，是支撐本科教學、研究生開展管道流動實驗研究的基礎條件。西南石油大學在原有管流實驗系統的基礎上，結合油氣儲運領域的新技術與新發展，規劃、設計、建造了一套大型環道模擬實驗裝置[5]，全面提升油氣儲運工程學科的教學、科研水平。圍繞該實驗系統在設計、建設、應用三個階段中的技術問題，梳理實驗平臺的建設經驗與技術措施，為實驗系統后續的升級改造提供參考。

1.油氣管道輸送工況模擬實驗系統的設計

西南石油大學自2001年在成都市建設新校區，而在南充校區原有的油氣管道輸送工況模擬實驗系統并未同步搬遷至成都校區投入使用，按照規劃重新設計建造一套同類實驗裝置。在第一版設計方案中，實驗環道采用φ48mm×3.5mm、總長230m的雙面鍍鋅鐵管，工作壓力1.6MPa，經商討調整為總長1000m的不銹鋼管，并增加180m的可視化管段，此版設計方案包含三泵站密閉輸送流程、清管流程和輸氣流程。工況模擬實驗系統獲批后，結合管輸領域的新技術與新發展，新增了成品油順序輸送流程、氣液兩相流輸送流程、低溫氣液固多相輸送流程，強化對長輸管道各類工況的模擬實驗能力，升級了自動控制系統與數據采集監測系統，提升對實驗裝置的數字化控制水平。

第二版設計方案引入了模塊化建設思想，按功能需求將實驗裝置劃分為5個子系統，包括：（1）多泵站密閉輸送系統，可模擬正輸流程、三泵站流程、水擊工況、越站工況、事故工況（泄漏工況與堵塞工況）；（2）成品油順序輸送系統，可模擬成品油長輸管道順序輸送流程；（3）可視化清管系統，實現清管器的發送、運行、接收，透明有機玻璃管段可為清管器運動狀態提供觀察窗口；（4）氣液兩相流系統，以空氣作為氣相、白油或水作為液相，對氣液兩相流動進行模擬，可實現泡狀流、分層流、段塞流、環狀流等流型的變化；（5）低溫氣液固多相輸送系統，可模擬海底天然氣管道在低溫高壓狀態下的多相混輸流程。各子系統功能相對獨立，互不干擾，可同步開展實驗。

在第二版設計方案的調整中，大量新技術理念得到應用。多泵站密閉輸送系統管道總長超過1800m，工作狀態下管路內的液量高達3.5m3，實驗用液量大，為體現經濟環保性，在三泵站長流程方案的基礎上添加了三泵站短流程方案（圖1），管道總長約500m，可在大幅降低實驗用液量的前提下實施除水擊工況之外的工況模擬實驗。為提升模擬實驗的教學效果，向學生提供形象直觀的實驗觀察窗口，在該系統中設置了5處可視化管段，總長51.8m，涵蓋多泵站密閉輸送系統、清管系統、氣液兩相流系統和低溫氣液固多相輸送系統。

圖1 三泵站密閉輸送系統工藝流程圖

2.油氣管道輸送工況模擬實驗系統的建設

工況模擬實驗系統建設用地60m×22m，占地1320m2，位于西南石油大學北區大型物理模擬實驗基地北側，長軸呈東西方向排布，場地東側為15m×22m辦公用房，裝置的中心控制系統置于其中，其余部分位于西側的彩鋼棚內，裝置的空間布局兼顧使用安全性、操作便捷性、實驗直觀性三方面的要求，俯瞰視角下整體呈U形。按照功能不同，大致劃分為中控區、儲罐區、泵站區、閥組區、環道區共計5個區塊，各區塊的設備設施相對集中布置，便于操作管理。

實驗裝置的中控區采用西門子S300PU子站自控系統，模擬實現就地控制、站場控制兩級操控模式。儲罐區設置6個普通碳鋼材質的儲罐，包括2座2m3的承壓水罐、2座1m3的承壓油罐、2座0.05m3的常壓藥劑罐。泵站區分為3個泵站，其中1#泵站含2臺輸水離心泵、2臺輸油往復泵，2#泵站、3#泵站分別含2臺輸水離心泵，3個泵站內的2臺水泵均可以串聯或并聯連接，單臺泵工作壓力1.2MPa、流量10m3/h。實驗環道總長2000m，在36m×22m的U形空間內往返布設，采用梯形門架按上、中、下三層架設管道。

圖2 油氣管道輸送工況模擬實驗系統

建設過程中多次優化了實驗裝置的空間布局。初期建設方案中，2000m環道呈口形布設在場地四周，由于東側辦公用房整體為臨時性彩鋼房的建設方案未獲得審批，變更為磚混+鋼結構永久性建筑，環道布設空間剔除了辦公用房；基于降低占地面積的原則，將大部分環道調整于地下L形管溝中，地面主要擺放實驗系統的儲罐、泵站、閥組、控制系統等；考慮到實驗裝置本科教學的實用性，地面上、管溝內的管道長度約按1:1再次進行了調整。泵站的6臺水泵在施工圖中采用了臥式離心泵，占地面積大，施工時變更為立式管道離心泵。最終，實現了工況模擬實驗系統的功能分區、操作便捷、兼顧使用安全性與實驗直觀性。

3.油氣管道輸送工況模擬實驗系統的應用

工況模擬實驗系統可為油氣儲運工程專業開出近10項綜合性本科教學實驗項目，對首次接觸此實驗系統的本科生而言，在短短的實驗學時內難以掌握實驗涉及的專業知識。按照西南石油大學油氣儲運工程專業的培養方案，本科生在第1學期的認知實習中參觀此裝置，難以深入，在第6學期使用此裝置開展實驗，時間倉促。工程教育認證的OBE理念[6]以產出為導向，而管輸技術是油氣儲運專業的核心領域，是本科生必須掌握的知識內容，為提升此裝置實踐教學的應用深度，結合目前“勞育實施計劃”的培養要求[7]，將此實驗系統設置為勞動教育實踐基地（圖3），將本科生分組，輪流定期到實驗場地開展衛生清理工作（圖4），并要求繪制實驗系統的工藝流程圖，有效提升了本科生對該實驗系統的理解深度。

圖3 勞動教育實踐基地

圖4 勞動教育現場

此套實驗裝置在系統調試中也出現不足之處。由于水罐材質為普通碳鋼，內壁面腐蝕嚴重，實驗系統啟動時可見管流呈黃褐色，鐵銹頻繁堵塞水泵之前的Y形過濾器，令泵入口管路呈負壓狀態，無法正常工作。初期通過多次拆洗濾網予以應急解決，后期增設過濾功能強大的籃式過濾器解決此問題，遠期計劃換用不銹鋼水罐從根本上解決管壁腐蝕問題。可視化管道為有機玻璃管，實驗時為便于學生觀察，均布置在彩鋼棚的邊緣外側（圖5），光照強烈，在夏季光線可直射部分有機玻璃管，導致有機玻璃管老化嚴重，使用不足2年就出現了有機玻璃管開裂失效問題，目前采用遮光布包裹的方法避免光照老化作用。

圖5 透明管段的老化與更換

4.總結與展望

油氣管道輸送工況模擬實驗系統對管輸領域各技術工況模擬具備良好的多樣性、可靠性與可擴充性，通過實驗裝置的設計與建設，為本科教育實驗教學提供了管輸領域的綜合技術平臺。在應用實踐中，有機結合OBE教育理念與勞動教育要求，通過認知實習、勞動教育、專業課實驗為本科生提供全方位的實踐基地，有效增強了本科生對管輸技術的掌握。

工況模擬實驗系統在設計中充分考慮了管輸新技術的發展，為遠期升級改造以實現對新技術工況的模擬打下基礎。目前已實現的就地控制、站場控制兩級操控模式可升級為“就地控制、站場控制、中心控制”三級控制模式。通過實驗監控系統的編程改造，可完成實驗教學項目的線上操控環境編程，借助網絡為國內院校企業的同類教學或培訓需求提供“互聯網+”實驗教學。此外，智能化管道[8]是管道技術發展的熱點方向，此實驗裝置已具備了基礎的軟硬件條件，自控系統可實現對管流狀態的實時感知與自動控制，已安裝的管流仿真系統可對管流狀態進行模擬預測，結合智能化研究成果進行編程，給出管流狀態調整的技術控制方案，通過監控系統完成管流狀態的調整，實現環道系統運行的自主化感知、預測與控制，為管道智能化領域的科學研究提供實踐平臺。