成品油管道泄漏量測算軟件

吳夢雨， 梁永圖， 何國璽， 李巖松， 謝 成

(1．中國石油大學(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249；2．中國石化銷售有限公司 華南分公司，廣西 南寧 530000)

成品油管道泄漏量測算軟件

吳夢雨1， 梁永圖1， 何國璽1， 李巖松1， 謝 成2

(1．中國石油大學(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249；2．中國石化銷售有限公司 華南分公司，廣西 南寧 530000)

近年來，由于老化、腐蝕穿孔和第三方打孔盜油等原因，管道泄漏事故頻發(fā)。進行管道泄漏量的有效估算，可以為企業(yè)的后續(xù)事故處理、環(huán)境影響評估、危險區(qū)域劃分提供重要依據(jù)。本文將泄漏報警系統(tǒng)與泄漏測算模塊進行集成，基于水熱力耦合瞬變流動模型，開發(fā)了具有在線測算成品油管道泄漏量的軟件。現(xiàn)場應(yīng)用表明，模擬結(jié)果與實際結(jié)果的誤差在5%內(nèi)，軟件測算結(jié)果可信，具有工程實際應(yīng)用價值，可以為現(xiàn)場工作人員提供一定的技術(shù)支持和參考依據(jù)。

成品油管道； 泄漏量； 測算軟件

由于老化、腐蝕穿孔和第三方打孔盜油等原因，各類管道泄漏事故頻發(fā)。2013年11月27日滬昆高鐵一施工塔吊發(fā)生倒塌，造成中石化西南成品油輸油管道貴陽至安順段破損，造成汽油外泄，約2 000 t汽油泄漏，事故中有3人受傷。2014年6月30日中石油新大一線輸油管線加氣站配電工程實施水平定向鉆施工使得輸油管線被鉆漏，導(dǎo)致原油泄漏。目前，國內(nèi)外管道泄漏相關(guān)研究主要集中在泄漏位置的定位及事故評價，氣體管道的泄漏及其擴散[1-6]。通過建立模型進行數(shù)值模擬以及建立相應(yīng)的實驗裝置來研究氣體及液體泄漏規(guī)律[7-11]，少有研究成品油管道泄漏量測算的相關(guān)文獻[12-13]。此外，也未見有文獻針對成品油管道泄漏量計算的相關(guān)軟件的報道[14-17]，因此對成品油管道泄漏過程進行詳細分析并開發(fā)出具有一定精度的測算軟件有一定現(xiàn)實意義。

本文開發(fā)的“成品油管道泄漏量測算軟件”，可計算事故狀態(tài)下產(chǎn)生的泄漏量并對泄漏過程進行分析，提高應(yīng)急響應(yīng)的針對性和準確性。目前已實現(xiàn)對整個泄漏過程進行在線和離線模擬計算。

1 軟件的理論依據(jù)和算法

成品油管道的穩(wěn)定運行狀態(tài)是管內(nèi)油品的水熱力參數(shù)和外界環(huán)境參數(shù)均達到相對恒定的狀態(tài)。批次順序輸送是一個慢瞬變過程，泄漏發(fā)生后，管道由穩(wěn)定運行狀態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生的負壓波向管道兩端傳遞，因管道沿線摩阻的存在，產(chǎn)生的壓力波逐漸衰減，最后完全消失，達到新的穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)泄漏后，將采取關(guān)閉泄漏點所在管段兩端閥門以及停運相關(guān)泵機組等相應(yīng)措施，此時管道內(nèi)將發(fā)生復(fù)雜的瞬變流動現(xiàn)象，泄漏點的泄漏流量也隨之有規(guī)律地變化。上述過程持續(xù)一段時間之后，又將達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時油品的泄漏主要與泄漏管段地形及泄漏點位置相關(guān)。

泄漏發(fā)生后即以泄漏點為擾動源向兩端發(fā)射壓力波。泄漏后對全線管道運行參數(shù)的影響是，上下游壓力均降低，上游流量增大，下游流量減小。為保證能夠得到現(xiàn)場泄漏過程中泄漏管段兩端壓力(作為邊界條件)，選擇上、下游泵站間的管道作為計算的基本單元。

建立如圖1所示通用泄漏模型。為保證模型的通用性，同時考慮到成品油順序輸送水熱力耦合，數(shù)值模擬需基于特定的邊界條件，泄漏管段中包含的物理單元有閥門、變徑點、混油界面、泄漏點、上游泵出口和下游泵入口。

圖1 通用泄漏模型

Fig.1 General leakage model

泄漏過程的數(shù)學描述較為復(fù)雜，涉及管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及相關(guān)邊界條件和初始條件。對于該耦合問題，做如下假設(shè)：(1)不考慮混油，假設(shè)不同油品接觸面為一截面；(2)不考慮泄漏點外界環(huán)境壓力對泄漏的影響；(3)不考慮油品經(jīng)過閥門、變徑點等引起的溫度變化?；谝陨霞僭O(shè)，可得描述管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。

目前較為常用的兩種網(wǎng)格劃分方法為各管段統(tǒng)一時步法和非統(tǒng)一時步法。對于復(fù)雜管道，一般采用各管段統(tǒng)一時步法進行計算。模型采用各管段統(tǒng)一時步法對網(wǎng)格進行劃分。

采用特征線法結(jié)合有限差分求解水熱力耦合瞬變流動問題，并對算法的穩(wěn)定性和計算精度進行檢驗。根據(jù)特征方程一般形式，利用特征線法，建立描述管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程特征方程。將特征方程離散化后，可求出內(nèi)部節(jié)點的流量、壓頭和溫度。對成品油管道順序輸送進行水熱力耦合模擬時，采用間距內(nèi)插方法。

2 軟件的結(jié)構(gòu)與功能

為估算事故狀態(tài)下產(chǎn)生的油品泄漏量以及分析泄漏過程，提高應(yīng)急響應(yīng)的針對性和準確性，開發(fā)了管道泄漏量測算功能模塊，并與泄漏報警系統(tǒng)集成，泄漏報警出現(xiàn)后，自動計算管道泄漏量。該功能模塊集成到中石化銷售公司智能化管線系統(tǒng)中。

在線泄漏量測算模塊由本地服務(wù)器部署油品泄漏測算模塊，通過網(wǎng)頁的形式獲取泄漏報警系統(tǒng)的泄漏點信息，完成實時數(shù)據(jù)庫的連接，并將計算結(jié)果傳遞給GIS系統(tǒng)。泄漏報警系統(tǒng)與泄漏測算模塊進行了集成，泄漏事件產(chǎn)生的泄漏點位置信息和泄漏發(fā)生時刻可以作為泄漏量評估所需的參數(shù)傳遞給泄漏測算模塊。

系統(tǒng)目前已實現(xiàn)對整個泄漏過程進行在線和離線模擬計算。

在線泄漏估算根據(jù)從ASPEN實時數(shù)據(jù)庫中采集管段運行參數(shù)和用戶輸入的泄漏位置與發(fā)生時間，自動計算測算時長內(nèi)的泄漏累積量。系統(tǒng)從實時數(shù)據(jù)庫獲取測算時長內(nèi)的泄漏點上下游站場的溫壓流量和管段地溫，在線泄漏測算模塊從智能化管線系統(tǒng)中獲取管段基礎(chǔ)參數(shù)和油品物性參數(shù)。泄漏點計算結(jié)果包括：預(yù)測泄漏孔徑大小、最大泄漏時間、不同時刻管道沿線的壓力、溫度及流量、泄漏點壓力、流量及溫度隨時間變化趨勢、不同階段的泄漏速度以及累計泄漏量隨時間變化和最大泄漏量。

若需在事故發(fā)生后進行事故評估，用戶也可以采用離線泄漏估算。用戶將相關(guān)參數(shù)輸入到EXCEL表格中，系統(tǒng)根據(jù)離線參數(shù)進行計算。用戶需下載相應(yīng)的計算模板，將計算所需參數(shù)導(dǎo)入模板中，在網(wǎng)頁上傳數(shù)據(jù)模板，點擊計算按鈕就可以完成計算。結(jié)果的顯示和在線的模擬計算類似。

在線泄漏測算模塊和離線泄漏測算模塊共用系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)，調(diào)取不同模塊的數(shù)據(jù)進行計算，如圖2所示。在線泄漏測算模塊需要從泄漏報警系統(tǒng)中讀取泄漏發(fā)生時間、泄漏點位置，從實時在線數(shù)據(jù)庫中調(diào)取上下游壓力等工況數(shù)據(jù)，加上系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(管道基礎(chǔ)參數(shù)和油品物性參數(shù)等)，進行在線的泄漏量測算。離線測算模塊則需要通過數(shù)據(jù)模板導(dǎo)入泄漏相關(guān)工況參數(shù)和泄漏點位置等歷史參數(shù)，主要用于泄漏事故事后的測算。

圖2 在線及離線泄漏量測算示意圖

3 軟件應(yīng)用實例

3.1 軟件算法可靠性驗證

軟件基于瞬變流動的機理，將描述管道內(nèi)瞬變流動的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程與穩(wěn)定管流的泄漏流量方程聯(lián)立，建立管道泄漏的水熱力耦合瞬變流動模型，并采用特征線法和有限差分相結(jié)合的算法，求解耦合模型。水熱力瞬變計算結(jié)果的準確性是軟件應(yīng)用于現(xiàn)場泄漏量測算的前提條件，本文將水熱力瞬態(tài)計算權(quán)威軟件SPS瞬態(tài)模擬結(jié)果與泄漏量測算軟件計算結(jié)果對比，驗證軟件水熱力耦合瞬態(tài)流動求解算法的準確性。

SPS無法直接建立管道與外界環(huán)境通過小孔連通的模型，但管道分輸與小孔泄漏引起管道壓力與流量的變化趨勢相似。因此，本文通過SPS設(shè)置一個定壓力分輸工況，然后通過SPS模擬泄漏過程中上下游壓力變化數(shù)據(jù)，驗證泄漏量測算軟件瞬態(tài)計算的準確性。

SPS分輸模擬中模型參數(shù)及邊界條件設(shè)定如圖3所示。其中Initial Station表示模擬管道的首站， Pipe_2及Pipe_5表示首站至模擬泄漏點之間的管段，B_2，B_3為閥門，Node 2為定壓力分輸點，即模擬泄漏點。Terminal Station表示模擬管道的末站，Pipe_3及Pipe_4表示末站至模擬泄漏點之間的管段。由閥門B_1控制分輸操作的進行。建模相關(guān)參數(shù)和邊界條件列于表1。

圖3 SPS軟件建模示意圖

參數(shù)取值參數(shù)取值管道長度/km215．404管道起點溫度/℃26．261管道直徑/mm457管道終點溫度/℃22．904壁厚/mm8．7沿線地溫/℃21．904管道流量/(m3·h-1)735．448油品密度/(kg·m-3)830管道起點壓力/MPa8．676油品運動黏度/(mm2·s-1)5．2管道終點壓力/MPa1．539

SPS計算模擬結(jié)果如圖4所示。在10 min后開始模擬分輸，由模擬的結(jié)果可知，分輸流量為30.924 m3/h，分輸時長為1 444 s，分輸量為12.413 m3。將壓力流量等數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件離線預(yù)測的數(shù)據(jù)模塊中，成品油管道泄漏量測算模型計算部分結(jié)果如圖5所示。

圖4 SPS模擬計算結(jié)果

Fig.4 The simulating result given by software SPS

圖5 管道泄漏量測算模型計算結(jié)果

Fig.5 The simulating result of transient and accumulatedleakage volume given by the model

泄漏量測算模型在1 444 s的測算時間內(nèi)計算的分輸量為12.384 m3。管道泄漏量測算模型與SPS計算結(jié)果對比如圖6所示。由圖6可以看到， SPS的模擬結(jié)果的最終相對誤差為0.235 2%，泄漏過程中最大誤差不超過0.8%，對比結(jié)果驗證了軟件水熱力耦合瞬變流動的算法可靠性。

3.2 軟件實用性驗證

為驗證模型的實用性及可靠性，選取了國內(nèi)某成品油管道的其中一個管段進行現(xiàn)場實驗，以模擬泄漏事故。該管段包含首站A，中間站B及末站C，其中中間站B具有排污短管，用于排放管內(nèi)累積的污油?，F(xiàn)場實驗通過該排污短管進行污油泄放，以此模擬管道泄漏的過程。

圖6 管道泄漏量測算模型與SPS計算結(jié)果對比

Fig.6 The comparison of calculating results of accumulatedleakage volume given by the model and software SPS

該管段長82.60 km，泄漏點距離首站A 處30.90 km。沿線地形如圖7所示。

圖7 實驗管段縱斷面圖

Fig.7 Profile diagram of experimental pipeline

實驗管道及管內(nèi)油品(0#柴油)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 實驗管段管線和油品參數(shù)

由現(xiàn)場實驗測得管內(nèi)背壓為20 kPa。本次泄漏現(xiàn)場實驗測試時間為1 200 s。現(xiàn)場實驗由SCADA測得壓力及流量數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 上下游壓力和流量變化

模型計算的等效泄漏小孔孔徑為12.8 mm，計算時間內(nèi)累積泄漏量為3.388 m3。泄漏開始后瞬時泄漏速度結(jié)果如圖9所示。

圖9 瞬時泄漏速度計算結(jié)果

Fig.9 Result of calculated transient oil spill volume

表3列出部分累積泄漏量變化?，F(xiàn)場的實驗結(jié)果測得累積泄漏量為3.530 m3，而軟件測算累積泄

漏量為3.388 m3，相對誤差4.02%，對現(xiàn)場實踐具有一定的指導(dǎo)意義。

表3 部分累積泄漏量計算結(jié)果

4 結(jié)論

成品油管道泄漏量測算軟件基于成品油管道輸送工藝和管道瞬變流動，考慮實際管道運行過程中可能存在的多種邊界條件，開發(fā)了成品油管道泄漏量測算軟件。軟件對非穩(wěn)態(tài)泄漏過程進行了數(shù)值模擬研究，得出了泄漏點孔徑預(yù)測的方法和泄漏量估算的方法，并編寫了具有良好穩(wěn)定性和較高準確性的計算程序，最終集成于智能化管線管理系統(tǒng)。軟件具有一定的通用性，可以為成品油管道泄漏事故評估提供重要的參考依據(jù)。同時可以將每次評估測算結(jié)果予以保存，為現(xiàn)場的實踐帶來一定的指導(dǎo)作用。通過實例驗證，證明軟件具有一定的準確性及可靠性，能夠為管線的安全運行提供強有力的保障。

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(編輯 王亞新)

Leakage Volume Calculating Software for Products Pipeline

Wu Mengyu1, Liang Yongtu1， He Guoxi1， Li Yansong1， Xie Cheng2

(1.BeijingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasTransportationTechnology,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249,China; 2SinopecSalesCo.,Ltd.SouthChinaBranch，NanningGuangxi530000,China)

In recent years, a series of pipeline leakage accidents frequently occur due to aging, corrosion and man-made damage. At present, most of related software focuses on the qualitative accidental assessment and localization of the leaking point while the study correlated with practical calculation of leakage volume is rare. An efficient quantitative calculation of the volume of leakage is essential to provide guidance for subsequent accidental management, environmental evaluation and division of the hazardous area. Connected with the alarm system and the online calculation module, a software with the function of online and offline calculation is developed on the basis of transient flow model coupled with hydraulic and thermal factors. A real case study is presented to demonstrate the relative error which is less than 5% and the results prove that it is of practical value and able to offer reference and guidance for engineers.

Products pipeline; Leakage volume; Calculating software

2016-09-10

2016-09-28

國家自然科學基金項目(51474228)； 北京市科學研究與研究生培養(yǎng)共建項目科研項目(ZX20150440);中國石化銷售有限公司華南分公司項目(HX20150190)。

吳夢雨(1991-)，男，碩士研究生，從事長輸油氣管道與油氣田集輸相關(guān)技術(shù)研究；E-mail：1538903313@qq.com。

梁永圖(1971-)，男，博士，教授，從事長輸油氣管道與油氣田集輸相關(guān)技術(shù)研究；E-mail：liangyt21st@163.com。

1006-396X(2017)02-0071-06

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE863

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.02.013