CN104318479A - 原油管道运行时临界状态及安全裕量的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原油管道运行时临界状态和安全裕量的确定方法，获取与原油管道输送性能对应的管道参数，其中，所述管道参数包括原油出站温度参数、管外地温参数和总传热系数参数；根据所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数；按照预设次数对所述管道参数的概率分布函数进行取样；根据取样结果，确定所述管道参数中的每一个参数对应的低于临界输量概率；根据所述每一个参数对应的低于临界输量概率，确定每一个参数对应的临界值；根据每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道是否处于临界状态。

Description

原油管道运行时临界状态及安全裕量的确定方法

技术领域

本发明涉及原油管道输送技术领域，具体涉及一种原油管道运行时临界状态及安全裕量的确定方法。

背景技术

现有的管道运行时，由于管道环境条件变化以及管道输送油品流变特性变化等因素(部分影响因素的变动是无法控制的)的变动可能出现输量减少、摩阻反而增大的状况，如果不采取及时的保障措施，管道输送可能会处于不稳定工作状态，极有可能发生管道的初凝甚至凝管事故，所述管道进入不稳定工作区的转折点即为临界状态，准确判定管道运行的临界状态能够有效防止管道运行进入不稳定工作区，进而保障管道运行安全裕量准确、经济、可靠，从而避免凝管带来的损失，并有根据地调整相应参数，提高管道输送的经济效益。

但是，现有判定管道是否处于临界状态的通用做法是依照管道运行最小输量低于不稳定工作区临界输量，并没有考虑其它因素也会对管道运行造成影响，使得通过现有方法获取原油管道运行时临界状态的判定结果的准确性低。

发明内容

本发明提供了一种原油管道运行时临界状态及安全裕量的确定方法，能够更准确地判断出原油管道运行时的临界状态，能够及时的采用相应措施，降低临界状态出现的概率，从而能够降低成本，提高工作效率。

本发明一实施例提供了一种原油管道运行时临界状态的确定方法，包括：获取与原油管道输送性能对应的管道参数，其中，所述管道参数包括原油出站温度参数、管外地温参数和总传热系数参数；根据所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数；按照预设次数对所述管道参数的概率分布函数进行取样；根据取样结果，确定所述管道参数中的每一个参数对应的低于临界输量概率；根据所述每一个参数对应的低于临界输量概率，确定每一个参数对应的临界值；根据每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道是否处于临界状态。

可选的，所述根据所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数，具体包括：根据估计分布方法和所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数。

可选的，所述预设次数为5000次—25000次。

可选的，所述根据取样结果，确定所述管道参数中的每一个参数对应的低于临界输量概率，具体包括：根据所述取样结果，获取每一个参数在N个取值下的低于临界输量概率，其中，N为不小于2的整数，所述N个取值中的每两个取值均不相同。

本申请另一实施例还提供了一种安全裕量的确定方法，包括：获取原油管道的当前运行值；根据所述当前运行值和每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道对应的安全裕量。

本发明的有益效果如下：

由于本申请实施例是根据获取的与原油管道输送性能对应的管道参数，获取与原油管道输送性能对应的管道参数，；根据所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数；按照预设次数对所述管道参数的概率分布函数进行取样；根据取样结果，确定所述管道参数中的每一个参数对应的低于临界输量概率；根据所述每一个参数对应的低于临界输量概率，确定每一个参数对应的临界值；根据每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道是否处于临界状态，由于所述管道参数包括原油出站温度参数、管外地温参数和总传热系数参数，使得本申请能够根据所述管道参数中的每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道是否处于临界状态，使得本申请能够根据影响所述原油管道输送性能的多个参数来确定所述原油管道是否处于临界状态，进而能够更准确地判断出原油管道运行时的临界状态，以及能够及时的采用相应措施，降低临界状态出现的概率，从而能够降低成本，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例中原油管道运行时临界状态的确定方法的流程图；

图2为本发明实施例中热油管道的稳态工作特性的曲线图；

图3本发明实施例中安全裕量的确定方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种原油管道运行时临界状态及安全裕量的确定方法，能够更准确地判断出原油管道运行时的临界状态，能够及时的采用相应措施，降低临界状态出现的概率，从而能够降低成本，提高工作效率。

下面结合附图对本发明实施例技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细地阐述。

本发明一实施例提供了一种原油管道运行时临界状态的确定方法，参见图1，包括以下步骤：

步骤101：获取与原油管道输送性能对应的管道参数，其中，所述管道参数包括原油出站温度参数、管外地温参数和总传热系数参数；

步骤102：根据所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数；

步骤103：按照预设次数对所述管道参数的概率分布函数进行取样；

步骤104：根据取样结果，确定所述管道参数中的每一个参数对应的低于临界输量概率；

步骤105：根据所述每一个参数对应的低于临界输量概率，确定每一个参数对应的临界值；

步骤106：根据每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道是否处于临界状态。

其中，在步骤101中，可以采集并分析所述管道的原油出站温度参数、管外地温参数和总传热系数参数，当然还可以采集所述管道的原油输量、管道压力参数、管外地温参数、空气温度参数、管道埋深度参数和土壤参数等参数，考虑这些因素的不确定性，筛选出异常情况下的数据，其中涉及到的计算参数的自动提取分析可以由软件来完成，如原油输量、原油出站温度、管道压力参数等，并对这些数据的准确性进行校核，以确保准确的获取所述管道参数。

接下来执行步骤102，在该步骤中，根据所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数。

在具体实施过程中，可以所述管道参数中的每一个参数的分布规律，确定每一个参数的概率分布函数，具体可以根据国际标准化(InternationalOrganization for Standardization，简称ISO)油气管道可靠性的极限状态法例如为ISO 16708，分析每一个参数的不确定性的分布规律，建立所述管道参数的概率分布函数。

具体来讲，在建立所述管道参数的概率分布函数时，首先选择概率分布模型，可以基于来自类似问题的经验、物理推理或分析结果、或者对经验数据拟合很好的分布规律，选择概率分布模型；当有大量数据可用时，使用相关方法估计偏度和峰度系数以选择一类合适的模型。

具体的，所述概率分布模型通常可以使用例如描述有界变量分布的beta分布、信息有限时描述抗力变量的对数正态分布、描述线性物理参数和附加独立误差的正态分布、描述诸如电流定向分布等物理现象的均匀分布、描述长期波高和电流值的Weibull分布，其中著名的指数及Rayleigh分布是Weibull分布的特例、Gumbel分布描述总体分布为指数类型的变量的极值等，根据实际情况，从上述概率分布模型中选择一个或多个模型概率分布模型，以此来建立所述管道参数中的每一个参数的概率分布函数。

具体来讲，在有大量数据可用时，可以选择估计分布方法和所述管道参数，以此来建立所述管道参数中的每一个参数的概率分布函数，其中，所述估计分布方法例如可以为图表方法、最小二乘法拟合方法、最大似然估计技术、矩方法和Bayes估计方法中的一种或多种，其中，一个参数的概率分布函数仅对应一个估计分布方法。

具体的，对应于依赖分布类型的线性或非线性优化问题，一般采用最小二乘法拟合方法，通过计算∑(x_i,obs-x_i,model)²的最小值得到分布参数，其中x_i,obs是观察量，而x_i,model是相应分布模型预测结果。

其中，对于复杂的管道运行问题，可以采用矩方法，对于包含n个测量值(x₁，...，x_n)的样本，按下式分别计算均值(μ)，即均值用μ表示，具体可以通过公式(1)计算获取，所述公式(1)具体为：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i$    公式(1)

同样，标准差(σ)可以通过公式(2)计算获取，所述公式(2)具体为：

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^2$    公式(2)

同样，偏度(δ)可以通过公式(3)计算获取，所述公式(3)具体为：

$\mathrm{\δ}=\frac{\frac{n}{(n-1)(n-3)}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^3}{{\mathrm{\σ}}^3}$    公式(3)

同样，峰度(κ)可以通过公式(4)计算获取，所述公式(4)具体为

$\mathrm{\κ}=\frac{\frac{n^2-2n+3}{(n-1)(n-3)(n-3)}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^4}{{\mathrm{\σ}}^4}+\frac{3(n-1)(2n-3)}{n(n-2)(n-3)}$    公式(4)

其中，μ、σ、δ和κ为四种矩估计量。

例如，可以对某管道的3月份的原油出站温度、原油输量、管外地温、结蜡厚度和总传热系数等管道参数进行统计，其中，该管道3月份数据分布规律分析结果具体参见表1。

表1

其中，根据上述统计结果表明原油出站温度、原油输量、管外地温、结蜡厚度和总传热系数都非始终恒定不变，而是在某一数值附近小幅波动，并且基本服从正态分布规律，以原油出站温度为例，其概率分布函数为同理，根据正态分布方法，可以获取原油输量、管外地温、结蜡厚度和总传热系数中的每一个参数的概率分布函数。

具体的，在选择所述概率分布模型之后，还可以通过客观方法或主观判断方法以验证所述概率分布模型的适用性，所述客观方法例如包括Kolmogorov-Smirnov检验方法和χ²检验方法(χ平方检验方法)，其中，当可用数据很少时，所述客观方法容易缺乏剔除候选分布的证据，此时基于概率图表的工程判断通常是首选的方法，将经验和所述概率分布模型画在一张分位数图上或者一张构建为所述概率分布模型能够以直线形式出现的图上，重点验证参数分布的重要部分例如参数分布的左右尾部或中心部分。

接下来执行步骤103，在该步骤中，按照预设次数对所述管道参数的概率分布函数进行取样。

在具体实施过程中，首先设定所述预设次数，据统计，取样次数在15000次～25000次之间对抽样结果影响不大，因此所述预设次数可以设定为15000次～20000次，但是为了降低计算量，可以将所述预设次设定为5000次～14000，本申请不作具体限制。

具体来讲，在设定所述预设次数之后，从所述管道参数中的每一个参数对应的概率分布函数生成的相应数值中随机取样，以所述管道参数为原油出站温度、原油输量和管外地温为例，可以从与原油出站温对应的概率分布函数生成的相应的数值中随机取样，若所述预设次数为20000次，则会随机抽取20000个原油出站温度；从与原油输量对应的概率分布函数生成的相应的数值中随机取样，若所述预设次数为20000次，则会随机抽取20000个原油输量；从与管外地温对应的概率分布函数生成的相应的数值中随机取样，若所述预设次数为20000次，则会随机抽取20000个管外地温。

具体的，为了使得取样与所述管道的生产运行参数相匹配，可以设定每一个参数上下限，例如可以将原油输量上下限为其均值加减3倍方差，原油进出站温度上下限为0℃-90℃，管外地温上下限为-20℃-50℃，管道埋深上下限为0m-2m，总传热系数上下限根据不同管道分别设定，例如总传热系数可以为2W/(m²·℃)-3W/(m²·℃)，从而使得取样获取的数值更准确。

接下来执行步骤104，在该步骤中，根据取样结果，确定所述管道参数中的每一个参数对应的低于临界输量概率。

在具体实施过程中，根据所述取样结果，获取每一个参数在N个取值下的低于临界输量概率，其中，N为不小于2的整数，所述N个取值中的每两个取值均不相同，从而可以获取每一个参数再不同取值下的低于临界输量概率，其中，在获取每一个参数对应的N个取值时，可以以管道运行工况为基础，按阶梯大小在取样上下限范围内遍历波动停输时间、管道输量、出站温度等的平均值。

具体来讲，在获取每一个参数在N个取值下的低于临界输量概率时，以所述管道参数中的第一参数为例，所述第一参数为所述管道参数中的任意一个参数，可以从所述取样结果中获取所述第一参数的取值变化而其它参数的取值不变的N个的样品，然后根据所述N个样品，获取所述第一参数在所述N个取值下的低于临界输量概率，然后将所述第一参数依次取所述管道参数中的其它参数，以此类推分别分析其它参数，从而可以获取每一个参数在所述N个取值下的低于临界输量概率。

具体的，以所述管道参数为原油出站温度、原油输量和管外地温为例，在所述第一参数为原油出站温度时，从所述取样结果中获取原油输量和管外地温的取值不变而原油出站温度的取值变化的3个样品，所述3个样品中每一个样品中的原油输量均为67t/h，以及每一个样品的管外地温均为4.2℃，原油出站温度分别为75.89℃，76.55℃和78.32℃，根据所述3个样品，获取原油出站温度在所述3个取值下的低于临界输量概率。

具体的，在获取每一个参数在所述N个取值下的低于临界输量概率时，可以以管道运行工况为基础，给予一个适当的步长，将所述第一参数的取值范围等分，计算各分界点的低于临界输量概率；对比计算结果，取低于临界输量概率发生急剧变化的取值区间，缩小步长，将该区间按该步长继续等分，计算低于临界输量概率；以此类推，直至将低于临界输量概率发生急剧变化的取值区间缩小至一个点。

具体的，通过数值模拟计算每一个参数的不同取值对应的低于临界输量概率，其中，对于一个给定的极限状态，概率分析包含广义随机载荷S和广义随机抗力R的模型，对应的极限状态函数具体公式(5)所示，所述公式(5)具体为：

g(x)＝R-S   公式(5)

显然，当g(x)<0标志着失效；

定义失效概率如下：

$P_f=\underset{g\left(x\right)\&le;0}{\&Integral;}{f}_x\left(x\right)\mathrm{dx}$    公式(6)

其中，x是随机变量矢量；f_x(x)是联合概率密度函数。

例如，以原油出站温度为例，计算不同停输时间、管道输量、出站温度等参数下对应的低于临界输量概率，不同原油出站温度对应的低于临界输量概率计算结果见表2所示。

表2

接着执行步骤105，在该步骤中，根据所述每一个参数对应的低于临界输量概率，确定每一个参数对应的临界值。

在具体实施过程中，可以检测每一个参数对应的低于临界输量概率是否大于预设临界输量概率；根据所述检测结果，确定每一个参数对应的临界值，其中，所述预设临界输出概率可以为生产要求的低于临界输量概率，也可以根据实际情况进行设备。

具体来讲，可以比较所述第一参数的所述N个取值对应的低于临界输量概率，当所述第一参数的取值为第一数值时，计算出的低于临界输量概率大于生产要求的低于临界输量概率，即判定系统达到极限运行状态，所述第一数值即为所述第一参数的临界值，其中，所述生产要求的低于临界输量概率为所述预设临界输量概率，例如以所述第一参数为原油出站温度为例，在原油出站温度为55℃时，计算出的低于临界输量概率大于生产要求的低于临界输量概率，则可以确定55℃为原油出站温度的临界值；然后将所述第一参数依次取所述管道参数中的其它参数，以此类推分别分析其它参数，从而获取每一个参数对应的临界值。

例如，参见表2，由上述预测计算结果可知，运行输量低于临界输量概率随原油出站温度的增加呈现单调递减趋势，根据低于临界输量概率不高于0.01的安全生产要求，即原油出站温度不得低于77.65℃，即77.65℃为原油出站温度的临界值。

又例如，参见图2，Ⅱ区为热油管道的不稳定工作区；热油管道若在该区内运行，当某些外界因素的影响而使流量减小时，摩阻增大，从而使得流量进一步减小，导致流量降低→摩阻增大→泵排量下降→摩阻进一步增大→泵排量继续减小，最终导致管道停流；Ⅱ、Ⅲ两区的分界输量为临界输量，也是管道正常运行的热油管道的一个允许最小输量；临界流量所对应的管道运行的状态即临界状态，其中，图2中的u为粘温指数。

接下来执行步骤106，在该步骤中，根据每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道是否处于临界状态。

在具体实施过程中，将所述原油管道的实际运行数据与每一个参数对应的临界值进行比较，根据比较结果，确定所述原油管道是否处于临界状态，其中，在所述实际运行数据中存在一个运行数据小于等于与该运行数据对应的临界值时，则确定所述原油管道处于临界状态，当然，还可以进行综合考虑，若所述实际运行数据中存在至少2个以上的运行数据与其对应的临界值的差值不大于一预设阈值，则同样可以确定所述原油管道处于临界状态，其中所述预设阈值可以根据实际来确定，例如可以取1，2等值，当然，所述预设阈值可以根据不同的运行数据取不同的值，例如若所述运行数据为原油出站温度，所述预设阈值取1，若所述运行数据为管外地温，则所述预设阈值取0.4。

例如，若原油管道的实际运行数据为原油出站温度为77.65℃，原油输量为69t/h，以及管外地温为4.4℃，若原油出站温度对应的临界值为77.65℃，由于77.65℃＝77.65℃，则可以确定所述原油管道处于临界状态；若原油出站温度对应的临界值为76.65℃，原油输量对应的临界值为68，若所述预设阈值为1，由于77.65℃-76.65℃＝1，且69-68＝1均不大于所述预设阈值，则可以确定所述原油管道处于临界状态；如此，能够准确的判断所述原油管道是否处于临界状态，进而能够及时的采用相应措施，降低临界状态出现的概率，从而能够降低成本，提高工作效率。

本申请另一实施例还提供了一种安全裕量的确定方法，参见图3，包括：

步骤301：获取原油管道的当前运行值，其中，所述当前运行值包括与所述管道参数中每一个参数对应的运行数据；

步骤302：根据所述当前运行值和每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道对应的安全裕量。

其中，在步骤301中，通过测量工具实时采集所述原油管道的当前运行值，其中，所述当前运行值包括与所述管道参数中每一个参数对应的运行数据，例如可以通过温度计实时测量所述原油管道的原油出站温度和原油进站温度，以及管外地温，以及通过流量计实时获取所述原油管道中的原油输量。

接下来执行步骤302，在该步骤中，根据所述当前运行值和每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道对应的安全裕量。

在具体实施过程中，根据所述运行当前值中的每一个运行当前值与其临界值的差值之和，确定每一个参数对应的安全裕量，其中，每一个当前运行值对应的安全裕量可以通过下述公式(7)获取，具体为：

安全裕量＝当前运行值-临界值   公式(7)

例如，通过测量工具实时采集原油管道在某一时刻的原油出站温度为77.65℃，原油输量为69t/h，以及管外地温为4.4℃，若原油出站温度对应的临界值为78.85℃，原油输量对应的临界值为65，管外地温对应的临界值为4.1，则可以确定原油出站温度对应的安全裕量为78.85℃-77.65℃＝1.2，原油输量对应的安全裕量为69-65＝4，管外地温对应的安全裕量为4.4-4.1＝0.3。

具体来讲，还可以对所述管道参数中的每一个参数进行敏感性分析，比较各参数变化10％、20％等值，获取及其对应的低于临界输量概率的变化幅度，以此确定各参数对流动安全性的贡献值。

具体的，下面以所述管道参数包括原油出站温度，原油输量，管外地温和停输时间为例，获取每一个参数变化10％、20％、0％、-10％和-20％时，获取每一个参数对应的低于临界输量概率的变化幅度，具体参参见下表3。

表3

具体的，在获取每一个参数发生变化时，获取及其对应的低于临界输量概率的变化幅度之后，根据每一个参数变化对应的低于临界输量概率的变化幅度，获取每一个参数变化对应的凝管概率，以所述管道参数包括原油出站温度，原油输量，管外地温和停输时间为例，每一个参数变化对应的凝管概率具体如下表4所示。

表4

其中，对表4中的数据进行对比分析可知，原油出站温度变化对低于临界输量概率对凝管概率的影响最显著，管外地温的变化对低于临界输量概率对凝管概率的影响次之，停输时间的变化对低于临界输量概率对凝管概率的影响较小。

具体的，根据每个运行当前值与其临界值的差距，由公式(7)确定各个影响因素的安全裕量，结果见表5。

表5

其中，根据计算得到的运行临界值及安全裕量，判定原油管道运行时各影响参数的安全性，提出参数调整方案，结果如下该管道3月份出站温度75℃、地温4.3℃、结蜡厚度2.587㎜，由此预测出运行输量低于临界输量的概率为0.0964，不满足运行输量低于临界输量概率小于0.01的安全生产要求，该管道处于低输量运行状态，该管道运行进入不稳定工作区的可能性较大，建议尽量采取措施调整当前输送工艺参数。

通过本发明提出的方法，在流动安全评价计算中，对于所述管道参数中的所述第一参数，使得其它参数的取值保持不变，遍历并调整所述第一参数的参取值，直至系统达到极限运行状态，然后将所述第一参数依次取其它参数，从而得到每一个参数的临界值，根据所述当前运行值和每一个参数对应的临界值，最终计算得到每一个参数的安全裕量，指导原油管道安全运行。

本发明能判定管道运行时是否处于临界状态，从而得到各参数的安全裕量，为流动性安全性评价提供技术支持。本发明能可靠、准确地判定原油管道运行时临界状态，并判定安全裕量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种原油管道运行时临界状态的确定方法，其特征在于，包括：

获取与原油管道输送性能对应的管道参数，其中，所述管道参数包括原油出站温度参数、管外地温参数和总传热系数参数所述管道参数包括原油出站温度参数、管外地温参数和总传热系数参数；

根据所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数；

按照预设次数对所述管道参数的概率分布函数进行取样；

根据取样结果，确定所述管道参数中的每一个参数对应的低于临界输量概率；

根据所述每一个参数对应的低于临界输量概率，确定每一个参数对应的临界值；

根据每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道是否处于临界状态。

2.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数，具体包括：

根据估计分布方法和所述管道参数，确定所述管道参数的概率分布函数。

3.如权利要求2所述的确定方法，其特征在于，所述预设次数为5000次—25000次。

4.如权利要求3所述的确定方法，其特征在于，所述根据取样结果，确定所述管道参数中的每一个参数对应的低于临界输量概率，具体包括：

根据所述取样结果，获取每一个参数在N个取值下的低于临界输量概率，其中，N为不小于2的整数，所述N个取值中的每两个取值均不相同。

5.如权利要求4所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述每一个参数对应的低于临界输量概率，确定每一个参数对应的临界值，具体包括：

检测每一个参数对应的低于临界输量概率是否大于预设临界输量概率；

根据所述检测结果，确定每一个参数对应的临界值。

6.一种如权利要求1～5任一项所述的安全裕量的确定方法，其特征在于，包括：

获取原油管道的当前运行值，其中，所述当前运行值包括与所述管道参数中每一个参数对应的运行数据；

根据所述当前运行值和每一个参数对应的临界值，确定所述原油管道对应的安全裕量。