CN113901628B - 用于热油管道仿真的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于热油管道仿真的方法，属于管道仿真技术领域。该方法包括：将热油管道划分为多个管段；建立热油管道的热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型；获取多个实际工况下热油管道的参数，热油管道的参数包括热油管道的体积流量、起点压力、终点压力、起点温度和终点温度；基于热油管道的参数、热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算得到各管道最优的热力参数和水力参数；根据计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，仿真热油管道的运行状态。本公开提供的方法通过将热油管道划分为多段，并结合多个实际工况的参数，可以使得仿真中热油管道中热力参数和水力参数普适性较高。

Description

用于热油管道仿真的方法

技术领域

本公开属于管道仿真技术领域，特别涉及一种用于热油管道仿真的方法。

背景技术

仿真是热油管道中投产计算、方案编制、优化运行等业务的核心技术。

为了提高仿真的效果，需要对热油管道的水力参数和热力参数进行校核。相关技术中，研究人员采用整体的水力参数和热力参数来仿真热油管道的一个运行工况，然后通过与具体测量参数进行对比，来校核整体的水力参数和热力参数，以使得热油管道的仿真结果与真实运行情况相一致，从而实现热油管道的水力参数和热力参数的校核，进而可以为后续仿真提供更为准确的数据。

然而，上述仿真中热油管道的水力参数和热力参数普适性较差，无法适用于不同的工况。

发明内容

本公开实施例提供了一种用于热油管道仿真的方法，通过将热油管道划分为多段，并结合多个实际工况的参数，可以使得校核的热油管道中热力参数和水力参数普适性较高。技术方案如下：

本公开实施例提供了一种用于热油管道仿真的方法，所述方法包括：

将热油管道划分为多个管段；

建立所述热油管道的热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型；

获取多个实际工况下所述热油管道的参数，所述热油管道的参数包括所述热油管道的体积流量、起点压力、终点压力、起点温度和终点温度；

基于所述热油管道的参数、所述热力仿真模型、所述水力仿真模型和所述误差修正模型，计算得到各所述管道最优的热力参数和水力参数；

根据计算得到各所述管道最优的热力参数和水力参数，仿真所述热油管道的运行状态。

可选地，所述热力仿真模型为：

其中，L为距所述热油管道起点的距离，m；T_L为所述热油管道L处位置的油温，℃；T₀为所述热油管道周围介质的温度，℃；T_R为所述热油管道的起点温度，℃；e为常数；K_t为各所述管段的热力参数，W/(m²·℃)；n为所述管段的数量；D为所述热油管道的外径，m；G为所述热油管道中油品的质量流量，kg/s；c为所述热油管道中油品的比热容；g为重力加速度，m/s²；i为单位摩阻。

可选地，所述水力仿真模型为：

其中，L为距所述热油管道起点的距离，m；P_L为所述热油管道L处位置与所述热油管道起点之间的压强差，KPa；ρ为所述热油管道中油品的密度，kg/m³；β_t为各所述管段的水力参数；n为所述管段的数量；υ为所述热油管道中油品的粘度，m²/s；Q为所述热油管道中油品的体积流量，m³/s；m为常数；d为所述热油管道的内径，m；(Z_z-Z_Q)为所述热油管道的终点与起点的高程差，m。

可选地，所述单位摩阻通过以下方程求算：

其中，i为单位摩阻；β_t为各所述管段的水力参数；n为所述管段的数量；υ为所述热油管道中油品的粘度，m²/s；Q为所述热油管道中油品的体积流量，m³/s；m为常数；d为所述热油管道的内径，m。

可选地，所述误差修正模型为：

其中，s为最小误差；P_L为所述热油管道L处位置的压强，KPa；T_L为所述热油管道L处位置的油温，℃；P_real为所述热油管道L处位置的真实压强，KPa；T_real为所述热油管道L处位置的真实油温，℃；m为所述热油管道的实际工况数量；n为所述管道的数量。

可选地，所述获取多个实际工况下所述热油管道的参数，包括：

调整所述热油管道的工艺参数，确定多个实际工况下所述热油管道的参数。

可选地，所述热油管道的工艺参数包括：

所述热油管道中油品种类、所述热油管道中油品的体积流量、所述热油管道中油品的体积流量、所述热油管道的内径或所述热油管道的终点与起点的高程差。

可选地，所述确定多个实际工况下所述热油管道的参数，包括：

根据数据采集和监视系统，获取多个实际工况下所述热油管道的参数。

可选地，所述将热油管道划分为多个管段，包括：

测量所述热油管道的总长度；

基于所述热油管道的总长度，将所述热油管道划分为多个等长的所述管段，且所述管段的数量不小于50个。

可选地，所述计算得到各所述管道最优的热力参数和水力参数，包括：

通过模拟退火法、内点罚函数法、模式搜索法或序列二次规划法中的至少一种，计算各所述管道最优的热力参数和水力参数。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

对于本公开实施例提供的用于热油管道仿真的方法，首先，将热油管道划分为多个管段，从而可以通过多段管段来模拟该热油管道，可以有效减小热力参数和水力的参数的误差。然后，建立热油管道的热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，从而不仅可以通过热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算出热油管道中热力参数和水力参数的最小误差，还便于后续将热力参数、水力参数及热油管道的参数结合在一起，进而便于迭代计算。

接着，获取多个实际工况下热油管道的参数，热油管道的参数包括热油管道的体积流量、起点压力、终点压力、起点温度和终点温度，从而可以结合多种实际运行实际工况下的热油管道的参数，来校核热力参数和水力参数，增大各管段的热力参数和水力参数的普适性。再接着，基于热油管道的参数、热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，即可以迭代计算出各管道最优的热力参数和水力参数。最后，根据计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，仿真热油管道的运行状态，也就可以最终实现对该热油管道的仿真，从而模拟出热油管道的运行状态。

也就是说，本公开提供的用于热油管道仿真的方法，通过将热油管道划分为多段，并结合多个实际工况的参数，以及利用热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，可以得到热油管道最优的热力参数和水力参数，使得仿真普适性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种用于热油管道仿真的方法流程图；

图2是本公开实施例提供的另一种用于热油管道仿真的方法流程图；

图3是本公开实施例提供的热油管道的划分示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

图1是本公开实施例提供的一种用于热油管道仿真的方法流程图，如图1所示，该方法包括：

S101、将热油管道划分为多个管段。

S102、建立热油管道的热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型。

S103、获取多个实际工况下热油管道的参数。

步骤S103中，热油管道的参数包括热油管道的体积流量、起点压力、终点压力、起点温度和终点温度。

S104、基于热油管道的参数、热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算得到各管道最优的热力参数和水力参数。

S105、根据计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，仿真热油管道的运行状态。

对于本公开实施例提供的用于热油管道仿真的方法，首先，将热油管道划分为多个管段，从而可以通过多段管段来模拟该热油管道，可以有效减小热力参数和水力的参数的误差。然后，建立热油管道的热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，从而不仅可以通过热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算出热油管道中热力参数和水力参数的最小误差，还便于后续将热力参数、水力参数及热油管道的参数结合在一起，进而便于迭代计算。

接着，获取多个实际工况下热油管道的参数，热油管道的参数包括热油管道的体积流量、起点压力、终点压力、起点温度和终点温度，从而可以结合多种实际运行实际工况下的热油管道的参数，来校核热力参数和水力参数，增大各管段的热力参数和水力参数的普适性。再接着，基于热油管道的参数、热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，即可以迭代计算出各管道最优的热力参数和水力参数。最后，根据计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，仿真热油管道的运行状态，也就可以最终实现对该热油管道的仿真，从而模拟出热油管道的运行状态。

也就是说，本公开提供的用于热油管道仿真的方法，通过将热油管道划分为多段，并结合多个实际工况的参数，以及利用热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，可以得到热油管道最优的热力参数和水力参数，使得仿真普适性较高。

另外，本公开提供的方法大大降低仿真中热力参数和水力参数校核的人工和时间成本，并显著提高各实际工况下的热油管道仿真精度，使其更好地为实际生产服务。

需要说明的是，本公开提供的方法不仅可以同时校核热油管道的热力参数和水力参数，还可以同时确定最优的热力参数和水力参数，从而便于后续仿真来模拟热油管道的运行情况。

图2是本公开实施例提供的另一种用于热油管道仿真的方法流程图，如图2所示，该方法包括：

S201、测量热油管道的总长度。

在上述实施方式中，通过测量热油管道的总长度，便于后续划分。

S202、基于热油管道的总长度，将热油管道划分为多个等长的管段。

步骤S202中，管段的数量不小于50个。

需要说明的是，热油管道划分的管段数量越多，热力参数和水力参数校核的精度也就越高，但如果热油管道划分的管段数量过多，会增大计算量。因此，在本实施例中，管道的划分数量可以为50-100个。

图3是本公开实施例提供的热油管道的划分示意图，如图3所示，将热油管道划分为多个管段，且各管段的起点及终点分别对应热油管道的不同高程及里程。

S203、建立热油管道的热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型。

其中，热力仿真模型为：

其中，L为距热油管道起点的距离，m；T_L为热油管道L处位置的油温，℃；T₀为热油管道周围介质的温度，℃；T_R为热油管道的起点温度，℃；e为常数；K_t为各管段的热力参数，W/(m²·℃)；n为管段的数量；D为热油管道的外径，m；G为热油管道中油品的质量流量，kg/s；c为热油管道中油品的比热容；g为重力加速度，m/s²；i为单位摩阻。

需要说明的是，距热油管道起点的距离L、周围介质的温度T₀、外径D、油品的质量流量G均为测量值。

其中，水力仿真模型为：

其中，L为距热油管道起点的距离，m；P_L为热油管道L处位置与热油管道起点之间的压强差，KPa；ρ为热油管道中油品的密度，kg/m³；β_t为各管段的水力参数；n为管段的数量；υ为热油管道中油品的粘度，m²/s；Q为热油管道中油品的体积流量，m³/s；m为常数；d为热油管道的内径，m；(Z_z-Z_Q)为热油管道的终点与起点的高程差，m。

需要说明的是，距热油管道起点的距离L、油品的密度ρ、粘度υ、体积流量Q、热油管道的内径d和热油管道的终点与起点的高程差(Z_z-Z_Q)均为测量值。

其中，单位摩阻通过以下方程求算：

其中，i为单位摩阻；β_t为各管段的水力参数；n为管段的数量；υ为热油管道中油品的粘度，m²/s；Q为热油管道中油品的体积流量，m³/s；m为常数；d为热油管道的内径，m。

需要说明的是，油品的粘度υ、体积流量Q和热油管道的内径d均为测量值。

其中，误差修正模型为：

其中，s为最小误差；P_L为热油管道L处位置的压强，KPa；T_L为热油管道L处位置的油温，℃；P_real为热油管道L处位置的真实压强，KPa；T_real为热油管道L处位置的真实油温，℃；m为热油管道的实际工况数量；n为管道的数量。

需要说明的是，热油管道L处位置的真实压强P_real和真实油温T_real均通过测量获取，热油管道L处位置的压强P_L和温度TL通过公式(1)-(3)计算出来。

在本实施例，误差修正模型还包括：

K_t∈(K^min，K^max)； (5)

β_t∈(β^min，β^max)； (6)

其中，Kt为各管段的热力参数，W/(m²·℃)，β_t为各管段的水力参数，K^min热力参数经验最小值，K^max为热力参数经验最大值。β^min为水力参数经验最小值，β^max为水力参数经验最大值。

在上述实施方式中，通过公式(5)和(6)可以对K_t和β_t的取值范围进行限制，从而大大提高了迭代计算的效率。

S204、调整热油管道的工艺参数，确定多个实际工况下热油管道的参数。

步骤S204中，热油管道的参数包括热油管道的体积流量、起点压力、终点压力、起点温度和终点温度。

可选地，热油管道的工艺参数包括：

热油管道中油品种类、热油管道中油品的体积流量、热油管道中油品的体积流量、热油管道的内径或热油管道的终点与起点的高程差。

在上述实施方式中，通过调节热油管道中油品种类、热油管道中油品的体积流量、热油管道中油品的体积流量、热油管道的内径或热油管道的终点与起点的高程差，可以有效模拟不同的实际工况，从而可以将不同的实际工况结合至误差修正模型，以使得校核更加准确，且具有更好的普适性。

可选地，确定多个实际工况下热油管道的参数，包括：

根据数据采集和监视系统，获取多个实际工况下热油管道的参数。

在上述实施方式中，通过数据采集和监视系统，可以快速获取实际工况下热油管道的参数，避免了频繁测量，大大节省了人力。

需要说明的是，数据采集和监视系统是一种数据监测系统，可以实现对流量计、压力变送器和温度变送器的监测，从而实现对相关数据的获取。

需要说明的是，一种热油管道的工艺参数对应一种实际工况下的热油管道的参数，从而通过调整热油管道的工艺参数，来获取多个实际工况下热油管道的参数。

S205、基于热油管道的参数、热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算得到各管道最优的热力参数和水力参数。

可选地，计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，包括：

通过模拟退火法、内点罚函数法、模式搜索法或序列二次规划法中的至少一种，计算各管道最优的热力参数和水力参数。

在上述实施方式中，模拟退火法、内点罚函数法、模式搜索法或序列二次规划法等四种方法均能快速计算出最小误差，有效降低校核时间。

需要说明的是，模拟退火法、内点罚函数法、模式搜索法或序列二次规划法等四种方法中，序列二次规划法效率最高，迭代计算的速度最快。

S206、根据计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，仿真热油管道的运行状态。

对于本公开实施例提供的用于热油管道仿真的方法，首先，将热油管道划分为多个管段，从而可以通过多段管段来模拟该热油管道，可以有效减小热力参数和水力的参数的误差。然后，建立热油管道的热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，从而不仅可以通过热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算出热油管道中热力参数和水力参数的最小误差，还便于后续将热力参数、水力参数及热油管道的参数结合在一起，进而便于迭代计算。

接着，获取多个实际工况下热油管道的参数，热油管道的参数包括热油管道的体积流量、起点压力、终点压力、起点温度和终点温度，从而可以结合多种实际运行实际工况下的热油管道的参数，来校核热力参数和水力参数，增大各管段的热力参数和水力参数的普适性。再接着，基于热油管道的参数、热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，即可以迭代计算出各管道最优的热力参数和水力参数。最后，根据计算得到各管道最优的热力参数和水力参数，仿真热油管道的运行状态，也就可以最终实现对该热油管道的仿真，从而模拟出热油管道的运行状态。

也就是说，本公开提供的用于热油管道仿真的方法，通过将热油管道划分为多段，并结合多个实际工况的参数，以及利用热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型，可以得到热油管道最优的热力参数和水力参数，使得仿真普适性较高。

以下结合具体实施例对传统仿真方法和本公开提供的仿真方法对仿真误差进行对比说明：

1、传统仿真方法：

以一条实际热油管道为例(管长69km)，10组方案中采用传统整体校核方法得到的不同工况下热油管道的水力参数和热力参数如表1所示。

表1不同工况下热油管道的水力参数和热力参数

工况	水力系数	热力系数
			1	0.02458	1.22
2	0.0191	1.63
			3	0.0293	1.13
4	0.0312	1.05
			5	0.0153	1.44
6	0.0325	1.01
			7	0.0276	0.92
8	0.0267	0.99
			9	0.0198	1.68
10	0.0195	1.13

由表1可知，热油管道的水力参数最大值为0.0325，热油管道的水力参数最小值为0.0153，最大最小值之比为2.12，平均值为0.025。

热油管道的热力系数最大值为1.68，热油管道的热力系数最小值为0.92，热油管道的最大最小值之比为1.83，平均值为1.22。

采用上述传统校核方法，即水力参数和热力参数的平均值进行水力热力计算，则10个方案热油管道的水力参数计算平均误差为3.2％，热油管道的热力参数计算平均误差为2.8％，不能很好的满足实际的生产需求。

2、本公开提供的仿真方法：

取了10组不同月份的实际运行工况，对本公开中的方法进行了测试。

采用本公开提供的方法，将热油管道按照1km的步长进行分割，将原热油管道分割成了69段。最终利用公式(1)-(6)，同时利用10个实际运行方案进行校核，得到每一个小管段的水力系数和热力系数。

通过校核，10个方案的热油管道的水力参数最大值为0.016，热油管道的水力参数最小值为0.002，计算平均误差为0.95％。

热油管道的水力参数最大值为0.003，热油管道的水力参数最小值为0.0004，计算平均误差为0.19％。

在处理器为i7-3370，内存为4G的计算能力下，算法采用了序列二次规划法，计算时间为2.1秒，在极大的提高校核速度的基础上又显著的提高了校核效果。另外，由于引入了10组不同的工况，使得本方法获取的热油管道中热力参数和水力参数的可以适应多种工况。

3、仿真实验

根据上述计算得到的热力参数和水力参数来对该热油管道进行仿真实验，仿真结果如表2所示：

表2不同工况下热油管道的仿真实验

由上述数据可知，通过SPS软件(stoner pipeline simulator，石油天然气长输管道模拟计算软件)和校核后的热油管道的热力参数和水力参数可以精确实现仿真实验，从而模拟出热油管道的运行状态。

以上仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于热油管道仿真的方法，其特征在于，所述方法包括：

将热油管道划分为多个管段；

建立所述热油管道的热力仿真模型、水力仿真模型和误差修正模型；

获取多个实际工况下所述热油管道的参数，所述热油管道的参数包括所述热油管道的体积流量、起点压力、终点压力、起点温度和终点温度；

基于所述热油管道的参数、所述热力仿真模型、所述水力仿真模型和所述误差修正模型，计算得到各所述管道最优的热力参数和水力参数；

根据计算得到各所述管道最优的热力参数和水力参数，仿真所述热油管道的运行状态；

其中，所述热力仿真模型为：

其中，L为距所述热油管道起点的距离，m；T_L为所述热油管道L处位置的油温，℃；T₀为所述热油管道周围介质的温度，℃；T_R为所述热油管道的起点温度，℃；e为常数；K_t为各所述管段的热力参数，W/(m²·℃)；n为所述管段的数量；D为所述热油管道的外径，m；G为所述热油管道中油品的质量流量，kg/s；c为所述热油管道中油品的比热容；g为重力加速度，m/s²；i为单位摩阻；

所述水力仿真模型为：

其中，L为距所述热油管道起点的距离，m；P_L为所述热油管道L处位置与所述热油管道起点之间的压强差，KPa；ρ为所述热油管道中油品的密度，kg/m³；β_t为各所述管段的水力参数；n为所述管段的数量；υ为所述热油管道中油品的粘度，m²/s；Q为所述热油管道中油品的体积流量，m³/s；m为常数；d为所述热油管道的内径，m；(Z_z-Z_Q)为所述热油管道的终点与起点的高程差，m；

所述单位摩阻通过以下方程求算：

其中，i为单位摩阻；β_t为各所述管段的水力参数；n为所述管段的数量；υ为所述热油管道中油品的粘度，m²/s；Q为所述热油管道中油品的体积流量，m³/s；m为常数；d为所述热油管道的内径，m；

所述误差修正模型为：

其中，s为最小误差；P_L为所述热油管道L处位置的压强，KPa；T_L为所述热油管道L处位置的油温，℃；P_real为所述热油管道L处位置的真实压强，KPa；T_real为所述热油管道L处位置的真实油温，℃；m为所述热油管道的实际工况数量；n为所述管道的数量。

2.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，所述获取多个实际工况下所述热油管道的参数，包括：

调整所述热油管道的工艺参数，确定多个实际工况下所述热油管道的参数。

3.根据权利要求2的所述方法，其特征在于，所述工艺参数包括：

所述热油管道中油品种类、所述热油管道中油品的体积流量、所述热油管道中油品的体积流量、所述热油管道的内径或所述热油管道的终点与起点的高程差。

4.根据权利要求2的所述方法，其特征在于，所述确定多个实际工况下所述热油管道的参数，包括：

根据数据采集和监视系统，获取多个实际工况下所述热油管道的参数。

5.根据权利要求1-4任意一项的所述方法，其特征在于，所述将热油管道划分为多个管段，包括：

测量所述热油管道的总长度；

基于所述热油管道的总长度，将所述热油管道划分为多个等长的所述管段，且所述管段的数量不小于50个。

6.根据权利要求1-4任意一项的所述方法，其特征在于，所述计算得到各所述管道最优的热力参数和水力参数，包括：

通过模拟退火法、内点罚函数法、模式搜索法或序列二次规划法中的至少一种，计算各所述管道最优的热力参数和水力参数。

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