吳夢(mèng)雨， 梁永圖， 何國(guó)璽， 李巖松， 謝 成

(1．中國(guó)石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2．中國(guó)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(cè)算軟件

吳夢(mèng)雨1， 梁永圖1， 何國(guó)璽1， 李巖松1， 謝 成2

(1．中國(guó)石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2．中國(guó)石化銷售有限公司 華南分公司，廣西 南寧 530000)

近年來(lái)，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(jìn)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(píng)估、危險(xiǎn)區(qū)域劃分提供重要依據(jù)。本文將泄漏報(bào)警系統(tǒng)與泄漏測(cè)算模塊進(jìn)行集成，基于水熱力耦合瞬變流動(dòng)模型，開(kāi)發(fā)了具有在線測(cè)算成品油管道泄漏量的軟件?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的誤差在5%內(nèi)，軟件測(cè)算結(jié)果可信，具有工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以為現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(yáng)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(shí)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(guó)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(píng)價(jià)，氣體管道的泄漏及其擴(kuò)散[1-6]。通過(guò)建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬以及建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)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(cè)算的相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]。此外，也未見(jiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)成品油管道泄漏量計(jì)算的相關(guān)軟件的報(bào)道[14-17]，因此對(duì)成品油管道泄漏過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析并開(kāi)發(fā)出具有一定精度的測(cè)算軟件有一定現(xiàn)實(shí)意義。

本文開(kāi)發(fā)的“成品油管道泄漏量測(cè)算軟件”，可計(jì)算事故狀態(tài)下產(chǎn)生的泄漏量并對(duì)泄漏過(guò)程進(jìn)行分析，提高應(yīng)急響應(yīng)的針對(duì)性和準(zhǔn)確性。目前已實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)泄漏過(guò)程進(jìn)行在線和離線模擬計(jì)算。

1 軟件的理論依據(jù)和算法

成品油管道的穩(wěn)定運(yùn)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(dá)到相對(duì)恒定的狀態(tài)。批次順序輸送是一個(gè)慢瞬變過(guò)程，泄漏發(fā)生后，管道由穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生的負(fù)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(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)泄漏后，將采取關(guān)閉泄漏點(diǎn)所在管段兩端閥門以及停運(yùn)相關(guān)泵機(jī)組等相應(yīng)措施，此時(shí)管道內(nèi)將發(fā)生復(fù)雜的瞬變流動(dòng)現(xiàn)象，泄漏點(diǎn)的泄漏流量也隨之有規(guī)律地變化。上述過(guò)程持續(xù)一段時(shí)間之后，又將達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)油品的泄漏主要與泄漏管段地形及泄漏點(diǎn)位置相關(guān)。

泄漏發(fā)生后即以泄漏點(diǎn)為擾動(dòng)源向兩端發(fā)射壓力波。泄漏后對(duì)全線管道運(yùn)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(chǎng)泄漏過(guò)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(jì)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(shí)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(diǎn)、混油界面、泄漏點(diǎn)、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(guò)程的數(shù)學(xué)描述較為復(fù)雜，涉及管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動(dòng)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(duì)于該耦合問(wèn)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(diǎn)外界環(huán)境壓力對(duì)泄漏的影響；(3)不考慮油品經(jīng)過(guò)閥門、變徑點(diǎn)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(dòng)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(shí)步法和非統(tǒng)一時(shí)步法。對(duì)于復(fù)雜管道，一般采用各管段統(tǒng)一時(shí)步法進(jìn)行計(jì)算。模型采用各管段統(tǒng)一時(shí)步法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)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(dòng)問(wèn)題，并對(duì)算法的穩(wěn)定性和計(jì)算精度進(jìn)行檢驗(yàn)。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(dòng)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(diǎn)的流量、壓頭和溫度。對(duì)成品油管道順序輸送進(jìn)行水熱力耦合模擬時(shí)，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(guò)程，提高應(yīng)急響應(yīng)的針對(duì)性和準(zhǔn)確性，開(kāi)發(fā)了管道泄漏量測(cè)算功能模塊，并與泄漏報(bào)警系統(tǒng)集成，泄漏報(bào)警出現(xiàn)后，自動(dòng)計(jì)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(cè)算模塊由本地服務(wù)器部署油品泄漏測(cè)算模塊，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式獲取泄漏報(bào)警系統(tǒng)的泄漏點(diǎn)信息，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，并將計(jì)算結(jié)果傳遞給GIS系統(tǒng)。泄漏報(bào)警系統(tǒng)與泄漏測(cè)算模塊進(jìn)行了集成，泄漏事件產(chǎn)生的泄漏點(diǎn)位置信息和泄漏發(fā)生時(shí)刻可以作為泄漏量評(píng)估所需的參數(shù)傳遞給泄漏測(cè)算模塊。

系統(tǒng)目前已實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)泄漏過(guò)程進(jìn)行在線和離線模擬計(jì)算。

在線泄漏估算根據(jù)從ASPEN實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中采集管段運(yùn)行參數(shù)和用戶輸入的泄漏位置與發(fā)生時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算測(cè)算時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的泄漏累積量。系統(tǒng)從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取測(cè)算時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的泄漏點(diǎn)上下游站場(chǎng)的溫壓流量和管段地溫，在線泄漏測(cè)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(diǎn)計(jì)算結(jié)果包括：預(yù)測(cè)泄漏孔徑大小、最大泄漏時(shí)間、不同時(shí)刻管道沿線的壓力、溫度及流量、泄漏點(diǎn)壓力、流量及溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)、不同階段的泄漏速度以及累計(jì)泄漏量隨時(shí)間變化和最大泄漏量。

若需在事故發(fā)生后進(jìn)行事故評(píng)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(jìn)行計(jì)算。用戶需下載相應(yīng)的計(jì)算模板，將計(jì)算所需參數(shù)導(dǎo)入模板中，在網(wǎng)頁(yè)上傳數(shù)據(jù)模板，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕就可以完成計(jì)算。結(jié)果的顯示和在線的模擬計(jì)算類似。

在線泄漏測(cè)算模塊和離線泄漏測(cè)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(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。在線泄漏測(cè)算模塊需要從泄漏報(bào)警系統(tǒng)中讀取泄漏發(fā)生時(shí)間、泄漏點(diǎn)位置，從實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)行在線的泄漏量測(cè)算。離線測(cè)算模塊則需要通過(guò)數(shù)據(jù)模板導(dǎo)入泄漏相關(guān)工況參數(shù)和泄漏點(diǎn)位置等歷史參數(shù)，主要用于泄漏事故事后的測(cè)算。

圖2 在線及離線泄漏量測(cè)算示意圖

3 軟件應(yīng)用實(shí)例

3.1 軟件算法可靠性驗(yàn)證

軟件基于瞬變流動(dòng)的機(jī)理，將描述管道內(nèi)瞬變流動(dòng)的連續(xù)性方程、動(dòng)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(dòng)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是軟件應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)泄漏量測(cè)算的前提條件，本文將水熱力瞬態(tài)計(jì)算權(quán)威軟件SPS瞬態(tài)模擬結(jié)果與泄漏量測(cè)算軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證軟件水熱力耦合瞬態(tài)流動(dòng)求解算法的準(zhǔn)確性。

SPS無(wú)法直接建立管道與外界環(huán)境通過(guò)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(shì)相似。因此，本文通過(guò)SPS設(shè)置一個(gè)定壓力分輸工況，然后通過(guò)SPS模擬泄漏過(guò)程中上下游壓力變化數(shù)據(jù)，驗(yàn)證泄漏量測(cè)算軟件瞬態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)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(diǎn)之間的管段，B_2，B_3為閥門，Node 2為定壓力分輸點(diǎn)，即模擬泄漏點(diǎn)。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(diǎn)之間的管段。由閥門B_1控制分輸操作的進(jìn)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(zhǎng)度/km215．404管道起點(diǎn)溫度/℃26．261管道直徑/mm457管道終點(diǎn)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(diǎn)壓力/MPa8．676油品運(yùn)動(dòng)黏度/(mm2·s-1)5．2管道終點(diǎn)壓力/MPa1．539

SPS計(jì)算模擬結(jié)果如圖4所示。在10 min后開(kāi)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(shí)長(zhǎng)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(cè)的數(shù)據(jù)模塊中，成品油管道泄漏量測(cè)算模型計(jì)算部分結(jié)果如圖5所示。

圖4 SPS模擬計(jì)算結(jié)果

Fig.4 The simulating result given by software SPS

圖5 管道泄漏量測(cè)算模型計(jì)算結(jié)果

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

泄漏量測(cè)算模型在1 444 s的測(cè)算時(shí)間內(nèi)計(jì)算的分輸量為12.384 m3。管道泄漏量測(cè)算模型與SPS計(jì)算結(jié)果對(duì)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(duì)誤差為0.235 2%，泄漏過(guò)程中最大誤差不超過(guò)0.8%，對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了軟件水熱力耦合瞬變流動(dòng)的算法可靠性。

3.2 軟件實(shí)用性驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的實(shí)用性及可靠性，選取了國(guó)內(nèi)某成品油管道的其中一個(gè)管段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，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。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)該排污短管進(jìn)行污油泄放，以此模擬管道泄漏的過(guò)程。

圖6 管道泄漏量測(cè)算模型與SPS計(jì)算結(jié)果對(duì)比

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

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

圖7 實(shí)驗(yàn)管段縱斷面圖

Fig.7 Profile diagram of experimental pipeline

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管段管線和油品參數(shù)

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得管內(nèi)背壓為20 kPa。本次泄漏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為1 200 s?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)由SCADA測(cè)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(jì)算的等效泄漏小孔孔徑為12.8 mm，計(jì)算時(shí)間內(nèi)累積泄漏量為3.388 m3。泄漏開(kāi)始后瞬時(shí)泄漏速度結(jié)果如圖9所示。

圖9 瞬時(shí)泄漏速度計(jì)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(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)得累積泄漏量為3.530 m3，而軟件測(cè)算累積泄

漏量為3.388 m3，相對(duì)誤差4.02%，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

表3 部分累積泄漏量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

成品油管道泄漏量測(cè)算軟件基于成品油管道輸送工藝和管道瞬變流動(dòng)，考慮實(shí)際管道運(yùn)行過(guò)程中可能存在的多種邊界條件，開(kāi)發(fā)了成品油管道泄漏量測(cè)算軟件。軟件對(duì)非穩(wěn)態(tài)泄漏過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出了泄漏點(diǎn)孔徑預(yù)測(cè)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(zhǔn)確性的計(jì)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(píng)估提供重要的參考依據(jù)。同時(shí)可以將每次評(píng)估測(cè)算結(jié)果予以保存，為現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐帶來(lái)一定的指導(dǎo)作用。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，證明軟件具有一定的準(zhǔn)確性及可靠性，能夠?yàn)楣芫€的安全運(yùn)行提供強(qiáng)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474228)； 北京市科學(xué)研究與研究生培養(yǎng)共建項(xiàng)目科研項(xiàng)目(ZX20150440);中國(guó)石化銷售有限公司華南分公司項(xiàng)目(HX20150190)。

吳夢(mèng)雨(1991-)，男，碩士研究生，從事長(zhǎng)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(zhǎng)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