朱建魯，宋存永，盧興國(guó)，曲本全，韓俊騰

輸氣管道虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用

朱建魯1，宋存永1，盧興國(guó)1，曲本全2，韓俊騰2

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 油氣儲(chǔ)運(yùn)工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，山東 青島 266580；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580）

為滿足油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的需要，設(shè)計(jì)了輸氣管道虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。實(shí)踐內(nèi)容分為內(nèi)操輸氣工藝中控系統(tǒng)和外操現(xiàn)場(chǎng)虛擬場(chǎng)景兩個(gè)類別，高度模擬真實(shí)的輸氣管道運(yùn)行和管理。學(xué)生以小組配合的方式，分別對(duì)中控系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制操作，通過(guò)反復(fù)自主式練習(xí)，掌握工藝參數(shù)控制和故障處理方法。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解明顯加深，實(shí)踐過(guò)程安全可靠，學(xué)習(xí)效果顯著增強(qiáng)。

輸氣管道；虛擬仿真；實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

“輸氣管道設(shè)計(jì)與管理”是油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)的核心課程之一，實(shí)踐教學(xué)起著至關(guān)重要的作用[1-2]。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)。由于實(shí)習(xí)條件的限制，實(shí)習(xí)過(guò)程以聽(tīng)、看為主，不能操作和控制設(shè)備，學(xué)生進(jìn)廠實(shí)習(xí)的學(xué)時(shí)減少甚至被取消。為此，中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)依托油氣儲(chǔ)運(yùn)工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[3-4]，構(gòu)建了天然氣長(zhǎng)輸管道、壓氣站場(chǎng)、截?cái)嚅y室等虛擬場(chǎng)景下的仿真實(shí)驗(yàn)[5]。學(xué)生可以操作壓縮機(jī)、閥門(mén)等設(shè)備，獲得接近現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)，提高解決復(fù)雜油氣儲(chǔ)運(yùn)工程問(wèn)題的能力[6-7]。

1 輸氣管道虛擬仿真實(shí)踐內(nèi)容及基本架構(gòu)

輸氣管道虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容包括內(nèi)操和外操2個(gè)類別、12個(gè)案例。內(nèi)操對(duì)應(yīng)輸氣工藝的中控系統(tǒng)，外操集成現(xiàn)場(chǎng)的虛擬場(chǎng)景。學(xué)生可以選擇不同的崗位，不同崗位之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，模擬真實(shí)的輸氣管道運(yùn)行和管理。

（1）內(nèi)操包括6個(gè)案例：①輸氣干線流量-壓降公式擬合；②輸氣干線全線調(diào)峰；③集氣工況；④分氣工況；⑤跨接管供氣分析；⑥管徑壓力參數(shù)敏感性分析。要求在中控室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)DCS（distributed control system，分布式控制系統(tǒng)），識(shí)別并分析復(fù)雜工藝系統(tǒng)問(wèn)題。

（2）外操包括6個(gè)案例：①首站壓縮機(jī)啟動(dòng)；②分輸站虛擬計(jì)量；③收發(fā)球操作；④截?cái)嚅y室放空操作；⑤末站分配操作；⑥采氣樹(shù)流量調(diào)節(jié)。要求在現(xiàn)場(chǎng)虛擬環(huán)境下按照操作手冊(cè)完成設(shè)備流程訓(xùn)練。

輸氣管道虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)基本架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層和場(chǎng)景層兩部分，如圖1所示。數(shù)據(jù)層主要是利用動(dòng)力設(shè)備模型、傳熱設(shè)備模型、分離設(shè)備模型和閥門(mén)設(shè)備模型等輸氣管道基礎(chǔ)理論模型，建立輸氣管道工藝動(dòng)態(tài)仿真模型，并實(shí)時(shí)向場(chǎng)景層傳輸模擬計(jì)算數(shù)據(jù)；場(chǎng)景層的虛擬計(jì)量模塊顯示溫度、壓力、液位等參數(shù)；場(chǎng)景層所觸發(fā)的動(dòng)作（例如壓縮機(jī)、閥門(mén)等操作）也會(huì)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層，由數(shù)據(jù)層通過(guò)模擬計(jì)算，返回工藝系統(tǒng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。工藝動(dòng)態(tài)仿真模型與站場(chǎng)的三維場(chǎng)景模型進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，并分別對(duì)應(yīng)真實(shí)的中控操作和現(xiàn)場(chǎng)操作。

圖1 輸氣管道虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)基本架構(gòu)

2 輸氣管道虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 工藝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

輸氣管道系統(tǒng)總貌如圖2所示。系統(tǒng)包括輸氣管道、壓氣站、截?cái)嚅y室、分輸站等，輸氣管道工藝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為虛擬現(xiàn)場(chǎng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要的數(shù)學(xué)模型包括管道模型、壓縮機(jī)模型、換熱器模型、氣液分離器模型和閥門(mén)模型。

圖2 輸氣管道總貌圖

2.1.1 管道數(shù)學(xué)模型

將輸氣管道簡(jiǎn)化為一維不穩(wěn)定流動(dòng)，管道的動(dòng)態(tài)模型[8]有連續(xù)性模型：

和運(yùn)動(dòng)模型：

式中，為流體沿軸向運(yùn)動(dòng)的距離，單位m；為時(shí)間，單位s；為管道的截面積，單位m2；為流體密度，單位kg/m3；為介質(zhì)流速，單位m/s；為管道的 傾角。

2.1.2 壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型

壓縮機(jī)是輸氣管道主要的動(dòng)力設(shè)備，其響應(yīng)時(shí)間比其他設(shè)備少很多，可認(rèn)為是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)部件，按照穩(wěn)態(tài)模型處理，數(shù)學(xué)模型包括多變壓縮功模型：

和出口溫度模型：

2.1.3 換熱器數(shù)學(xué)模型

換熱器模型轉(zhuǎn)化為管殼式換熱器模型，殼側(cè)和管側(cè)的能量守恒方程為

流量方程為

式中：為流量，單位kg/s；下標(biāo)shell為殼側(cè)，下標(biāo)tube為管側(cè)；為密度，單位kg/m3；為焓值，單位J/kg；為殼側(cè)或管側(cè)的滯留體積，單位m3；C為流通面積，單位m2，一般由穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到。

2.1.4 氣液分離器數(shù)學(xué)模型

由于LNG在儲(chǔ)存過(guò)程中不斷蒸發(fā)，LNG儲(chǔ)罐一般設(shè)有氣相出口，其數(shù)學(xué)模型與分離器相同。采用集中參數(shù)法進(jìn)行模型簡(jiǎn)化并忽略動(dòng)量的變化。假設(shè)流體物性參數(shù)在空間是相等的，在分析中只考慮時(shí)間梯度，利用常微分方程進(jìn)行描述，其中質(zhì)量守恒方程為

能量守恒方程為

式中：為儲(chǔ)罐容積，單位m3；為流體密度，單位kg/m3；為流量，單位kg/s；為流體比焓，單位J/kg ；下標(biāo)v為氣相，下標(biāo)L為液相。

2.1.5 閥門(mén)數(shù)學(xué)模型

在膨脹液化流程中，節(jié)流閥一般安裝在換熱器的出口，主要用來(lái)節(jié)流LNG，降低LNG的壓力，便于儲(chǔ)存；在混合制冷劑液化流程中作為主要的制冷元件，實(shí)現(xiàn)制冷劑的降溫、降壓。閥門(mén)的節(jié)流過(guò)程近似等焓過(guò)程，模型為

式中：為流量，單位kg/s；v為流通面積，單位m2，一般由穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到；為閥門(mén)開(kāi)度。

由以上設(shè)備模型組成輸氣管道系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示。首站工藝系統(tǒng)通過(guò)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，可以在中控界面中實(shí)時(shí)顯示，也可以傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)三維模型中進(jìn)行虛擬計(jì)量[9]，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、閥門(mén)操作和設(shè)備啟停，設(shè)置PID控制參數(shù)，對(duì)比不同控制方式的穩(wěn)定性，讓學(xué)生接觸遠(yuǎn)程控制和調(diào)節(jié)，學(xué)習(xí)數(shù)字化站場(chǎng)、智慧管道等油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)知識(shí)與技能。

圖3 首站工藝系統(tǒng)流程圖

2.2 壓氣站場(chǎng)三維模型

用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)壓氣站場(chǎng)生產(chǎn)工藝和設(shè)備進(jìn)行三維建模，模型主要包括壓縮機(jī)車(chē)間、高壓管組、氣體凈化和脫塵設(shè)備、清管器接收和發(fā)放室、調(diào)壓計(jì)量設(shè)施；輔助生產(chǎn)工藝包括能源系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、通信、監(jiān)控及生活系統(tǒng)等。一些復(fù)雜設(shè)備采用剖視圖或者動(dòng)畫(huà)展示，學(xué)生可以利用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)控制，在三維虛擬環(huán)境中進(jìn)行漫游，學(xué)習(xí)工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)。

壓氣站場(chǎng)三維模型可以與工藝系統(tǒng)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，對(duì)于重要參數(shù)采用虛擬計(jì)量技術(shù)進(jìn)行顯示，可以對(duì)站場(chǎng)的溫度、壓力進(jìn)行計(jì)量。由于采用精度較高的數(shù)學(xué)模型，因此計(jì)量數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的誤差小于10%[10]。

對(duì)于閥門(mén)、設(shè)備等三維對(duì)象，可以進(jìn)行操作并還原真實(shí)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，例如對(duì)壓氣站的壓縮機(jī)進(jìn)行開(kāi)/停車(chē)操作和調(diào)節(jié)（見(jiàn)圖4）、對(duì)中控保持通信、配合內(nèi)操人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的控制。學(xué)生可以觀察生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，提高動(dòng)手操作的能力和實(shí)踐創(chuàng)新的能力。

圖4 壓縮機(jī)操作

通過(guò)工藝系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模以及站場(chǎng)的三維虛擬模型的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)輸氣管道虛擬仿真系統(tǒng)的集成，并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)。

3 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用

3.1 操作步驟

學(xué)生按照內(nèi)操、外操配合的模式組建操作小組，分別對(duì)中控系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行虛擬仿真操作。學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行自主式練習(xí)，掌握控制工藝參數(shù)的方法和操作過(guò)程，以及故障的處理過(guò)程。

具體的操作步驟如下：

（1）啟動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)器，在“離線訓(xùn)練”中選擇“內(nèi)操訓(xùn)練站”，輸入用戶名和密碼登錄。

（2）進(jìn)入工藝界面，即可進(jìn)行中控室操作。中控室的操作主要是進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控和轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程操作，如泵、空冷器、壓縮機(jī)，以及PID調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥等電動(dòng)閥門(mén)的操作。

（3）外操學(xué)生選擇已有內(nèi)操人員的組，點(diǎn)擊外操“加入”按鈕，進(jìn)行配對(duì)，加入成功后即可進(jìn)行操作項(xiàng)目選擇。

（4）在項(xiàng)目選擇窗口中選擇操作模式、場(chǎng)站、區(qū)域、等級(jí)、天氣、風(fēng)向、風(fēng)速等，在項(xiàng)目選擇框中選中所要操作的項(xiàng)目并啟動(dòng)該項(xiàng)目（會(huì)彈出項(xiàng)目啟動(dòng)提示框）。

（5）可以在三維交互場(chǎng)景中漫游，通過(guò)點(diǎn)擊設(shè)備、閥門(mén)、儀表等以及相應(yīng)的指令進(jìn)行操作。操作過(guò)程完全模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，操作過(guò)程被組合成項(xiàng)目供學(xué)生實(shí)踐。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 集氣、分氣仿真實(shí)驗(yàn)

以集氣、分氣為例，利用平臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真。已知標(biāo)準(zhǔn)工況為20 ℃、1.013 25 bar，起點(diǎn)、終點(diǎn)壓力為80 bar，壓縮機(jī)功率1 000 kW，機(jī)械效率0.8，多變效率1.3，集氣、分氣流量100 000 m3/h，分別模擬集氣、分氣對(duì)沿線壓力及流量的影響（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5 集氣時(shí)流量、壓力曲線

通過(guò)模擬可知：分氣點(diǎn)之前流量增加，分氣點(diǎn)之后流量減??；分氣使全線壓力下降，越接近分氣點(diǎn)的地方，壓力下降得越多；集氣點(diǎn)之前流量減小，集氣點(diǎn)之后流量增加；集氣使全線壓力上升，越接近集氣點(diǎn)的地方，壓力上升得越多。

圖6 分氣時(shí)流量、壓力曲線

3.2.2 壓縮機(jī)堵塞工況仿真實(shí)驗(yàn)

壓縮機(jī)起點(diǎn)壓力80 bar，終點(diǎn)流量360 000 m3/h，在第五臺(tái)壓縮機(jī)后發(fā)生局部堵塞，堵塞處的流通能力CV值在100 min內(nèi)由正常時(shí)的100 000 m3/(h·kPa)降到5 m3/(h·kPa)，繪制堵塞發(fā)生前、后全線壓力、流量曲線（見(jiàn)圖7、圖8）。

圖7 堵塞發(fā)生時(shí)全線流量、壓力曲線

圖8 堵塞發(fā)生后全線流量、壓力曲線

通過(guò)以上模擬可知：壓縮機(jī)發(fā)生堵塞后，堵塞點(diǎn)之前的壓力升高，堵塞點(diǎn)之后的壓力下降，且越靠近堵塞點(diǎn)壓力變化越明顯；堵塞發(fā)生后，全線流量減小；終點(diǎn)壓力、末段管道儲(chǔ)氣量減小。

4 實(shí)踐效果

通過(guò)虛擬仿真教學(xué)，學(xué)生的實(shí)踐效果明顯增強(qiáng)。

（1）學(xué)生與操作對(duì)象進(jìn)行交互，加深了對(duì)輸氣管道設(shè)計(jì)與管理、測(cè)量?jī)x表與自動(dòng)化、泵與壓縮機(jī)等課程理論知識(shí)的理解。

（2）對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)操作，仿真中的聲、光警報(bào)及語(yǔ)言提示，完全可以對(duì)學(xué)員操作錯(cuò)誤進(jìn)行提示和糾正，學(xué)生可以多次反復(fù)練習(xí)。

（3）閥門(mén)內(nèi)部動(dòng)作、壓縮機(jī)的內(nèi)部動(dòng)作及操作產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以在三維虛擬平臺(tái)觀察到，而這些是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)難以實(shí)現(xiàn)的。

（4）避免了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

利用輸氣管道虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生可以選擇不同的崗位，通過(guò)多次練習(xí)，掌握工藝參數(shù)和操作過(guò)程。對(duì)于不具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)條件的高校，該平臺(tái)能夠滿足油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)需求；對(duì)于具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)條件的高校，通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)相結(jié)合，學(xué)生實(shí)習(xí)效果更佳。

輸氣管道虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)豐富了油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜輸氣管道工程實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)一步提高了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

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Construction and application of virtual simulation practical teaching platform for gas pipeline

ZHU Jianlu1, SONG Cunyong1, LU Xingguo1, QU Benquan2, HAN Junteng2

(1. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Oil and Gas Storage and Transportation Engineering, College of Storage, Transportation and Architectural Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Petroleum Industry Training Center, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to meet the needs of practical teaching of the oil and gas storage and transportation engineering, a virtual simulation teaching platform for gas pipeline is designed. Practice content includes two categories such as the control system in internal operation gas transmission process and virtual scene in external operation site, which highly simulates the operation and management of real gas transmission pipeline. The students control and operate the central control system and the virtual field separately in the way of group cooperation. Through repeated independent exercises, they can master the process parameters control and fault treatment methods. Practice proves that the students’ understanding of the theoretical knowledge of the curriculum is obviously deepened, the practice process is safe and reliable and the learning effect is significantly enhanced.

gas pipeline; virtual simulation; practical teaching platform

TE832；G642.0

B

1002-4956(2019)11-0105-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.026

2019-04-22

2019-06-04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0805800）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51504278）

朱建魯（1985—），男，山東曲阜，博士，講師，主要研究方向?yàn)橐夯烊粴饧夹g(shù)、多相管流及油氣田集輸技術(shù)。