油气管道综合模拟实验系统的建设与实践

＊蔡亮学 徐广丽 何方舟 廖柯熹

（1.石油与天然气工程学院西南石油大学 四川 610500 2.油气消防四川省重点实验室 四川 610500）

引言

实验教学是本科教育的关键环节，实验平台是高水平大学建设的重要载体[1]，可培养学生的工程操作实践能力。管输技术是油气储运工程的核心领域，故大型环道模拟实验系统是油气储运工程专业的必备综合性实验平台[2]，为《油气管道输送》《油气矿场集输》等专业核心课程开设本科教学实验项目，包括多泵站密闭输送实验[3]、成品油顺序输送实验[4]、气液两相流实验、清管实验、事故工况模拟实验等，还可在多相流理论、油气管道工程技术、安全与完整性管理技术方面开展基础、研究性实验，是支撑本科教学、研究生开展管道流动实验研究的基础条件。西南石油大学在原有管流实验系统的基础上，结合油气储运领域的新技术与新发展，规划、设计、建造了一套大型环道模拟实验装置[5]，全面提升油气储运工程学科的教学、科研水平。围绕该实验系统在设计、建设、应用三个阶段中的技术问题，梳理实验平台的建设经验与技术措施，为实验系统后续的升级改造提供参考。

1.油气管道输送工况模拟实验系统的设计

西南石油大学自2001年在成都市建设新校区，而在南充校区原有的油气管道输送工况模拟实验系统并未同步搬迁至成都校区投入使用，按照规划重新设计建造一套同类实验装置。在第一版设计方案中，实验环道采用φ48mm×3.5mm、总长230m的双面镀锌铁管，工作压力1.6MPa，经商讨调整为总长1000m的不锈钢管，并增加180m的可视化管段，此版设计方案包含三泵站密闭输送流程、清管流程和输气流程。工况模拟实验系统获批后，结合管输领域的新技术与新发展，新增了成品油顺序输送流程、气液两相流输送流程、低温气液固多相输送流程，强化对长输管道各类工况的模拟实验能力，升级了自动控制系统与数据采集监测系统，提升对实验装置的数字化控制水平。

第二版设计方案引入了模块化建设思想，按功能需求将实验装置划分为5个子系统，包括：（1）多泵站密闭输送系统，可模拟正输流程、三泵站流程、水击工况、越站工况、事故工况（泄漏工况与堵塞工况）；（2）成品油顺序输送系统，可模拟成品油长输管道顺序输送流程；（3）可视化清管系统，实现清管器的发送、运行、接收，透明有机玻璃管段可为清管器运动状态提供观察窗口；（4）气液两相流系统，以空气作为气相、白油或水作为液相，对气液两相流动进行模拟，可实现泡状流、分层流、段塞流、环状流等流型的变化；（5）低温气液固多相输送系统，可模拟海底天然气管道在低温高压状态下的多相混输流程。各子系统功能相对独立，互不干扰，可同步开展实验。

在第二版设计方案的调整中，大量新技术理念得到应用。多泵站密闭输送系统管道总长超过1800m，工作状态下管路内的液量高达3.5m3，实验用液量大，为体现经济环保性，在三泵站长流程方案的基础上添加了三泵站短流程方案（图1），管道总长约500m，可在大幅降低实验用液量的前提下实施除水击工况之外的工况模拟实验。为提升模拟实验的教学效果，向学生提供形象直观的实验观察窗口，在该系统中设置了5处可视化管段，总长51.8m，涵盖多泵站密闭输送系统、清管系统、气液两相流系统和低温气液固多相输送系统。

图1 三泵站密闭输送系统工艺流程图

2.油气管道输送工况模拟实验系统的建设

工况模拟实验系统建设用地60m×22m，占地1320m2，位于西南石油大学北区大型物理模拟实验基地北侧，长轴呈东西方向排布，场地东侧为15m×22m办公用房，装置的中心控制系统置于其中，其余部分位于西侧的彩钢棚内，装置的空间布局兼顾使用安全性、操作便捷性、实验直观性三方面的要求，俯瞰视角下整体呈U形。按照功能不同，大致划分为中控区、储罐区、泵站区、阀组区、环道区共计5个区块，各区块的设备设施相对集中布置，便于操作管理。

实验装置的中控区采用西门子S300PU子站自控系统，模拟实现就地控制、站场控制两级操控模式。储罐区设置6个普通碳钢材质的储罐，包括2座2m3的承压水罐、2座1m3的承压油罐、2座0.05m3的常压药剂罐。泵站区分为3个泵站，其中1#泵站含2台输水离心泵、2台输油往复泵，2#泵站、3#泵站分别含2台输水离心泵，3个泵站内的2台水泵均可以串联或并联连接，单台泵工作压力1.2MPa、流量10m3/h。实验环道总长2000m，在36m×22m的U形空间内往返布设，采用梯形门架按上、中、下三层架设管道。

图2 油气管道输送工况模拟实验系统

建设过程中多次优化了实验装置的空间布局。初期建设方案中，2000m环道呈口形布设在场地四周，由于东侧办公用房整体为临时性彩钢房的建设方案未获得审批，变更为砖混+钢结构永久性建筑，环道布设空间剔除了办公用房；基于降低占地面积的原则，将大部分环道调整于地下L形管沟中，地面主要摆放实验系统的储罐、泵站、阀组、控制系统等；考虑到实验装置本科教学的实用性，地面上、管沟内的管道长度约按1:1再次进行了调整。泵站的6台水泵在施工图中采用了卧式离心泵，占地面积大，施工时变更为立式管道离心泵。最终，实现了工况模拟实验系统的功能分区、操作便捷、兼顾使用安全性与实验直观性。

3.油气管道输送工况模拟实验系统的应用

工况模拟实验系统可为油气储运工程专业开出近10项综合性本科教学实验项目，对首次接触此实验系统的本科生而言，在短短的实验学时内难以掌握实验涉及的专业知识。按照西南石油大学油气储运工程专业的培养方案，本科生在第1学期的认知实习中参观此装置，难以深入，在第6学期使用此装置开展实验，时间仓促。工程教育认证的OBE理念[6]以产出为导向，而管输技术是油气储运专业的核心领域，是本科生必须掌握的知识内容，为提升此装置实践教学的应用深度，结合目前“劳育实施计划”的培养要求[7]，将此实验系统设置为劳动教育实践基地（图3），将本科生分组，轮流定期到实验场地开展卫生清理工作（图4），并要求绘制实验系统的工艺流程图，有效提升了本科生对该实验系统的理解深度。

图3 劳动教育实践基地

图4 劳动教育现场

此套实验装置在系统调试中也出现不足之处。由于水罐材质为普通碳钢，内壁面腐蚀严重，实验系统启动时可见管流呈黄褐色，铁锈频繁堵塞水泵之前的Y形过滤器，令泵入口管路呈负压状态，无法正常工作。初期通过多次拆洗滤网予以应急解决，后期增设过滤功能强大的篮式过滤器解决此问题，远期计划换用不锈钢水罐从根本上解决管壁腐蚀问题。可视化管道为有机玻璃管，实验时为便于学生观察，均布置在彩钢棚的边缘外侧（图5），光照强烈，在夏季光线可直射部分有机玻璃管，导致有机玻璃管老化严重，使用不足2年就出现了有机玻璃管开裂失效问题，目前采用遮光布包裹的方法避免光照老化作用。

图5 透明管段的老化与更换

4.总结与展望

油气管道输送工况模拟实验系统对管输领域各技术工况模拟具备良好的多样性、可靠性与可扩充性，通过实验装置的设计与建设，为本科教育实验教学提供了管输领域的综合技术平台。在应用实践中，有机结合OBE教育理念与劳动教育要求，通过认知实习、劳动教育、专业课实验为本科生提供全方位的实践基地，有效增强了本科生对管输技术的掌握。

工况模拟实验系统在设计中充分考虑了管输新技术的发展，为远期升级改造以实现对新技术工况的模拟打下基础。目前已实现的就地控制、站场控制两级操控模式可升级为“就地控制、站场控制、中心控制”三级控制模式。通过实验监控系统的编程改造，可完成实验教学项目的线上操控环境编程，借助网络为国内院校企业的同类教学或培训需求提供“互联网+”实验教学。此外，智能化管道[8]是管道技术发展的热点方向，此实验装置已具备了基础的软硬件条件，自控系统可实现对管流状态的实时感知与自动控制，已安装的管流仿真系统可对管流状态进行模拟预测，结合智能化研究成果进行编程，给出管流状态调整的技术控制方案，通过监控系统完成管流状态的调整，实现环道系统运行的自主化感知、预测与控制，为管道智能化领域的科学研究提供实践平台。