煤层气田低压、低产的特点，使得气田地面建设工作非常繁杂。中国石油华北油田分公司樊北区块6×10⁸ m³的产能建设，形成了复杂的煤层气地面集输管网系统，包括1座处理厂、7座集气站、6条集气管道（约40 km）、700条采气管道（约498 km）、24台压缩机，连接成几个环形网络，承担区块内700口井的煤层气集输任务。对于这样一个单井产量低、井口压力低、井数多而密集、点多面广、地形起伏高差大、结构复杂的煤层气集输管网系统而言，其调度运行方案的制定、实施及调整涉及众多因素，需要及时了解管网系统的输送能力，掌握管网系统的流动参数（压力、流量等）分布，精确描述管网系统流动及系统中各元素间的相互影响，同时需要一个集成的展示、操作及调度平台，以便及时且形象地展示管网系统的介质流动，发现问题，制定合理的调度方案，迅速决策，提高产量，降低系统的运行能耗。

基于此，以管网仿真软件PNS^TM4.0为核心，结合GIS和SCADA系统开发了樊北煤层气集输管网动态仿真调度系统，并应用于中国石油华北油田煤层气分公司集输管网系统的日常调度管理。

1.   樊北管网动态仿真调度系统构架

为了配合动态仿真调度管理系统，樊北煤层气地面集输系统建成GIS三维地理信息系统，所有静态数据均由GIS系统录入和管理，如结构、井站及管道坐标、管道参数、连接关系等。此外，该地面集输系统的实时动态数据由SCADA系统采集，如井口流量、压力，站场及设备运行工况及参数等，采集后存入SQL实时数据库，以便于进行各种生产分析。

樊北管网动态仿真调度系统（图 1）从GIS系统提取所选部分的静态数据，快速准确地创建管网初步仿真模型，然后根据仿真要求和目标进行完善；该管网动态仿真模型由SCADA系统所采集的实时数据驱动，实现在线仿真，实时分析和跟踪管网系统的流动分布和工作状态；在线仿真结果记录到SQL数据库中，并传送至GIS系统，以便形象、生动地展示整个管网系统和各个部分的工作状况和异常工况报警。

图  1  樊北管网动态仿真调度系统结构示意图

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该系统通过SCADA系统将星罗棋布的管网测量数据采集到日常生产管理局域网，实时数据库和GIS系统分布在该局域网上的不同服务器上，网络上的不同用户可根据调度管理需要建立相应的仿真模型，仿真结果发布到SQL仿真数据库和GIS系统，供不同的调度和日常生产管理人员共享。

该系统最大特点就是将GIS和SCADA系统的静态和动态数据结合起来，快速准确地建立仿真模型并实现在线动态仿真，同时为GIS系统提供了动态仿真分析结果和参数，实现了动态数据的三维数字化展示，以便于操作人员决策分析。

2.   在线动态仿真模型及实现

2.1   在线动态仿真模型

不论管网静态仿真^[1]，还是动态仿真的隐式法和特征线法^[2-6]，在对管道进行差商离散化处理后，即定义了一个n维实数状态空间，对于每个外部和管道内部节点，其状态向量为（p_m、M_m、T_m），各个工艺设备有其状态控制参数S_k；因此定义了总数为n的状态空间向量X。对于管道中任一管段m，通过离散化和数值处理，可得到该状态子空间模型。对于管网系统中的工艺设备，同样也可以建立其状态空间模型，将这些状态子空间用管道网络关系式（节点连续性关系）联立，即可得到管网系统仿真的状态空间模型，即非线性代数方程组F_i（x_j）=0。采用不同的差分格式可得到不同的非线性状态空间模型，其一般形式为：

式中：p为压力，Pa；M为流量，kg/s；T为温度，K；下标m为管道内部位置编号；下标k为设备编号；Ω_X为欧式有界n维实数状态空间；Rⁿ为实数；q为管道内部位置编号总数；K为设备总数。

若想利用式（1）仿真一特定问题，必须解决方程组的封闭性和收敛性的问题。在求解特定问题前，必须设定边界条件，即设备的工作状态（阀门开度等）、节点的压力或流量、流动起始节点的温度等。通过这些设置，必须保证方程的数目与待求变量的数目一致，这样解才唯一，管网系统才有一个明确的状态；边界条件相当于管网系统的输送条件、要求以及相对应的工艺设备的操作和控制状态。对于动态仿真，还必须给定一个初始状态，即动态仿真开始时管网系统、设备状态及流动分布，这样才可知动态变化的起点。

因此，对于任意规模和结构的管网系统，其静、动态仿真问题最终可以描述如下形式：

式中：C_i为控制常数。

根据上述管网仿真理论和模型，未作任何简化处理，建立隐式差分法动态仿真模型。实现了任意结构、规模油气管网的静动态仿真，可以模拟管网系统的水力热力状态及动态变化过程。可视化的图形输入界面和电子表格数据录入方式，为快速便捷地建立各种管网仿真模型提供了良好的应用平台，是解决大型复杂煤层气管网系统流动问题的有力工具，也为樊北煤层气集输管网动态仿真调度系统的建设提供了实施手段。

2.2   管网仿真参数学习与自适应模型

由于煤层气管道敷设条件和各种管件分布的复杂性，精确描述实际管道系统参数且建模是非常困难的。此外，管道内部状态必将或快或慢地随着时间和运行条件而变化，如管道有效流动面积会随着水的沉积而减小。因此，管道参数的不准确性和不确定性将导致所建立的管道模型与所要考察的实际管道不匹配，也不易得到满意的动态仿真结果。

建立管网仿真参数学习与自适应模型的目的是根据管道实际工作条件和所测量的运行状态参数，估计和修正管道的某些参数（有效管径等），即在已知边界条件下确定一组偏微分方程中的参数。这是一个典型的系数反演问题，且显然是非线性的。关于这类问题，目前尚无成熟的理论可以遵循，首先根据敏度分析建立参数估计的敏度法模型，然后确定其最小方差解（最小二乘解）的递推公式，其无偏、高效且具有一致性，最后利用其正问题的解，即动态仿真结果，完成参数估计和学习^[7-12]。

管网仿真参数学习与自适应模型不仅对提高管道在线模拟器的仿真精度具有重要意义，同时也是标定管道参数、检测管道运行状态的有效方法。

对于单条管道来说，由仿真模型式（2）可以推导出其参数学习模型：

式中：θ为待估计参数形成的r维向量，θ∈R^r，其可以是时间序列的缓变参数，也可以是空间分布参数，根据学习和估计的需要确定其形式；U为系统输入；Y为系统输出；h为系统变量和系统输出的转换矩阵。

设管网仿真模型〔式（2）〕的仿真结果为Y，则测量值Y与仿真结果Y间的偏差e即可定义为：

在此认为该偏差是由于待估计参数θ的微小变化而造成的，则待估计参数θ可由式（6）所描述的过程来修正和学习：

式中：为第j次样品空间的第m个系统变量对第i个待估计参数的灵敏度，其反映了X_m^j的微小变化对θ_i的依赖程度；C_j是第j次样品空间X对θ的敏度矩阵。

当测量数据足够时(j≥r)，式（6）所描述的递推和迭代过程可用来修正选定的待估计参数，实现参数学习，并以此修正后的参数更新管网仿真系统中的管道模型，以保证管道模型与实际管道流动状况一致。该学习过程已是PNS软件的功能之一，以实现管网仿真模型的自适应。

在樊北调度管理系统的应用过程中，根据量测参数的分布，选取了部分集气干线的管道长度实施学习过程，进一步增加仿真模型的准确性。这里必须说明，参数学习和自适应必须在管道流动和测量系统均完好的情况下才能实施。

2.3   动态仿真调度系统的实现

樊北煤层气集输管网在线仿真是基于其生产调度管理系统局域网而实现的。首先根据上述自适应仿真理论和方法，结合GIS三维地理信息系统及数据库，可以快速建立精细的煤层气集输管网动态仿真模型；此外，通过SCADA系统采集现场运行数据，并将这些数据存入SQL实时数据库并及时更新，PNS的SQL2OPC模块将所需的实时数据通过OPC协议发布，并以此数据驱动动态仿真模型，实现在线仿真；PNS通过两种途径发布仿真信息：①通过PNS的OPC服务程序发布仿真模型及实时仿真结果，供局域网上的所有OPC客户程序共享；②将不同动态仿真模型所产生的仿真结果存入SQL仿真结果数据库，供局域网上所有GIS终端选择并展示管网的运行动态。在线仿真过程及数据流动关系图（图 2）中的数据导向仅表明数据的流动方向和关系，实际数据传输是通过生产调度管理系统局域网在各个服务器及终端的不同系统中实现的。

图  2  在线仿真过程及数据流分析界面示意图

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该系统按照设定的周期和频率提取实时数据，自动实现动态仿真，更新数据库及显示内容。SCADA系统扫描管网系统的所有测量点^[8]，及时更新实时数据库。仿真系统定期（60 s）从实时数据库中提取特定模型所涉及的下列运行数据，驱动仿真模型，进行动态仿真并更新仿真结果：所有井口的开关状态及温度，流量和压力；所有站场的进出口压力、流量及温度；所有阀门开关状态；所有压缩机运行状态、排量、进口压力和温度、出口压力和温度、功率等。

根据上述理论、模型及方法，开发了管网静动态仿真软件PNS，其中与SCADA系统的OPC通讯、GIS快速建模、参数学习与模型自适应是PNS的标准功能，可实现快速、准确的在线应用。

此外，通过PNS动态仿真系统，将GIS系统的静态数据与SCADA系统的实时运行数据有机地结合，形成樊北煤层气集输管网动态仿真调度系统，既能生动形象地展示管网系统的运行状态，又能精确描述管网系统的各项流动参数和变化趋势，为管网系统调度管理和生产决策提供量化依据和科学手段。

3.   GIS三维仿真模型自动生成

樊北煤层气集输系统地域分布广和高差起伏大的特征，使得管网仿真精细建模难度很大，同时由于用户和信息渠道的不同，很难保证同一设施的基础参数在不同仿真模型中的一致性。而GIS系统包含有精确的井站坐标和管道沿线高程数据，其数据库系统也便于存储和管理地面集输系统众多管道和设施的静态数据，这为管网仿真建模提供了一个统一、准确的信息渠道和数据源，实现快速准确建模^[13-20]。

为了实现GIS三维仿真建模，对该GIS系统的管网图形结构、数据进行了详细定义和设计；同时还开发了PNS管网动态仿真软件与GIS系统的交互协议和接口技术。管网动态仿真系统可以利用GIS系统的图形和数据的查询、处理功能，快速分区、分级、分系统建立集输管网系统结构模型，提取场站三维坐标信息、各个管道的沿线高程数据及管网系统的静态参数（管径、长度等），自动生成集输系统管网仿真初始模型。

管网动态仿真调度系统的集成操作平台提供了交互式作用功能，充分利用GIS系统的图形和数据查询、处理能力，允许在GIS平台上选择平面几何区域/区块、管网级制（集气干线、集气支线、采气干线、采气支线等）、站场系统（站场、阀组）等，然后根据所确定的查询条件，进行相关管网系统的图形和数据查询，并将所有符合条件的信息按协议和接口格式提供给PNS管网仿真系统。PNS管网仿真系统由其GIS接口接收并组织信息，自动生成所选区块或系统的管网仿真初始模型，包括管网系统结构关系及管道设备的静态数据；然后根据特定仿真任务、条件及要求进行配置与完善，最终生成所需的仿真模型，实现预定的分析任务，为调度管理提供科学手段和依据。

自动生成的樊6站集气管道PNS仿真初始模型（图 3）可以评价樊6集气站所辖上游集气管网的输送能力、压降分布及系统中最不利的流动堵塞段。在设定相关查询条件后，GIS系统查询和搜索樊6集气站及其上游所有管道、阀组、井口的结构及静态数据，PNS的GIS接口据此自动建立樊6集气管网系统的连接关系，填充相关的静态数据，生成初始模型。

图  3  樊6站集气管道PNS仿真初始模型示意图（GIS导出）

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4.   动态仿真调度管理与应用

4.1   仿真分析结果处理

除了辅助建模外，樊北煤层气集输管网动态仿真调度系统的另一个作用是利用GIS系统实现动态仿真分析结果的可视化查询、搜索及3D展示（图 4），从而直观地描述管网系统的运行历史与现状，量化管网系统运行状态与评价指标，以便调度人员分析和迅速发现存在的问题。

图  4  樊北区块煤层气集输系统三维地理信息系统界面

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实现过程分为以下步骤：①仿真分析结果存储在局域网上的SQL数据库中，按指定周期动态添加和更新；②按类存储仿真分析结果，如每条管道的每个仿真记录均包含管道名称、记录时间、系统名称、模型名称、仿真工号、压力流量温度（首末端点）、总压降、单位压降等，便于查询和评价；③调用PNS仿真结果，根据单位压降大小改变GIS上管道的颜色，实时显示流动情况（图 4）；④GIS接收管网仿真或SCADA系统的实时数据，并显示在GIS界面；⑤用户可随意选择对象，按指定方式显示定制的各项数据；⑥通过输送效率、单位压力损失或其他分析结果，显示各个设施的工作状态。

4.2   应用实例

樊9集气站煤层气集输管网PNS仿真模型（图 5）包括了樊9集气站所辖的所有生产井、管道以及到中央处理厂的集气干线，包含143个节点（105口生产井，其余为连接点）、143条管道及2座压缩机站（含有3个环状结构）。图中黑色表示采气井停产及管道流量为0，绿色表示管道有流量且流动方向与箭头一致。根据2011年8月8日生产日报表，控制各井口流量和终点（中央处理厂）的进气压力，分析各管道的压力流量分布，考察集输系统的输送能力和运行状态。

图  5  樊9集气站煤层气集输管网PNS仿真模型示意图

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通过仿真分析，可得到整个管网系统的流动状况，并可选择任意路径，自动生成沿途的流动参数分布图。由成庄8^#阀组至中央处理厂的集气干线（由Pipe119-Pipe120-Pipe116-Pipe95-Pipe10-Pipe15-Pipe16-Pipe5组成）压力流量分布图（图 6）可知，该路径上游流量小，下游逐步增加，在压缩机前急剧增加；上游压力高，沿管道逐步降低，但在压缩机站压力骤增；Pipe15（压缩机后）的压降较大，对集输能力有一定影响。

图  6  成庄8^#阀组至中央处理厂集气干线压力流量分布图

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煤层气排水采气的开发特点决定其产能规模是不断变化的。因此，在初期开发阶段，随着新井不断投入生产，需要及时分析和掌握地面集输管网的能力，以满足气田开发的整体要求。随着相关井投入生产，整个樊9集输管网流动及压力分布将发生变化，通过重新设置模型中相关井场的运行条件，即可针对新的工况进行仿真分析，为调度管理决策提供及时、准确的量化依据。

5.   结论

（1）我国石油天然气管道系统日益大型化、复杂化及现代化，建设水平逐渐提高，很多系统都配备了GIS系统和SCADA系统，提供了大量的静态数据和实时运行数据。充分利用这些数据可以更好地服务于日常调度管理，提高工作效率，指导生产，进行科学分析和决策。

（2）樊北煤层气因其压力低、密度高、起伏大、流量小的特征，使其集输管网系统成为结构复杂、压力敏感、流动参数变化细微的复杂系统。进行动态仿真分析，掌握系统的压力分布，量化管网系统的产能规模和单元间的相互作用和影响，便于发现流动瓶颈并制定解决方案。

（3）通过管网动态仿真系统，将GIS系统的静态数据与SCADA系统的实时运行数据有机结合，形成樊北煤层气集输管网动态仿真调度系统，既能生动形象地展示管网系统的运行状态，又能精确描述管网系统的各项流动参数和变化趋势，为管网调度管理和生产决策提供量化依据和科学手段。