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油气管道瞬变分析发展现状及趋势

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油气 管道 分析 发展 现状 趋势
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摘要 : 近 年来,国家对 石 油 和天然 气管网的建设投入巨大,油气资源 带来的效益不仅让国家慢慢的富强, 也让 人 民过上了更优质 的 生活。 管道运输做为五大运输方式之一,其优点有目共睹,但带来的安全问题也常常令国民担忧。 本文着重介绍了管道水击发生的机理,水击研究的方法和背景及如何有效的防止水击发生等问题上做了简要的介绍,并展望了人们研究管道瞬变问题的发展趋势。 关键词:油气管道;水击;研究现状;预防措施;发展趋势 引言 目前我国油气管线的总长度已经达到了 10 万公里,随着我国国民经济的迅速发展,工业化程度的进一步加快, 国家对 能源 的需求也将进一步加大, 因此 油气管网的建设 一直 保持着高 速 增长的态势。与此同时管线的安全问题也越来越受到人们的关注和重视。油气管道的瞬变 问题作为威胁管道安全进行的因素之一,一直是人们研究的热点问题。 由于管线的水击问题而导致的事故,也非常的多。因此 明确管道瞬变问题发生的本质 , 如何 安全 有效 的 防止 水击 问题的发生 , 变得越来越重要。 一、 水击的基本概念 水击又可以称作 “水锤“,是指在有压力的管道中,由于液体流速的突然变化,而导致管道中压力瞬态、迅速、周期性的变化。管道中水击产生的原因主要是液体的可压缩性和管道的弹性。无论对于管路系统中的可压缩流体或不可压缩流体上产生的瞬变,不管是因为流速的变化还是因为压力的扰动,这种脉动会以压力波的形式在管道上下游传播, 从 而引起流体流动参数发生变化, 我们将 压力波 的传播速度称为 水击波速 [1~2]。 水击波的传播周期一般分为四个阶段,即增压逆波、减压顺波、减压逆波、增压顺波。 对于一般的刚性油品 管道中的水击波速约 为 1000s。 产生水击的原因是多方面的,如阀门的突然开启或关闭,泵站系统的突然停电或泵的开启与停机,管路系统中机器或零件的震动,人为原因的操作失误等等都会使管道产生水击,造成管道中的不稳定流动。这种不稳定流动可能导致管道中的压力瞬间超过设计压力的几十倍甚至上百倍,造成管线的破裂、设备的损伤,也有可能造成人员的伤亡,给企业和国家的财产造成一定的损失,因此保证管道的正常运行,有效的防止水击的发生, 一定程度上 减小水击的破坏程度,就成了众多学者研究的课题。 二、 水击的研究方法 俄国学者早在 1898 年 儒科夫斯基 就 提出的水击的基本理论,并做实验进行了研究。 1902 年意大利学者阿列维推导出了水击基本微分方程,奠定的水击计算的基本理论基础 [3~4]。 美国学者怀利教授和斯特里特教授简化了特征线法,得到了 近似的水击特征 方程 [14]。 近年来,人们主要使用以下几种 水击的 分析 方法 : 1. 图解法 图解法以波动方程为基础 , 应用该方法的前提必须要明确初始条件和边界条件 。 初始条件即稳态条件 , 也就是管道没有产生瞬变之前的系统内流量和压力的变化情况 。 边界条件是指 限制流体流动状态的条件,例如下游端的阀门,上游端的恒液位灌及中间的泵站等等都是边界条件的一类。水击的计算过程,通常要将边界条件确定的方程和水击的计算方程联立起来进行求解,来确定管道发生水击后管内流量和压力的变化情况。这些条件和方程如果以图例的形式表示出来,就可以用图解法进行求解了。图解法是在变量 H 和 Q 平面上做图,在此平面上把某一位置、某一时刻的 , H 和 Q 与管子中离开原来点 ∆x 距离的另一点在晚 ∆x / 和 Q 联系起来。其实质就是在任何一根沿轴向几何特性不变的管内,每一个平面压力波,都以等速运动 ,相遇、互不干扰地沿各自方向运动。图解法直观、形象便于人们理解,但是对于复杂的管网(分支、串联、泵的事故工况等)应用该方法就比较的困难,一般借助于数值处理方法。 2. 代数解法 水击计算的代数解法又可称作解析法。其计算也是以基本波动方程为基础,推导出各种边界条件或不同工况下的水击计算公式,来求得各个断面上的压力和流量。此种方法一般和实际情况相比较要经过一些近似和简化,比如认为管路中的阀门开启和关闭为线性变化。此种方法物理意义明确,应用简单,但对于实际中出现的某些问题精确度不高,难以推广和使用。 3. 特征线法 随着电子 计算技术的迅猛发展 , 人们对水击计算方法的不断完善 , 工程实际计算中 , 特征线法逐渐取代了上述两种方法 。该方法的基本思想就是把两个偏微分方程 即 运动方程和连续性方程 , 转化成常微分方程 。 然后用有限差分方法将 两个 常微分方程转化成差分方程 ,即节点的代数方程。再 采用规定 的 时间步长,通过计算机进行模拟求解 [12,15]。一般 的网格划分方法 有矩形网格法、距步内插法、向后时步内插法和向前时步内插法 等 。特征线法 的优点在于其 便于建立各种各样的边界条件,编程简单,可以处理非常复杂的系统,可以考虑摩擦的影响,精度较高,可以给出表格化的计算结果 [16]。因此该方法是工程上普遍使用的计算方法。 他方法 由于现场管路纷繁复杂 , 各种各样的事故 工 况往往也是工作人员预料不到的 ,因此很多学者和专家在特征线法的基础上对提高水击的计算精度和数值模拟方法做了很多的研究 , 并得到的较好的结果 。文献【 5】介绍了基于 阻模型和随机摩阻模型的水击分析方法。该文称采用上述两种模型可以模拟水击的传播过程,而且随机摩阻模型的数值模拟 用起来更为方便 。文献【 6】 采用了 式模拟了上游含调压室的水击过程。 式是一种高分辨率无寄生振荡的格式[13]。文献中说采用该格式可以很好的模拟上游含调压室的条件。与实际测得值能很好地吻合,具有精度高,无数值震荡等优点。文献【 7】探索采用多松弛格子法来模拟三维水击波的传播过程。多松弛格子方法是一种新兴的水击处理方法。文中采用了三种不同的算例测试该种方法的可行性和计算精度。文献中说该方法可以准确的模拟水击波的传播过程,具有稳定性好,精度很高等优点。文献【 8】中介绍了基于 法的阀门变速关闭过程的水击压 力计算。 作者 指出了减速关阀的方式可以有效的降低最大水击压强。文献【 9】研究了泄压阀开启过程中阀门口的流场情况。人们对于客观世界的认识不可能一次性完成,需要理论和实践过程的反复磨合。水击的研究方法也会随着人们对客观规律的认识和理论不断的应用于实践而得到更好的发展。 三、 水击的防护 由于水击在长输管道中经常发生,导致管道超压或局部气化, 而且常常伴有像锤击一样的噪音和震动。 因此必须采取有效的措施防范水击发生带来的危害。目前防止水击发生或减小水击破坏的方法主要有 以 下几种。 1. 超前保护 超 前保护是指当管道系统中产生水击波时(如泵站突然停运或者阀门 瞬时 关闭), 扰动源通过通信系统向控制中心发送信号,控制中心收到信号后自动下达水击保护指令 [11]。 即自动 向管道中发送增压波或减压波来抵消管线中的水击波,以防止管线超压或者 局部 位置气化,保证管线的安全进行。 由于不同的站场及长输管线的建设及敷设因地而异,因此 不同的管路系统超前保护的措施也是不一样的, 所以 我们可以通过事先仿真模拟 ( ) 的方式来获得最佳的保护方法。 2. 泄压保护 管线中的泄压阀一般是 泄放压力的主要设备 ,又名安全阀 。 泄压阀具有泄压快、启闭速度可调、 便于维修, 可以安装到 管线的 任意位置 , 不用改变管线压力就可拆卸等优点 , 可以 根据管线中的压力自动启闭 ,能够有效的防止管线进站压力过低或出站压力过高的问题。所以 长输管道的首站出站,末站的进站以及中间站的进站和出站位置都要放置泄压阀。当管道 有超压状态 出现时,泄压阀 能够 自动 开启,泄放管线中的压力 。泄压过程中要控制 泄压阀的 泄压时间 , 同时不能 使管道 产生较大的震动 以免产生扰动 。 3. 其他防护方法 增加管线中的自动保护装置来防止管线中的水击发生。如缓冲罐、调节阀、排气阀、 自动调节系统等都可以有效的 减少水击带来的危害。 1) 在长输管道中增设调压室 , 适当的增大管径 , 延长关阀时间, 减小 管内流速 或适当的减小管线长度等措施都可以缓解水击压力。 2) 正确设计阀门等各种转动装置 , 尽量保证液体流过时 , 速度不会有较大的波动 [10]。 3) 增设缓冲罐 、 橡胶软管或储能器等够有效缓冲和吸收水击发生时产生的脉动压力 。 4) 在管道的高点安装排气阀,可以有效的防止管线由于负压波而产生的液柱分离或液体气化聚集。 5) 加强 监督 管理 ,及时增强工作人员安全意识, 严格遵守各种规章制度,定期检查,及时检修和排除有故障的设备。 四、 结论 随着电子计算机技术的发展 , 动态测量和数据采集等都为人们研究水击问题提供了 帮助。强大的存储和计算能力,精确的控制技术,为实现复杂管网的水击分析和大数据存储提供了支持。未来的输油管线向着高压力大管径数字化方向发展,需要的站场管理人员可能会越来越少,因此管道的安全问题越来越受到国家和社会的高度 关注。 水击作为管线的事故工况之一,其产生的原因也是多方面的,防护也是在经验和实践基础上进行的。因此 寻找 安全可靠的 水击 防护系统, 确定高效经济的 事故 处理方式,应该是研究人员 不懈追求的目标。 参考文献 [1] 蒲家宁 M]机械工业出版社 ,1990. [2] 张国忠 M]石油大学出版社 ,1994. [3] 王学芳等 M]. 北京 :科学出版社 ,1995. [4] 王树人 M]清华大学出版社 ,1981. [5] 黄逸军 ,刘韩生 式在上游调压室水击数值模拟中的应用 [J]. 长江科学院院报 ,2013,30(05);47[6] 袁健 ,胡明 ,树锦 . 基于 阻模型与随机摩阻 模型的水击随机分 [J]. 水动力学研究与进展 A 辑 . 2009(02). [7] 李彦浩 ,程永光 法模拟三维水击波 [J]. 武汉大学学报 (工学版 ). 2013(04). [8] 郭兰兰 等 法的阀门变速关闭过程中的水击压强计算研究 [J]. 山东大学学报 (理学版 ),2014(03). [9] 单如健 等 J]2014(5). [10] 张涛 . 输油管线的水击保护 [J]2014,(21). [11] 王兰花 J]. 中国石油和化工标准与质量 ,2014,(06). [12] H, B O, K. of of in ]. 2010 (4):677[13] 1983. [14] B, by 1980. [15] W,by of 1976. [16] W, of by of 1978.
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