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长距离成品油输送管线瞬态水击现象的
数值模拟研究
陆赛华 宋付权
1 中国石化浙江舟山石油分公司 浙江舟山316000;
2 浙江海洋大学 浙江舟山 316000
---文章选自石油库与加油站杂志
作者简介:陆赛华(1979-),男,工程硕士,现从事石油成品油油气储运管理工作。
摘要:针对成品油长输管道输送过程中存在的瞬态水击现象,通过建立数学模型,利用 SPS 数值模拟软件。动态模拟了三种不同水力瞬变工况下成品油长输管道系统内压力波动的情况。结果表明:单台泵站失效 30 min后,首站最大水击压头达 12.2MPa 左右;2 台泵站同时失效 30 min 后,首站最大水击压力达 17.2MPa,远超过设计压力,会造成对管道的破坏。同时提出了相应的保护和预防措施,可为工程实际应用提供一定的理论参考。
关键词:成品油 输送管道 水击现象 研究 预防措施
在成品油输送管道中,常有水击现象发生。水击是一种压力波,产生于管道瞬变流中,由管道流速在某一处产生变化而引起出。这种变化可能是不可控因素引发,或者是根据业务需要进行调节时,造成的压力突变,这个瞬态压力波即是水锤。
研究证明,当管道由于各种可控,不可控因素引发水击时,压力升降幅度可达正常值的数倍乃至更高,同时还可引发管道震动,造成局部真空,泵汽蚀等现象。
早在 1913 年,意大利学者阿列维建立了阿列维水击图解曲线,奠定了水击计算发展的基础他首先在 1902 年建立了不稳定流的水击计算基本理论,又在 1913 年建立了水击连锁方程组和与之相关的水击计算公式。目前广泛被大家所接受的传统水击计算理论就出自其中。建立水击计算理论之后,需要针对问题进行求解,主要是求解水击压强值。而水击计算基本微分方程组是一组非线性双曲型方程组,求解非常复杂。因此阿列维水击图解曲线应运而生,为之后的研究和发展奠定了坚实的基础。
图解法是在 1926 年由乌德提出的,后来,格伯郎首次将其应用于计算管道的中间断面状态。再后来,施尼恩在应用图解法时,首次将摩擦阻力考虑在内。再接着,安吉斯对图解法又有了进一步的发展,提出适用于分岔管道的图解法。图解法逐渐发展,针对不同情形,又推出了不同的适用于各自情形的特殊处理方法,解决的问题也越来越复杂化,对水击计算方法的发展起了很多的推动作用。
接着出现的特征线法是目前应用最广泛的数值方法之一。早在 1954 年,利用计算机进行的特征线法由格莱引入,大大地推进了数值计算方法的发展。不仅计算结果更加精确,人工的计算工作量也大大减少,减少了大量的人力、物力。正因如此,特征线法才会深入人心,应用广泛。
除此之外,目前出现了越来越多的水击计算的数值方法。大致可分为几类:图解法、解析法和电算法。近年来,随着计算机技术的日趋成熟,电算法发展迅速。具体采用的计算方法首先是特征线法,后来逐渐又有限差分法、有限元法、有限体积法等等。随着计算机软硬件的不断成熟,目前针对水击计算广泛应用的主要是有限差分法和特征线法等。有限元法在水力学上的应用不如有限差分法多,但其也有明显优势,可针对特殊问题加以应用。有限体积法还有很多尚待解决的问题,需进一步研究和应用发展。
现在研究水锤的方法主要是数学模拟法。随着计算机软硬件的不断发展,计算速度越来越高，
油气管道
数学模拟方法有着明显优势,如给定初始条件与边界条件便可得到计算结果。也可将计算结果用图形表示出来,进行虚拟模拟。数值模拟不受外界环境影响及场地的限制,并可重复进行,运行速度快,耗时短,而且经济。因此,近年来,随着计算机的高速发展,数值模拟方法也迅速发展,解决了很多之前棘手甚至是无法进行的工作'-。本文基于 SPS 数值模拟软件,动态模拟了不同水力瞬变工况下,长输管道系统内的压力、流量波动情况,内容及相关数据可为工程实际应用提供一定的理论指导。
1 长距离成品油输送管线流动数值模拟的数学模型
描述液体管道瞬时流动状态的模型大致可由下述动量方程式(1),连续性方程式(2)和能量方程式(3)构成。
式中:V为油品流速,m/s;*为距离,m;4为时间,s:p 为油品密度,kg/㎡;P 为管内某处绝对压强,Pa;g 为重力加速度,m/s';0 为管道倾角,(");A为水力摩阻系数,无量纲;D 为管道内径,m;a 为波速,m/s;C 为油品热容,J/(kg·℃);T为油品温度,℃;K 为热油管道总传热系数,W/(㎡·℃);7。为平均地温,℃。
动量方程的研究对象为管道运行中处于瞬变流态的流体单元,以此单元体为基础设立牛顿定律方程。对隔离单元体进行受力分析,应用牛顿第二定律,同时,采用达西公式计算靡阻,最后得
到动量方程。连续性方程的研究对象为相对于时间变化快慢的流体单元质量,即在某一时间点进入单元流体与离开单元流体的净质量改变值。在隔离单元体的基础上应用质量守恒定律,最后得到连续性方程。
能量方程的研究对象为管壁外界环境与管道内流体间的热交换情况。
2 长距离成品油输送管线瞬态水击现象的数值
2.1 模拟长距离成品油输送管线概况及物期模型
某长输柴油管道全线长 300 km,设计压力8.泵站距离为90 km,管径 D 457 ×8 mm;第一座中间泵站至第二座中间泵站距离为 105 km,管径D457×8mm;第二座中间泵站距末站泵站距离为105 km,管径 D 508 ×8mm。为进行水击模拟及分析计算,根据一定的逻辑控制关系,利用 SPS 软件建立管道物理模型,如图 1 所示。模拟得出结果后,将数据导出,通过专业数据处理软件 ORIGIN对得出的数据进行处理,并对相关规律进行分析。
2.2 数值模拟方法
本文采用 SPS 模拟软件,SPS(Stoner Pipeline Simulator)是由 Stoner.公司研发的一款优秀的水
力学动态模拟仿真软件,适用于长输管道,在动态模拟时,计算速度较其他仿真软件更快,即使管网复杂也不会影响计算速度,同时利用 ADL(体系结构描述)编程语言进行逻辑控制,可以实现多功能控制。软件模拟结果与实际工况相近,具有较高准确度,能够反映管道的实际运行状况,不论在管道的初始设计阶段,还是后续的运行优化阶段都有很大的应用价值。因此是现在石油行业运用最广泛,受到普遍认可的一款软件。
2.3 三种工况下水击数值模拟
具体模拟条件:详见“3.1”,输送介质为柴油,采用密闭输送方式。
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