輸油管道堵塞水力瞬變模擬分析

孫二國(guó)， 王 岳， 張治國(guó)， 吳 琦， 趙慶福

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

輸油管道堵塞水力瞬變模擬分析

孫二國(guó)， 王 岳， 張治國(guó)， 吳 琦， 趙慶福

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

當(dāng)輸油管道某點(diǎn)突然發(fā)生堵塞，堵塞處將出現(xiàn)瞬態(tài)壓力突變，堵塞上、下游處分別形成一增壓波和減壓波，并以一定的速度向堵塞點(diǎn)上、下游兩端傳播。通過(guò)建立管道堵塞水力瞬變模型，利用Visual c＋＋6.0編寫(xiě)堵塞水力特性分析程序，取特定的案例，對(duì)案例中管道不同堵塞面積引起的水力瞬變特性進(jìn)行了模擬。分析模擬結(jié)果，得出了不同的堵塞面積對(duì)管道的壓力、流量等水力特性的影響。

管道堵塞； 水力瞬變； 模擬分析

目前，我國(guó)輸油管道建設(shè)正處在高速發(fā)展階段，但輸油管道在運(yùn)行期間，常常因?yàn)楣こ淌┕⒐艿劳茝澔蛞驒C(jī)械壓扎使管道變癟而造成管道的變形，清管器運(yùn)行至此時(shí)就會(huì)被卡住，造成堵塞［1］。一些輸送含蠟或含水率較高的管道，尤其在冬季，也常常導(dǎo)致管道堵塞。當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)，上游壓力迅速增高，下游壓力降低。當(dāng)減壓波傳到下游泵的進(jìn)口處，有可能造成泵的進(jìn)口處壓力較低而產(chǎn)生汽蝕，它不僅嚴(yán)重影響泵的吸入性能，而且對(duì)泵及管道造成嚴(yán)重?fù)p害［2－3］。顯然管道堵塞造成極大的安全隱患。因此有必要研究不同堵塞面積對(duì)流量、壓力的影響，以為運(yùn)行指導(dǎo)、堵塞檢測(cè)提供必要的輔助方法。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 管道水力瞬變模型

當(dāng)輸油管道發(fā)生堵塞時(shí)，由此產(chǎn)生的向上游傳播的增壓波及向下游傳播減壓波傳到上、下游泵站所用時(shí)間很短，因此可設(shè)在這個(gè)過(guò)程中油品的溫度是不變化的，且管內(nèi)油品流動(dòng)視為一維不定常流動(dòng)，管道和油品變形均在線型彈性變形范圍內(nèi)。由意大利學(xué)者阿列維建立的水力瞬變基本方程組［4－6］，可求得單一管道系統(tǒng)瞬變流正、負(fù)特征方程：

由式（1）、（2）得：

將（3）代入（1）或（2）可求得：

其中：

式中，Cw為慣性水擊系數(shù)，s/m2；H為流體壓頭，m；a為水擊波傳播速度，m/s；Q為液流流量，m3/s；t為時(shí)間，s；f為列賓宗摩阻系數(shù)，（s/m2）1.875；g為重力加速度，m/s2；m為流態(tài)指數(shù)；A為管流截面積，m2；C＋為正特征線；C－為負(fù)特征線；C、p、D為三個(gè)差分節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

1.2 管道堵塞模型

當(dāng)管道堵塞，過(guò)油斷面先突然變小，后突然變大，因此，可看做在管道中間串聯(lián)了一個(gè)內(nèi)徑較小、長(zhǎng)度很短的管道，見(jiàn)圖1。由于管道過(guò)油截面積突然改變而引起油流局部擾動(dòng)，造成能量損失，此處的能量損失主要由收縮損失和擴(kuò)張損失組成［6］。

由能量方程：

式中，K1為擴(kuò)張損失系數(shù)；K為收縮損失系數(shù)；A′為堵塞點(diǎn)過(guò)油截面積，m2；式中符號(hào)有兩個(gè)下標(biāo)的，第一個(gè)下標(biāo)表示管道編號(hào)，第二個(gè)下標(biāo)表示該段管道的節(jié)點(diǎn)號(hào)，下同。

Fig.1 Schematic diagram of pipeline jams圖1 管道堵塞點(diǎn)示意圖

由文獻(xiàn)［7］可知，過(guò)流截面突然收縮的局部阻力系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 突然收縮的局部阻力系數(shù)Table 1 Coefficient of local resistance of sudden contraction

由連續(xù)性原理可知，在堵塞上下游處流量相等。即：

堵塞位置前后特征線方程為：

由（5）～（9）可得：

2 邊界條件

2.1 定速離心泵

當(dāng)油流運(yùn)動(dòng)到定速離心泵（見(jiàn)圖2）時(shí)，定速離心泵為油流提供一定的能量，根據(jù)能量守恒，可得以下3個(gè)方程：

解方程組（11）得：

當(dāng)泵的進(jìn)口壓頭為常數(shù)H時(shí)，即Hi，n＋1＝H，有：

式中，α，β為泵性能常數(shù)；H為首站泵入口壓頭，m。

Fig.2 Fixed speed centrifugal pump圖2 定速離心泵

2.2 管道末端邊界條件

管道末端出口壓頭基本保持不變，則有：

解方程組（14）得：

式中H0為管道末端出口壓頭，m。

3 案例模擬及分析

3.1 案 例

某條水平埋地管道長(zhǎng)度為81km，全線有三座泵站，泵站間距為27km，管道規(guī)格為410mm×7 mm，400KD2502單泵運(yùn)行，進(jìn)站液位為40m，管道末端出口液位為40m，該管道輸送柴油，油品溫度為20℃，穩(wěn)態(tài)流量為1 225m3/h，設(shè)計(jì)堵塞地點(diǎn)在第二座泵站下游處13.5km，假設(shè)堵塞面積分別為0.09m2（70%），0.10m2（75%），0.11m2（85%），0.12m2（90%）。

3.2 模擬結(jié)果及分析

設(shè)輸油管道在正常運(yùn)行期間，在第二座泵站下游13.5km處突然發(fā)生管道堵塞，引起管道的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。用Visual c＋＋6.0編程計(jì)算，用Origin 6.0將計(jì)算結(jié)果繪制成圖，得出了在不同堵塞面積下壓力及流量的變化，模擬結(jié)果及分析如下。

3.2.1 堵塞面積對(duì)上游壓力影響 在不同的堵塞面積下，堵塞點(diǎn)上游壓力變化如圖3所示，當(dāng)發(fā)生堵塞，堵塞點(diǎn)上游壓頭瞬間出現(xiàn)一個(gè)高峰，然后瞬間降到一定程度，隨后逐漸升高，最后，壓頭趨向于一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。堵塞面積越大，瞬間出現(xiàn)的壓頭高峰峰越大，趨向穩(wěn)定所需時(shí)間越多，穩(wěn)定后的壓頭升高也越大。如堵塞面積小于0.1m2時(shí)，堵塞點(diǎn)上游壓頭所受影響不大。

Fig.3 Pressure changes of upstream of jam圖3 堵塞點(diǎn)上游壓力變化

3.2.2 堵塞面積對(duì)堵塞點(diǎn)流量影響 在不同的堵塞面積下，堵塞點(diǎn)流量變化如圖4所示，當(dāng)發(fā)生堵塞，流量瞬間急劇減小，隨著堵塞點(diǎn)上、下游間壓力差增大，流量隨之上升，最后，流量逐漸建立一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。從上、下游傳播來(lái)的反射波對(duì)流量也造成一定的干擾，且堵塞面積越大，流量瞬間減小越大，趨向穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)后的流量也越小。當(dāng)堵塞面積小于0.1m2，流量所受影響不明顯。

3.2.3 堵塞面積對(duì)上游泵出口壓力量影響 在不同的堵塞面積下，堵塞點(diǎn)上游泵出口壓力變化如圖5所示，堵塞初始，上游泵的出口壓頭不受影響，當(dāng)增壓波傳到上游泵的出口，泵的出口壓頭瞬間出現(xiàn)一個(gè)高峰，然后瞬間降低到一定程度，隨之逐漸升高，最后，泵的出口壓頭趨向一個(gè)新的高度。堵塞面積越大，瞬間出現(xiàn)的壓頭高峰越大，趨向穩(wěn)定所需時(shí)間越多，穩(wěn)定后的壓頭升高也越大。如堵塞面積小于0.1m2時(shí)，泵的出口壓頭所受影響不大。

Fig.4 Flow changes of jam圖4 堵塞點(diǎn)流量變化

Fig.5 Pumps outlet pressure changes of downstream of jam圖5 堵塞點(diǎn)上游泵出口壓力變化

3.2.4 堵塞面積對(duì)堵塞點(diǎn)下游壓力影響 在不同的堵塞面積下，堵塞點(diǎn)下游壓力變化如圖6所示，當(dāng)發(fā)生堵塞，堵塞點(diǎn)下游壓頭瞬間出現(xiàn)一個(gè)低峰，然后瞬間回升到一定程度，隨后逐漸下降，最后，壓頭趨向于一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。堵塞面積越大，瞬間出現(xiàn)的壓頭低峰越大，趨向穩(wěn)定所需時(shí)間越多，穩(wěn)定后的壓頭降低也越大。如堵塞面積小于0.1m2時(shí)，堵塞點(diǎn)下游壓頭所受影響不大。

3.2.5 堵塞面積對(duì)堵塞點(diǎn)下游泵入口壓力影響在不同的堵塞面積下，堵塞點(diǎn)下游泵入口壓力變化如圖7所示，堵塞的初始，下游泵的入口壓頭不受影響，當(dāng)減壓波傳到下游泵的入口，泵的出口壓頭瞬間減小，降低到一定程度，隨后逐漸緩慢減小，最后，泵的入口壓頭趨向一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。堵塞面積越大，瞬間減小越大，趨向穩(wěn)定所需時(shí)間越多，穩(wěn)定后的壓頭也越小。如堵塞面積小于0.1m2時(shí)，泵的入口壓頭所受影響不大。

Fig.6 Pressure changes of downstream of jam圖6 堵塞點(diǎn)下游壓力變化

Fig.7 Pump inlet pressure changes of downstream of jam圖7 堵塞點(diǎn)下游泵入口壓力變化

［1］邱正陽(yáng)，鄧松圣，蔣仕章.長(zhǎng)輸管道探堵水力瞬變理論與模擬計(jì)算［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，7（4）：13－14.

［2］顏錦文，黃仕元，姜彥立.水泵及水泵站［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］王岳，馮玉國(guó)，魏同鋒.加油系統(tǒng)的管網(wǎng)布置對(duì)水力瞬變的影響［J］.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（1）：31－33.

［4］王瑋，馬貴陽(yáng)，孫志民.輸油管網(wǎng)水擊危害及其防治［J］.油氣田地面工程，2010，29（3）：45－46.

［5］劉曉娜，張廷全.復(fù)雜長(zhǎng)輸管道水力瞬變計(jì)算［J］.天然氣與石油，2009，29（3）：11－12.

［6］聶平一，鄧松圣，文俊.管道泄漏水力瞬變模擬研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（7）：19－20.

［7］Finnemore E J，F(xiàn)ranzini J B.流體力學(xué)及其工程應(yīng)用［M］.錢(qián)翼稷，周玉文，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［8］羅惕乾.流體力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

（Ed.：WYX，Z）

The Simulation Analysis of Hydraulic Transient on Blocked Oil Pipeline

SUN Er－guo，WANG Yue，ZHANG Zhi－guo，WU Qi，ZHAO Qing－fu
（College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun Liaoning113001，P.R.China）

When jams happen to a oil pipeline suddenly，transient pressure mutations will appear in the blocked pipe.It causes apressurization wave and a decompression wave which respectively spread to the upstream and the downstream at a certain speed.Through establishing hydraulic transient model of pipe jams，using Visual c＋＋6.0to program the characteristics analysis program of jams hydraulic，taking specific pipeline，the characteristics of transient hydraulic which was caused by different jams acreage was simulated.The simulated results show that pressure and flow rate is affected by the different jams acreage.

Pipeline jam；Hydraulic transient；Simulation analysis

.Tel.：＋86－15041384579；e－mail：sch906＠163.com

TE832

A

10.3696/j.issn.1006－396X.2011.01.019

2010－08－26

孫二國(guó)（1980－），男，山東濟(jì)寧市，在讀碩士。

遼寧省自然科學(xué)基金資助（20082186）。

1006－396X（2011）01－0082－04

Received26August2010；revised10December2010；accepted20December2010