水擊分析方法及保護(hù)措施

李立婉, 高永強(qiáng), 萬(wàn)宇飛

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）, 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司, 山東 東營(yíng) 257026）

水擊分析方法及保護(hù)措施

李立婉1, 高永強(qiáng)2, 萬(wàn)宇飛1

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）, 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司, 山東 東營(yíng) 257026）

可靠的水擊安全保護(hù)措施對(duì)密閉輸送管道的安全性具有重要意義。對(duì)水擊分析方法以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，同時(shí)總結(jié)了管道輸送過(guò)程中的水擊保護(hù)措施。

密閉輸送；水擊；分析；保護(hù)措施

密閉輸油管道是一個(gè)整體的水力系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)下流量一致，運(yùn)行狀態(tài)由全線各站泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、揚(yáng)程及管道調(diào)節(jié)情況確定。管道沿線某一點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)變化會(huì)在管內(nèi)產(chǎn)生瞬變壓力脈動(dòng)，從而引起水擊。造成水擊現(xiàn)象的原因有很多，如閥的開啟和關(guān)閉、泵機(jī)組停運(yùn)與投運(yùn)、管道充液排氣、混油界面通過(guò)離心泵等。密閉運(yùn)行的輸油管道一旦發(fā)生突發(fā)的、具有嚴(yán)重破壞性的水擊事故，可能造成管道局部超壓破裂和設(shè)備損壞，導(dǎo)致跑油、火災(zāi)并嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，可靠的水擊安全保護(hù)措施，對(duì)于密閉輸油管道的安全輸送具有重要意義。

1 水擊分析方法

引起管道水流速度突然變化是水擊發(fā)生的條件,液體具有慣性和壓縮性是發(fā)生水擊的內(nèi)在原因[1]。

水擊分析方法大致可歸為三類：

1.1 圖解法

圖解法以兩個(gè)波動(dòng)積分方程作為理論依據(jù)，在H-V 圖上，按一定的線性規(guī)律畫出特征線，由此確定沿管道一定長(zhǎng)度內(nèi)各點(diǎn)的壓力升高值[2]。該方法概念明確，簡(jiǎn)單易用，且具有一定計(jì)算精度，可直觀地顯示出水擊壓力的變化過(guò)程，具有一定的實(shí)用性。但管道系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了圖解法的復(fù)雜程度，管道越復(fù)雜，摩阻損失所占比重越大，計(jì)算過(guò)程也越復(fù)雜，同時(shí)計(jì)算精度也越低，限制了對(duì)工程水擊問(wèn)題的研究和解決。目前，已基本被數(shù)值方法所取代。

1.2 解析法

解析法是對(duì)描述管內(nèi)不穩(wěn)流的兩個(gè)偏微分方程中的非線性摩擦項(xiàng)進(jìn)行各種簡(jiǎn)化，從而獲得它的解析解。此種方法在對(duì)于離心泵站、閥門等復(fù)雜邊界條件的求解過(guò)程中，既復(fù)雜而又難以理解，而且難以保證計(jì)算精度。因此，這類方法未獲得廣泛應(yīng)用。

1.3 數(shù)值方法

1.3.1 特征線法

特征線法是把不穩(wěn)流的兩個(gè)偏微分方程進(jìn)行線性組合，轉(zhuǎn)換成兩組常微分方程，即特征方程，簡(jiǎn)化了管道瞬變流動(dòng)的求解[3]。該方法容易滿足數(shù)值計(jì)算解的收斂條件，便于建立各類邊界條件方程，便于處理管道的摩阻損失，從而提高計(jì)算精度。

對(duì)于摩擦力項(xiàng)的近似處理，有許多方法，如顯式近似、線性隱式近似和非線性隱式近似，以及基于 Picard 定理的迭代方法等。對(duì)于顯式格式,當(dāng)流體粘性大或管道很長(zhǎng)時(shí),累積誤差可能使計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際情況,造成計(jì)算不穩(wěn)定；非線性格式和基于 Picard 定理的算法雖然可以改變這一情況,但需要迭代,這將給程序編制和求解帶來(lái)不利；而采用線性隱式近似,一方面它具有二階精度,可以消除計(jì)算不穩(wěn)定；另一方面它不需要迭代,可以方便求解。

20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)密執(zhí)安大學(xué) V.H.Stieeter[4]教授第一次使用特征線解法，開始了工程設(shè)計(jì)中把水擊計(jì)算作為正常設(shè)計(jì)程序的起點(diǎn)。1991 年，Sibetheros[5]等人發(fā)現(xiàn)在無(wú)摩擦水平管的水擊數(shù)值模擬中，通過(guò)使用多項(xiàng)式的插入方法，會(huì)大大提高特征線法的效果。2005 年，Don J.Wood[6]比較了特征線方法（MOC）和波浪特征線方法（WCM），結(jié)果顯示，在同樣的建模精度的前提下，WCM 方法減少了執(zhí)行時(shí)間。同時(shí)，他表明，當(dāng)需要更高的精確性的時(shí)候，WCM不會(huì)提高每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算量，而 MOC 方法的每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算量和精度是成比例的。2006 年，Saikia 和 Sarma[7]使用特征線方法和巴爾顯式摩擦系數(shù)建立了分析水擊問(wèn)題的數(shù)值模型，該模型用來(lái)檢測(cè)水庫(kù)上游管道的下游閥門的快速關(guān)閉，該方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是和松散擴(kuò)散法的結(jié)果進(jìn)行比較測(cè)試而得出的。2008 年，M.H.Afshar和 M.Rohani[8]提出了隱式特征線方法（IMOC），補(bǔ)救了傳統(tǒng)特征線方法的缺點(diǎn)和局限性。元素定義了三個(gè)設(shè)備,即閥門、水庫(kù)和泵，定義每個(gè)設(shè)備的方程最終組成了一個(gè)方程系統(tǒng)，用來(lái)解決為止節(jié)點(diǎn)的源頭和流動(dòng)。這種方法允許在管道系統(tǒng)中任意設(shè)備的組合，他將這種方法應(yīng)用于閥門關(guān)閉及泵系統(tǒng)失效案例中，并將結(jié)果與顯式特征線方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該方法對(duì)水頭和流量參數(shù)的預(yù)測(cè)具有較高的精確性。

1.3.2 有限差分方法

水擊特征方程的摩阻項(xiàng)是非線性的，無(wú)法采用積分方法獲得解析解，由此產(chǎn)生了有限差分方法。有限差分法分為顯式和隱式 2 種格式。隨著差分方法的發(fā)展，產(chǎn)生了眾多不同精度的差分格式，但在收斂性、穩(wěn)定性等方面仍需提高。

Chaudhry 和 Hussaini[9]運(yùn)用顯式有限差分（FD）方法分析水擊方程，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用二階顯式有限差分方法可以比一階特征線方法（MOC）得到更好的分析成果。Izquierdo 和 Iglesias[10[11]提出了一個(gè)水擊模擬的二層-五層渦流粘性模型。通過(guò)一個(gè)無(wú)量綱參數(shù) P,即剪切波徑向擴(kuò)散時(shí)間尺度和波傳播時(shí)間尺度的比例，來(lái)預(yù)測(cè)在水擊現(xiàn)象中流體軸對(duì)稱定常假設(shè)的準(zhǔn)確性。他證明了水擊流動(dòng)的湍流模型對(duì)管道中心的渦流粘性的大小和分布不敏感，通過(guò)模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了定常假定的準(zhǔn)確性隨著無(wú)量綱參數(shù)P的增加而增加，同時(shí)，證明了定常假定在模擬時(shí)間低于擴(kuò)散時(shí)間時(shí)高度準(zhǔn)確，同時(shí)使得模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)的差異隨時(shí)間推移而線性增加。

2 水擊控制及保護(hù)

以水擊理論為基礎(chǔ)，長(zhǎng)輸管道的水擊控制方法體系已基本形成。以進(jìn)、出站壓力為基本控制參數(shù)，從控制水擊波傳播速度和液流變化量[12]著手，以保證管道在安全輸油的前提下經(jīng)濟(jì)效益最大,控制穩(wěn)定進(jìn)行,過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)迅速結(jié)束為基本要求，形成了三種水擊保護(hù)措施：

2.1 自動(dòng)保護(hù)裝置

2.1.1 泄壓閥

在輸油泵站中,自動(dòng)保護(hù)裝置主要是指由高、低泄壓閥組成的高、低壓泄壓系統(tǒng)[13]。在管道的一定地點(diǎn)安裝泄放閥，當(dāng)出現(xiàn)水擊高壓波時(shí)，通過(guò)閥門開啟，液體泄放，從而削弱高壓波，防止水擊造成危害。

2.1.2 氣體緩沖罐

氣體緩沖罐可用于防止管道超壓和減壓過(guò)程中產(chǎn)生液柱分離。設(shè)計(jì)合理的緩沖罐不僅適用于減輕管內(nèi)的瞬變壓力，還可適用于管道周期性的壓力波動(dòng)。

2.1.3 空氣閥

空氣閥用于防止瞬變過(guò)程減壓波使管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。它通常安裝在管道正常運(yùn)行時(shí)動(dòng)水壓力較低，瞬變流動(dòng)過(guò)程中有可能產(chǎn)生液柱分離的高點(diǎn)位置。

2.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

泵站的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)出壓力設(shè)定值及控制算法,利用調(diào)節(jié)閥的開關(guān)、調(diào)速電機(jī)的變速和部分泵機(jī)組的停啟來(lái)調(diào)節(jié)泵站的進(jìn)出站壓力。

2.2.1 調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥在長(zhǎng)輸管道上與調(diào)節(jié)器構(gòu)成一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng),進(jìn)行壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、水擊波控制和啟泵保護(hù)。調(diào)節(jié)閥是一種阻力可變的截流元件，通過(guò)改變閥門的開度，改變管道系統(tǒng)的工作特性[14]，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量、改變壓力的目的。

2.2.2 泵機(jī)組順序自動(dòng)停運(yùn)

泵機(jī)組順序自動(dòng)停運(yùn)是建立在泵站邏輯控制基礎(chǔ)上的一種保護(hù)措施[15]。該措施主要用于泵站吸入壓力超低，或出站壓力超高的保護(hù)，主要用于采用串聯(lián)泵機(jī)組的泵站口。

2.2.3 頻泵調(diào)節(jié)

改變泵機(jī)組轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)管道內(nèi)壓力變化，當(dāng)進(jìn)站壓力升高時(shí)，增加轉(zhuǎn)速，降低進(jìn)站壓力，提高出站壓力．防止壓力波的堆積累加。

2.3 超前保護(hù)

瞬變過(guò)程的超前保護(hù)是建立在高度自動(dòng)化基礎(chǔ)上的一項(xiàng)保護(hù)技術(shù)。擾動(dòng)源通過(guò)通訊系統(tǒng)發(fā)出指令，使壓力波相反疊加，從而不至于對(duì)管道產(chǎn)生威脅性壓力。國(guó)外從 20 世紀(jì) 70 年代迅速發(fā)展起來(lái)的管道監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)，為超前保護(hù)的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)和可靠保證。

2.4 其他保護(hù)措施

除上述三種主要的保護(hù)措施之外，還包括管道增強(qiáng)保護(hù)、回流保護(hù)、增加飛輪轉(zhuǎn)矩保護(hù)、設(shè)置旁通調(diào)節(jié)閥、增加埋深、控制混油界面等保護(hù)措施。

3 結(jié) 論

國(guó)內(nèi)外對(duì)瞬變流動(dòng)過(guò)程理論研究起源較早，并已較為成熟，尤其是隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，形成了多種以傳統(tǒng)水擊理論為基礎(chǔ)而進(jìn)行優(yōu)化的水擊求解方法和計(jì)算模型，進(jìn)一步提高了計(jì)算精度，減少了計(jì)算量，為長(zhǎng)輸管道工程的水擊模擬計(jì)算奠定了良好的基礎(chǔ)。

以水擊理論為基礎(chǔ)，長(zhǎng)輸管道的水擊控制方法體系已基本形成。

［1］劉宏.管道水擊問(wèn)題分析計(jì)算及預(yù)防[J].西部探礦工程,2006,1(8):84-85.

［2］孟曉強(qiáng),趙麗,楊超,等.阿賽線輸油管道水擊控制仿真研究[J].石油鉆采工藝,2012,34(9):98-100.

［3］陳思.蘭州—成都原油管道工程水力工況分析研究[D].山東:中國(guó)石油大學(xué)（華東）,2009.

［4］Victor L.Streeter,Chintu Lai.Water-Hammer Analysis Including Fluid Friction[J].Transactions of the American Society of Civil Engineers ,1963,128(1):1491-1523.

［5］Sibetheros IA, Holley ER, Branksi JM. Spline interpolation for water hammer analysis[J].Journal of Hydraulic Engineering,1991,117(10): 1332-51.

［6］Don J.Wood.Waterhammer Analysis-Essential and Easy (and Effici ent)[J].Journal of Environmental Engineering, 2005,131:1123-1131.

［ 7］ Saikia MD, Sarma AK.Numerical modeling of water hammer with variable friction factor[J]. Journal of Engineering and Applied Sciences,2006,1(4):35-40.

［8］M.H. Afshar, M. Rohani.Water hammer simulation by implicit method of characteristic[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2008,85:851–859.

［9］Chaudhry HM, Hussaini MY. Second-order accurate explicit finitedifference schemes for water hammer analysis[J]. Journal of Fluids Engineering,1985,107:523-529.

［10］J.Izouierdo, P.L.Iglesias.,Mathematical modeling of hydraulic transi ents in simple systems[J].Mathematical and Computer Modelling,2 002,35:801-812.

［11］Mohamed S. Ghidaoui,M.ASCE,Sameh G. S. Mansour.Applicability of Quasisteady and Axisymmetric Turbulence Models in Water Hammer[J].Journal of Hydraulic Engineering,2002,128:917-924.

［12］丁大雷,石英春.管道水擊控制[J].化工進(jìn)展,2012,31:70-72.

［13］蒲加波,王世凱.關(guān)于原油管道水擊控制的研究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2011(12):292-292.

［ 14 ］ 張 柏 松 .采 用 調(diào) 節(jié) 閥 系 統(tǒng) 控 制 管 道 的 水 擊 [J].油 氣 儲(chǔ)運(yùn),1996,15(4):18-20.

［15］袁運(yùn)棟.輸油管線水擊超前保護(hù)與 ESD 系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].陜西：西安石油大學(xué),2010.

華盛頓特區(qū)禁用PS泡沫塑料盒

華盛頓市長(zhǎng) Vincent Gray 在 7 月 29 日簽署法案，禁用泡沫塑料食品和飲料包裝盒。

禁令將在 2016 年 1 月 1 日開始生效，比 Gray 最初起草的立法早兩年。包括餐館、外賣店、快餐車在內(nèi)的食品和飲料銷售點(diǎn)都只能提供可降解或其他可循環(huán)利用的包裝盒，否則將被處罰。屠宰者和副食商店所使用的包裝生肉的泡沫塑料盤除外。

此前，美國(guó)西海岸不少城市已經(jīng)禁用 PS，包括西雅圖、波特蘭、舊金山。華盛頓此舉只是環(huán)境清掃提案中的一部分。本月初，華盛頓特區(qū)議會(huì)在幾乎沒有爭(zhēng)議的情況下通過(guò)了華盛頓特區(qū) 2014 可持續(xù)綜合法案.

美國(guó)化學(xué)理事會(huì)稱，這樣的禁令對(duì)當(dāng)?shù)厣虡I(yè)而言代價(jià)巨大，而且已經(jīng)證實(shí)對(duì)改善環(huán)境效果甚微。

“但是我們出于善意指出，在餐飲行業(yè)禁用 PS 泡沫塑料并不會(huì)改善華盛頓特區(qū)的可持續(xù)發(fā)展程度，”在議會(huì)投票通過(guò)禁令后，美國(guó)化學(xué)理事會(huì)發(fā)布聲明指出這一點(diǎn)，“事實(shí)上，在這個(gè)城市缺乏堆肥機(jī)會(huì)的情況下推廣可堆肥產(chǎn)品，在很多社區(qū)都使用 PS泡沫塑料的情況下不去檢測(cè)回收利用的機(jī)會(huì)，議會(huì)這樣的做法可能會(huì)對(duì)環(huán)境更加不利。”

四年前，華盛頓特區(qū)開始就一次性塑料袋對(duì)當(dāng)?shù)亓闶凵陶魇?5 美分的稅款，每年可集資 200 萬(wàn)美元用于水域清理。禁令提倡者稱，塑料袋征稅以及現(xiàn)在的泡沫塑料禁令對(duì)清理附近水域大有幫助，尤其是阿納卡斯蒂亞河。

Analysis Methods and Protection Measures of Water Hammer

LI Li-wan1, GAO Yong-qiang2, WAN Yu-fei1
（1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249，China；2. Sinopec Petroleum Engineering Design Co., Ltd., Shandong Dongying 257026，China）

Reliable water hammer protection measures are of great significance to close-line transportation safety. In this paper, the water hammer analysis method and its research status at home and abroad were summarized; meanwhile the water hammer protection measures were listed.

Close-line transportation; Water hammer; Analysis; Protection measure

TQ 832

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1367-03

2014-05-16

李立婉（1992-），女，研究方向：長(zhǎng)輸管道水擊計(jì)算。E-mail：wan2832277@126.com。