倒灌自流條件下管道水擊模擬研究

田 景 武

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倒灌自流條件下管道水擊模擬研究

田 景 武

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

TLNET軟件建立仿真管輸水擊模型，模擬倒灌自流時快速關(guān)閉閥門的水擊現(xiàn)象，分析總結(jié)了水擊形成的原因，提出了預防措施。為控制輸油管道水擊提供了參考依據(jù)。

管道輸送；水擊現(xiàn)象；TLNET軟件；模擬研究

在管道運行的過程中，沿線各點的工況參數(shù)隨時間是變化的，通常它們的平均值保持不變或變化很小，因此，可認為管道是在穩(wěn)態(tài)下運行。在生產(chǎn)運行時不可避免的會出現(xiàn)誤關(guān)閥門、突然停泵等現(xiàn)象，這些因素都會使流體的這種穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，導致流速和壓力在短時間內(nèi)發(fā)生較大變化，從而引起壓強交替升降，使管道發(fā)生振動，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。本文通過應用Pipeline Studio（TLNET）軟件模擬計算管道水擊過程。仿真模擬可以得到不同位置和不同時間產(chǎn)生的直接水擊壓力及流量變化數(shù)據(jù)。根據(jù)模擬結(jié)果找到全管最大壓力值及其發(fā)生的具體位置，從而為保護管道的水擊安全提供了可靠依據(jù)，可有效避免由水擊引起的生產(chǎn)事故。

1 水擊現(xiàn)象產(chǎn)生原因及危害

由于某種原因引起管內(nèi)液體流速突然變化，引起管道內(nèi)壓力突然變化，這種現(xiàn)象叫做水擊現(xiàn)象。引起水擊現(xiàn)象的主要原因有[1]：

（1）閥門的非正常開閉和調(diào)節(jié)閥瓣的損壞脫落；

（2）泵的事故啟動和斷電停泵；

（3）泵葉片的不穩(wěn)定性振動；

（4）管道的事故堵塞或泄漏；

（5）負壓波產(chǎn)生的空泡潰滅等。

水擊壓力能夠產(chǎn)生超壓、汽蝕等現(xiàn)象，過大的壓力還會造成管道破裂等事故。由此可見，為保證管道在水擊工況下不造成損害，能夠安全、可靠、經(jīng)濟地運行，對管道進行水擊模擬計算，并采取切實可行的安全保護措施顯得尤為重要。

2 水擊過程計算

當管道中流動的液體因瞬時關(guān)閉閥門或突然停泵作用時，流動速度發(fā)生變化，引發(fā)水擊。這種單純由流速變化而產(chǎn)生的水擊壓力，稱為慣性水擊壓力[2]。根據(jù)動量定理，由慣性力引起的水擊壓力計算公式為：

式中：為瞬變時引起的壓力增加值，kPa；為工況發(fā)生變化時引起的速度變化，m/s；為水擊波在管道中傳播速度，m/s；為重力加速度，m/s2；為液體密度kg/m3；為液體體積彈性模量，kPa；為管道彈性模量，kPa；為管內(nèi)徑，m；為管壁厚度，m；為管道因數(shù)。

3 水擊模擬研究

3.1 水擊模型建立

油庫在進行收發(fā)油及倒灌作業(yè)時由于快速關(guān)閉閥門勢必會導致水擊現(xiàn)象，造成壓力瞬間變化，甚至會造成超壓[3]。為此，利用TLNET軟件建立模型，如圖1所示，模擬倒灌自流過程的水擊現(xiàn)象，研究倒灌引起水擊工況的壓力、流量變化。

3.2 模擬及分析

模擬倒灌流程，在10 s內(nèi)強制關(guān)閉下游收油閥。模擬管內(nèi)的水擊壓力和流量的變化，得到下游壓力和上游流量變化趨勢圖（圖2）。

圖2 關(guān)閉閥門時管道下游壓力變化

當收油閥關(guān)閉時管道下游有很強的水擊，其最大壓力達到了很高的數(shù)值，然后逐步衰減。管道上游的壓力受油罐液位的影響，基本保持不變（圖3）。

圖3 關(guān)閉閥門時管道上游流量變化

管道上游的流量即是油罐的流量。圖中正流量表示從罐流入管道，負流量表示從管道流入油罐。由于受壓力波傳遞的影響，流量的峰值逐步衰減，最后穩(wěn)定在0。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于，閥門關(guān)閉后在水擊波傳播過程中，隨著時間的延長，水擊波的振幅不斷減小，最后趨于穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱之為水擊波衰減，簡稱為衰減[4]。由于突然關(guān)閉閥門，導致閥前流體的流動瞬間停止，流體動能全部轉(zhuǎn)變成流體和管道的彈性勢能，壓力瞬間增大到較大數(shù)值，形成了管道下游閥門處的直接水擊壓力。由于壓力的激增，流體受到壓縮，從而使該處流體體積減小，但卻為上游流體充裝留出空間，上游流體不斷流入，補充空余的體積，同時引起流量發(fā)生巨大變化。

4 預防措施及建議

采用TLNET軟件模擬的方式可以準確得到水擊工況時流量、壓力的變化趨勢，確定管線最大壓力值及其所在位置，從而為管道水擊安全保護提供了依據(jù)，保障管道安全生產(chǎn)[5]。由于壓力管道的水擊現(xiàn)象很難避免，在流體輸送管線的現(xiàn)代化管理中，預防水擊現(xiàn)象是很有必要[6]。通過研究分析，筆者提出以下幾點避免水擊現(xiàn)象的方法：

4.1 PIVAS與住院藥房一體化信息系統(tǒng)的構(gòu)建，需要有資深藥學技術(shù)人員的積極參與[5]。藥學技術(shù)人員既要有豐富的藥學專業(yè)知識，又要有良好的程序開發(fā)理念，這樣才能與程序員做到有效溝通，進而將深奧的藥學需求用信息來實現(xiàn)[6]。

（1）延長閥門的開關(guān)時間，以減少動量變化的程度；

（2）關(guān)鍵閥門采用自動化聯(lián)網(wǎng)控制，或者安裝閥門限位裝置；

（3）在管道上安裝泄壓閥，當壓力高到一定限度時，自動泄壓；

（4）在泵站設(shè)高壓保護系統(tǒng)，當管道壓力達到一定值時，自動停泵。

［1］ 雷西娟. 常見輸液管道中的水擊控制[J]. 石油機械，2002(9)：57-58.

［2］ 趙竟奇.管道產(chǎn)生水擊的原因分析[J].油氣儲運,1999,05:35-41+61-6.

［3］楊筱蘅,張國忠.輸油管道設(shè)計與管理[M].東管:石油大學出版社,1996:237-240;242-249.

［4］劉冰,武明,李偉,彭宇,蔡廣遠,王東,李偉. 動態(tài)水擊模擬在管道設(shè)計中的應用與研究[J].石油和化工設(shè)備,2012,05:16-18.

［5］慕希茂. 輸油管道水擊過程分析[J]. 西安石油學院學報(自然科學版),2001,05:22-24+4.19(1)：66-72．

［6］王瑋,馬貴陽,孫志民. 輸油管網(wǎng)水擊危害及其防治[J]. 油氣田地面工程,2010,03:45-46.

Simulation Study on Pipeline Water Hammer Under the Condition of Backward Artesian Flow

TIAN Jing-wu

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

If the steady state is broken during delivering oil in pipeline, the pressure will transiently change to cause water hammer phenomenon. The water hammer formed in the pipeline will lead to excess pressure in certain part, which may cause the pipeline crack and the equipments destroy. Protecting the pipeline from being destroyed by the water hammer has been a key technology of airtight transportation. In this article, a simulation model of pipeline water hammer was established by TLENT software, through which, the water hammer phenomenon caused by closing the valve quickly during flow backward artesian was simulated. Causes of the water hammer were summarized, and several protection measures were put forward, which could provide some references for control of the water hammer in pipeline.

pipeline transportation; water hammer; TLNET software; simulation study

TE 832

A

1671-0460（2016）06-1279-03

2016-04-05

田景武（1989-），男，黑龍江省佳木斯市人，碩士，研究方向：油氣儲運。E-mail：18745955353@163.com。