输油管道堵塞水力瞬变模拟分析

孙二国， 王 岳， 张治国， 吴 琦， 赵庆福

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

输油管道堵塞水力瞬变模拟分析

孙二国， 王 岳， 张治国， 吴 琦， 赵庆福

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

当输油管道某点突然发生堵塞，堵塞处将出现瞬态压力突变，堵塞上、下游处分别形成一增压波和减压波，并以一定的速度向堵塞点上、下游两端传播。通过建立管道堵塞水力瞬变模型，利用Visual c＋＋6.0编写堵塞水力特性分析程序，取特定的案例，对案例中管道不同堵塞面积引起的水力瞬变特性进行了模拟。分析模拟结果，得出了不同的堵塞面积对管道的压力、流量等水力特性的影响。

管道堵塞； 水力瞬变； 模拟分析

目前，我国输油管道建设正处在高速发展阶段，但输油管道在运行期间，常常因为工程施工将管道推弯或因机械压扎使管道变瘪而造成管道的变形，清管器运行至此时就会被卡住，造成堵塞［1］。一些输送含蜡或含水率较高的管道，尤其在冬季，也常常导致管道堵塞。当发生堵塞时，上游压力迅速增高，下游压力降低。当减压波传到下游泵的进口处，有可能造成泵的进口处压力较低而产生汽蚀，它不仅严重影响泵的吸入性能，而且对泵及管道造成严重损害［2－3］。显然管道堵塞造成极大的安全隐患。因此有必要研究不同堵塞面积对流量、压力的影响，以为运行指导、堵塞检测提供必要的辅助方法。

1 数学模型

1.1 管道水力瞬变模型

当输油管道发生堵塞时，由此产生的向上游传播的增压波及向下游传播减压波传到上、下游泵站所用时间很短，因此可设在这个过程中油品的温度是不变化的，且管内油品流动视为一维不定常流动，管道和油品变形均在线型弹性变形范围内。由意大利学者阿列维建立的水力瞬变基本方程组［4－6］，可求得单一管道系统瞬变流正、负特征方程：

由式（1）、（2）得：

将（3）代入（1）或（2）可求得：

其中：

式中，Cw为惯性水击系数，s/m2；H为流体压头，m；a为水击波传播速度，m/s；Q为液流流量，m3/s；t为时间，s；f为列宾宗摩阻系数，（s/m2）1.875；g为重力加速度，m/s2；m为流态指数；A为管流截面积，m2；C＋为正特征线；C－为负特征线；C、p、D为三个差分节点编号。

1.2 管道堵塞模型

当管道堵塞，过油断面先突然变小，后突然变大，因此，可看做在管道中间串联了一个内径较小、长度很短的管道，见图1。由于管道过油截面积突然改变而引起油流局部扰动，造成能量损失，此处的能量损失主要由收缩损失和扩张损失组成［6］。

由能量方程：

式中，K1为扩张损失系数；K为收缩损失系数；A′为堵塞点过油截面积，m2；式中符号有两个下标的，第一个下标表示管道编号，第二个下标表示该段管道的节点号，下同。

Fig.1 Schematic diagram of pipeline jams图1 管道堵塞点示意图

由文献［7］可知，过流截面突然收缩的局部阻力系数见表1。

表1 突然收缩的局部阻力系数Table 1 Coefficient of local resistance of sudden contraction

由连续性原理可知，在堵塞上下游处流量相等。即：

堵塞位置前后特征线方程为：

由（5）～（9）可得：

2 边界条件

2.1 定速离心泵

当油流运动到定速离心泵（见图2）时，定速离心泵为油流提供一定的能量，根据能量守恒，可得以下3个方程：

解方程组（11）得：

当泵的进口压头为常数H时，即Hi，n＋1＝H，有：

式中，α，β为泵性能常数；H为首站泵入口压头，m。

Fig.2 Fixed speed centrifugal pump图2 定速离心泵

2.2 管道末端边界条件

管道末端出口压头基本保持不变，则有：

解方程组（14）得：

式中H0为管道末端出口压头，m。

3 案例模拟及分析

3.1 案 例

某条水平埋地管道长度为81km，全线有三座泵站，泵站间距为27km，管道规格为410mm×7 mm，400KD2502单泵运行，进站液位为40m，管道末端出口液位为40m，该管道输送柴油，油品温度为20℃，稳态流量为1 225m3/h，设计堵塞地点在第二座泵站下游处13.5km，假设堵塞面积分别为0.09m2（70%），0.10m2（75%），0.11m2（85%），0.12m2（90%）。

3.2 模拟结果及分析

设输油管道在正常运行期间，在第二座泵站下游13.5km处突然发生管道堵塞，引起管道的非稳态流动。用Visual c＋＋6.0编程计算，用Origin 6.0将计算结果绘制成图，得出了在不同堵塞面积下压力及流量的变化，模拟结果及分析如下。

3.2.1 堵塞面积对上游压力影响 在不同的堵塞面积下，堵塞点上游压力变化如图3所示，当发生堵塞，堵塞点上游压头瞬间出现一个高峰，然后瞬间降到一定程度，随后逐渐升高，最后，压头趋向于一个新的稳态。堵塞面积越大，瞬间出现的压头高峰峰越大，趋向稳定所需时间越多，稳定后的压头升高也越大。如堵塞面积小于0.1m2时，堵塞点上游压头所受影响不大。

Fig.3 Pressure changes of upstream of jam图3 堵塞点上游压力变化

3.2.2 堵塞面积对堵塞点流量影响 在不同的堵塞面积下，堵塞点流量变化如图4所示，当发生堵塞，流量瞬间急剧减小，随着堵塞点上、下游间压力差增大，流量随之上升，最后，流量逐渐建立一个新的稳态。从上、下游传播来的反射波对流量也造成一定的干扰，且堵塞面积越大，流量瞬间减小越大，趋向稳态所需时间越长，稳态后的流量也越小。当堵塞面积小于0.1m2，流量所受影响不明显。

3.2.3 堵塞面积对上游泵出口压力量影响 在不同的堵塞面积下，堵塞点上游泵出口压力变化如图5所示，堵塞初始，上游泵的出口压头不受影响，当增压波传到上游泵的出口，泵的出口压头瞬间出现一个高峰，然后瞬间降低到一定程度，随之逐渐升高，最后，泵的出口压头趋向一个新的高度。堵塞面积越大，瞬间出现的压头高峰越大，趋向稳定所需时间越多，稳定后的压头升高也越大。如堵塞面积小于0.1m2时，泵的出口压头所受影响不大。

Fig.4 Flow changes of jam图4 堵塞点流量变化

Fig.5 Pumps outlet pressure changes of downstream of jam图5 堵塞点上游泵出口压力变化

3.2.4 堵塞面积对堵塞点下游压力影响 在不同的堵塞面积下，堵塞点下游压力变化如图6所示，当发生堵塞，堵塞点下游压头瞬间出现一个低峰，然后瞬间回升到一定程度，随后逐渐下降，最后，压头趋向于一个新的稳态。堵塞面积越大，瞬间出现的压头低峰越大，趋向稳定所需时间越多，稳定后的压头降低也越大。如堵塞面积小于0.1m2时，堵塞点下游压头所受影响不大。

3.2.5 堵塞面积对堵塞点下游泵入口压力影响在不同的堵塞面积下，堵塞点下游泵入口压力变化如图7所示，堵塞的初始，下游泵的入口压头不受影响，当减压波传到下游泵的入口，泵的出口压头瞬间减小，降低到一定程度，随后逐渐缓慢减小，最后，泵的入口压头趋向一个新的稳态。堵塞面积越大，瞬间减小越大，趋向稳定所需时间越多，稳定后的压头也越小。如堵塞面积小于0.1m2时，泵的入口压头所受影响不大。

Fig.6 Pressure changes of downstream of jam图6 堵塞点下游压力变化

Fig.7 Pump inlet pressure changes of downstream of jam图7 堵塞点下游泵入口压力变化

［1］邱正阳，邓松圣，蒋仕章.长输管道探堵水力瞬变理论与模拟计算［J］.重庆科技学院学报：自然科学版，2005，7（4）：13－14.

［2］颜锦文，黄仕元，姜彦立.水泵及水泵站［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］王岳，冯玉国，魏同锋.加油系统的管网布置对水力瞬变的影响［J］.辽宁石油化工大学学报，2008，28（1）：31－33.

［4］王玮，马贵阳，孙志民.输油管网水击危害及其防治［J］.油气田地面工程，2010，29（3）：45－46.

［5］刘晓娜，张廷全.复杂长输管道水力瞬变计算［J］.天然气与石油，2009，29（3）：11－12.

［6］聂平一，邓松圣，文俊.管道泄漏水力瞬变模拟研究［J］.油气储运，2006，25（7）：19－20.

［7］Finnemore E J，Franzini J B.流体力学及其工程应用［M］.钱翼稷，周玉文，译.北京：机械工业出版社，2005.

［8］罗惕乾.流体力学［M］.北京：机械工业出版社，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，Fushun 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

孙二国（1980－），男，山东济宁市，在读硕士。

辽宁省自然科学基金资助（20082186）。

1006－396X（2011）01－0082－04

Received26August2010；revised10December2010；accepted20December2010