油气管道瞬变分析的研究

2021-01-09荣万里玉门油田分公司炼油化工总厂甘肃酒泉735200

化工管理 2021年26期

荣万里(玉门油田分公司炼油化工总厂，甘肃酒泉 735200)

1 管道瞬变流产生的原因及危害

1.1 瞬变流产生的原因

管道内液体的流动状态可分为稳定和不稳定流动两大类[1]。通常稳定流动是管道流动的基本状态，强度和工艺计算都是基于此种工况。不稳定流动是由于稳定流动受到破坏引起的，其实质是密闭输送介质的流量突然发生了变化，如阀门的正常启闭和调节，阀门事故的开、关和阀瓣的损坏脱落，泵的正常或事故启动和停止，管道的事故堵塞或泄漏，调控中心改变输送流程，进行或停止分输、注入作业导致的输量变化，泵、透平转轮和叶片的不稳定性振动等原因。这是管道的过渡工况，是从一种稳态过渡到另一种稳态或事故的中间阶段，称为水力瞬变。

1.2 管道瞬变流的危害

在长距离管道输送过程中，瞬变流的危害是无法避免的，主要表现在以下两个方面：一是瞬变流产生的增压波易造成管道超压，进而引起管道的强度破坏。水击波增加的压力和由于流动状态的不平衡引起的充装压力叠加在管道稳态的剩余压力上，构成液体的压强。特别是在靠近管道承压极限的位置(如管道的某些低点地段、管道中间管径发生变化的位置、出站管道等)，易发生管壁超出耐压承受极限而受到破坏。二是当中间泵站产生的减压波随着油品输送至下游泵站时，易引起下游泵站里机泵的吸入端压力迅速降低，引起机泵汽蚀，从而影响下游泵机组的正常工作[2]。

新建输油管线投用后，其内部存有气体无法全部排出。在油品输送过程中，管道中的残留空气将被压缩至高点。此时瞬变流引起的减压波到达高点时，油品压力骤降，高点的压缩空气快速膨胀，进而使得下游油品液流加速，上游油品会减速，最后高点压力将不断降低。当高点压力降至最低时，其左右的油品连接一起后，会产生高压，使得管道失稳变形，甚至发生强度破坏[3]。

2 瞬变流理论的发展

2.1 国外瞬变流研究的发展

与国内油气管道瞬变分析的研究相比，国外对瞬变流理论的研究时间较早。早在1850年就有科学家通过实验测得了瞬变条件下管壁弹性对水击波速的影响。20世纪随着欧洲工业革命的开展，瞬变流理论有了较快的发展。1902年，Lereuzo建立了瞬变流基本微分方程，1913年创立了水击分析的图解法和算术法，为水击分析提供了理论依据。从20世纪30年代起，图解法开始发展起来，至60年代，电子计算机的出现为水击分析应用于工程设计开辟了新的途径。V.H.Stieeter教授第一次使用特征线求解，在计算机上求解了考虑摩擦的水击压力，并得到满意的结果[4]。V.H.Stieeter教授与E.Benjamin Wylie于1967年出版了《Hydraulic Transients》一书，并于1978年改写为《Fluid Transients》[5]，于1983年再版，这成为了瞬变分析的理论基础。瞬变分析在经历了算术法、图解法、特征线法等阶段后，管网的水力分析已称为流体力学中一个比较成熟的分支。2002年G.P.Greyvenstein提出了用一种隐式差分法进行瞬变分析[6]。该方法可以满足不同瞬变情况对数值算法的精度要求。2003年，EvangelosTentis等人提出了适应直线法求解一维非稳定流基本欧拉方程，可以提高计算效率和精度[7]。2006年，Vadim提出了对天然气管网进行数值模拟。虽然有很多文献都尝试用新方法对瞬变流进行分析，但是特征线法在计算的速度、精度和稳定性方面具有的优越性是其他方法无法替代的，所以对于天然气管网的瞬变分析主要采用特征线法。

2.2 国内瞬变流研究的发展

国内开始对油气管网瞬变分析探究的时间较晚。1982年，翟宏寿等[8]提出在高压输气管道中采用稳定流方法不能够解决的问题，并推导出非稳定流动的动态方程，得到了手算和电子计算机的差分解方法。1988年，薛世达等人对天然气管网的不稳定流动进行了计算[9],指出对天然气管网进行瞬变分析。通过李长俊等人对天然气管道流动模型动态仿真的静态仿真和动态仿真进行的研究，提出了如果采用具有二阶精度的隐式差分法进行动态仿真，可以增大仿真的时步。随后，在考虑稀疏矩阵编程的基础上，研制出了进行气体管道静、动态仿真软件EGPNS。1998年李长俊和江茂泽在天然气管道系统的不稳定流动方程中引入了线性化系数，利用迦辽金法进行求解。该方法同时具有数值解和解析解的特点[10]。2001年孙建国和王寿喜对天然气管网动态仿真的方法进行了综合分析，并对各种方法的优缺点进行了对比，并针对特征线法和式法进行了动态仿真建模。2005年冯良和亢金波利用一种比较简单的有限差分法对天然气管网的瞬态工况问题进行了求解。2006年，杨昭、张甫仁和朱强等人提出了在恒温和非恒温条件下天然气管网的静态和动态仿真理论模型，并利用有限差分法进行了求解，后来在方程中加入了耗散项，提高了计算结果的精度和稳定。通过对初始点的增加和出口点的延长简化了该模型的求解[11]。2009年，岑康、李长俊结合特征线法进行数值模拟计算出高频瞬变流动过程的数值解，该模型对液体管道高频瞬变分析具有很好的应用潜力。

3 瞬变分析在油气管道中的应用

在对油气管道进行设计和运行时，如果不能掌握可能发生的不稳定工况参数，很有可能因为加大安全系数造成经济浪费，或者引起水击事故。因此，必须通过瞬变分析制定合理的运行和调节方案，从而确保管道安全、经济地运行。

3.1 管道的压力调节和保护

长输管道运行过程中压力调节的种类有很多，但比较常用的有：进出站选择性保护调节、变频器调节和出站调节阀调节。压力保护的方法主要有：水击超前保护、高低压泄压保护以及高低压压力保护。一般情况下，无论是原油还是成品油管道，在进出站都有自动泄压系统，当管道压力高于泄压阀的设定值时，阀门自动打开。成品油管道的进出站选择性保护调节方式有变频调节和出站调节阀调节。原油采用的是出站调节阀调节。目前国外均采用水击超前保护，我国西部地区水击保护系统还不是很成熟，目前并未投入使用。

3.2 有压瞬变流反问题的研究

基于目前发展的局限性，对反问题的研究还不是很成熟。由于并未对反问题解的存在性、唯一性和稳定性从数学角度进行证明，一般的求解方法还未建立，对某类反问题的求解方法不一定适用于其他他型的反问题，所以人们只能对某些特定的反问题进行特定的求解。对有压瞬变流反问题求解的研究就属于这种情况。目前，对有压瞬变流反问题的研究方兴未艾，经过国内外学者的探讨和研究，得到了不少行之有效的求解方法。应用范围较广的求解方法，大致可分为基于阀门程控的方法、最优化求解方法、基于现代控制理论方法、脉冲响应法、尝试法、辨识法等。

3.3 开放式数据监控与采集系统(SCADA系统)

SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，可以对现场的运行设备进行监视和控制。目前管道全线通常按三级控制设计：第一级为控制中心集中监控；第二级为站场控制；第三级为设备控制。若油气管路系统发生了渗漏事故，则渗漏点的位置和渗漏量将组成管路系统，并成为边界条件的一部分，所以渗漏检测研究是很重要的。如果能通过SCADA系统对相关的分析处理，将会是在检测油气管路渗漏中最简单高效方法之一。

4 油气管道瞬变分析发展趋势

4.1 管道瞬变流主动控制策略

管道中设置空气罐、减压阀、泄压阀并不能从根本上避免水击事故的发生，从而实现高、低压的控制。瞬变流的主动控制在管道设计过程中，主要运用在确定阀门的位置、泵站的安装位置、测量点的布置等控制方面。在管道运行过程中，主要运用在阀门的调节程序、泵站启停方案和调节程序等控制方面。所以，瞬变流动的主动控制策略在油气管道输送的设计和运行控制领域将有广阔的前景。

4.2 调度员人为干预和控制

在停电的时候，可以通过以下两种方法降低管道瞬变流的危害，一是减小上游泵站出站口设定的压力值，出站产生的减压波将会变小，传到上游后降低增压波的强度；二是减小下游泵站出站口设定的压力值，产生进站反方向的增压波来抵消上游的增压波。人为干预瞬变流的强度，能有效弥补长输管线上设备自身的缺陷，以及输送管道工艺本身的不足。人为干预和控制管道瞬变流的效果，主要取决于调度员对突发状况的应对能力以及工作经验，这对控制油气管道瞬变流有着较大的意义。

4.3 油气管道瞬变流摩阻的计算

在油气管道中，一般选用非恒定的摩阻模型，这样就能够更加准确地模拟管道中形成的瞬变流。在水击计算中，对于层流瞬变流宜选用Zielke模型或Trikha模型；对于紊流瞬变流宜选用Vardy-Brown模型或Brunone模型。所述模型在单管和简单管网中的正确性已经得到证实，但其是否适用于复杂长距离管道系统的瞬变计算还需要进行研究。