油氣管道瞬變分析的研究

榮萬里(玉門油田分公司煉油化工總廠，甘肅 酒泉 735200)

1 管道瞬變流產(chǎn)生的原因及危害

1.1 瞬變流產(chǎn)生的原因

管道內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定流動(dòng)兩大類[1]。通常穩(wěn)定流動(dòng)是管道流動(dòng)的基本狀態(tài)，強(qiáng)度和工藝計(jì)算都是基于此種工況。不穩(wěn)定流動(dòng)是由于穩(wěn)定流動(dòng)受到破壞引起的，其實(shí)質(zhì)是密閉輸送介質(zhì)的流量突然發(fā)生了變化，如閥門的正常啟閉和調(diào)節(jié)，閥門事故的開、關(guān)和閥瓣的損壞脫落，泵的正?；蚴鹿蕟?dòng)和停止，管道的事故堵塞或泄漏，調(diào)控中心改變輸送流程，進(jìn)行或停止分輸、注入作業(yè)導(dǎo)致的輸量變化，泵、透平轉(zhuǎn)輪和葉片的不穩(wěn)定性振動(dòng)等原因。這是管道的過渡工況，是從一種穩(wěn)態(tài)過渡到另一種穩(wěn)態(tài)或事故的中間階段，稱為水力瞬變。

1.2 管道瞬變流的危害

在長距離管道輸送過程中，瞬變流的危害是無法避免的，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是瞬變流產(chǎn)生的增壓波易造成管道超壓，進(jìn)而引起管道的強(qiáng)度破壞。水擊波增加的壓力和由于流動(dòng)狀態(tài)的不平衡引起的充裝壓力疊加在管道穩(wěn)態(tài)的剩余壓力上，構(gòu)成液體的壓強(qiáng)。特別是在靠近管道承壓極限的位置(如管道的某些低點(diǎn)地段、管道中間管徑發(fā)生變化的位置、出站管道等)，易發(fā)生管壁超出耐壓承受極限而受到破壞。二是當(dāng)中間泵站產(chǎn)生的減壓波隨著油品輸送至下游泵站時(shí)，易引起下游泵站里機(jī)泵的吸入端壓力迅速降低，引起機(jī)泵汽蝕，從而影響下游泵機(jī)組的正常工作[2]。

新建輸油管線投用后，其內(nèi)部存有氣體無法全部排出。在油品輸送過程中，管道中的殘留空氣將被壓縮至高點(diǎn)。此時(shí)瞬變流引起的減壓波到達(dá)高點(diǎn)時(shí)，油品壓力驟降，高點(diǎn)的壓縮空氣快速膨脹，進(jìn)而使得下游油品液流加速，上游油品會減速，最后高點(diǎn)壓力將不斷降低。當(dāng)高點(diǎn)壓力降至最低時(shí)，其左右的油品連接一起后，會產(chǎn)生高壓，使得管道失穩(wěn)變形，甚至發(fā)生強(qiáng)度破壞[3]。

2 瞬變流理論的發(fā)展

2.1 國外瞬變流研究的發(fā)展

與國內(nèi)油氣管道瞬變分析的研究相比，國外對瞬變流理論的研究時(shí)間較早。早在1850年就有科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)測得了瞬變條件下管壁彈性對水擊波速的影響。20世紀(jì)隨著歐洲工業(yè)革命的開展，瞬變流理論有了較快的發(fā)展。1902年，Lereuzo建立了瞬變流基本微分方程，1913年創(chuàng)立了水擊分析的圖解法和算術(shù)法，為水擊分析提供了理論依據(jù)。從20世紀(jì)30年代起，圖解法開始發(fā)展起來，至60年代，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為水擊分析應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)開辟了新的途徑。V.H.Stieeter教授第一次使用特征線求解，在計(jì)算機(jī)上求解了考慮摩擦的水擊壓力，并得到滿意的結(jié)果[4]。V.H.Stieeter教授與E.Benjamin Wylie于1967年出版了《Hydraulic Transients》一書，并于1978年改寫為《Fluid Transients》[5]，于1983年再版，這成為了瞬變分析的理論基礎(chǔ)。瞬變分析在經(jīng)歷了算術(shù)法、圖解法、特征線法等階段后，管網(wǎng)的水力分析已稱為流體力學(xué)中一個(gè)比較成熟的分支。2002年G.P.Greyvenstein提出了用一種隱式差分法進(jìn)行瞬變分析[6]。該方法可以滿足不同瞬變情況對數(shù)值算法的精度要求。2003年，EvangelosTentis等人提出了適應(yīng)直線法求解一維非穩(wěn)定流基本歐拉方程，可以提高計(jì)算效率和精度[7]。2006年，Vadim提出了對天然氣管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。雖然有很多文獻(xiàn)都嘗試用新方法對瞬變流進(jìn)行分析，但是特征線法在計(jì)算的速度、精度和穩(wěn)定性方面具有的優(yōu)越性是其他方法無法替代的，所以對于天然氣管網(wǎng)的瞬變分析主要采用特征線法。

2.2 國內(nèi)瞬變流研究的發(fā)展

國內(nèi)開始對油氣管網(wǎng)瞬變分析探究的時(shí)間較晚。1982年，翟宏壽等[8]提出在高壓輸氣管道中采用穩(wěn)定流方法不能夠解決的問題，并推導(dǎo)出非穩(wěn)定流動(dòng)的動(dòng)態(tài)方程，得到了手算和電子計(jì)算機(jī)的差分解方法。1988年，薛世達(dá)等人對天然氣管網(wǎng)的不穩(wěn)定流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算[9],指出對天然氣管網(wǎng)進(jìn)行瞬變分析。通過李長俊等人對天然氣管道流動(dòng)模型動(dòng)態(tài)仿真的靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行的研究，提出了如果采用具有二階精度的隱式差分法進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，可以增大仿真的時(shí)步。隨后，在考慮稀疏矩陣編程的基礎(chǔ)上，研制出了進(jìn)行氣體管道靜、動(dòng)態(tài)仿真軟件EGPNS。1998年李長俊和江茂澤在天然氣管道系統(tǒng)的不穩(wěn)定流動(dòng)方程中引入了線性化系數(shù)，利用迦遼金法進(jìn)行求解。該方法同時(shí)具有數(shù)值解和解析解的特點(diǎn)[10]。2001年孫建國和王壽喜對天然氣管網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真的方法進(jìn)行了綜合分析，并對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比，并針對特征線法和式法進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真建模。2005年馮良和亢金波利用一種比較簡單的有限差分法對天然氣管網(wǎng)的瞬態(tài)工況問題進(jìn)行了求解。2006年，楊昭、張甫仁和朱強(qiáng)等人提出了在恒溫和非恒溫條件下天然氣管網(wǎng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真理論模型，并利用有限差分法進(jìn)行了求解，后來在方程中加入了耗散項(xiàng)，提高了計(jì)算結(jié)果的精度和穩(wěn)定。通過對初始點(diǎn)的增加和出口點(diǎn)的延長簡化了該模型的求解[11]。2009年，岑康、李長俊結(jié)合特征線法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算出高頻瞬變流動(dòng)過程的數(shù)值解，該模型對液體管道高頻瞬變分析具有很好的應(yīng)用潛力。

3 瞬變分析在油氣管道中的應(yīng)用

在對油氣管道進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，如果不能掌握可能發(fā)生的不穩(wěn)定工況參數(shù)，很有可能因?yàn)榧哟蟀踩禂?shù)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，或者引起水擊事故。因此，必須通過瞬變分析制定合理的運(yùn)行和調(diào)節(jié)方案，從而確保管道安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

3.1 管道的壓力調(diào)節(jié)和保護(hù)

長輸管道運(yùn)行過程中壓力調(diào)節(jié)的種類有很多，但比較常用的有：進(jìn)出站選擇性保護(hù)調(diào)節(jié)、變頻器調(diào)節(jié)和出站調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。壓力保護(hù)的方法主要有：水擊超前保護(hù)、高低壓泄壓保護(hù)以及高低壓壓力保護(hù)。一般情況下，無論是原油還是成品油管道，在進(jìn)出站都有自動(dòng)泄壓系統(tǒng)，當(dāng)管道壓力高于泄壓閥的設(shè)定值時(shí)，閥門自動(dòng)打開。成品油管道的進(jìn)出站選擇性保護(hù)調(diào)節(jié)方式有變頻調(diào)節(jié)和出站調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。原油采用的是出站調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。目前國外均采用水擊超前保護(hù)，我國西部地區(qū)水擊保護(hù)系統(tǒng)還不是很成熟，目前并未投入使用。

3.2 有壓瞬變流反問題的研究

基于目前發(fā)展的局限性，對反問題的研究還不是很成熟。由于并未對反問題解的存在性、唯一性和穩(wěn)定性從數(shù)學(xué)角度進(jìn)行證明，一般的求解方法還未建立，對某類反問題的求解方法不一定適用于其他他型的反問題，所以人們只能對某些特定的反問題進(jìn)行特定的求解。對有壓瞬變流反問題求解的研究就屬于這種情況。目前，對有壓瞬變流反問題的研究方興未艾，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的探討和研究，得到了不少行之有效的求解方法。應(yīng)用范圍較廣的求解方法，大致可分為基于閥門程控的方法、最優(yōu)化求解方法、基于現(xiàn)代控制理論方法、脈沖響應(yīng)法、嘗試法、辨識法等。

3.3 開放式數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))

SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。目前管道全線通常按三級控制設(shè)計(jì)：第一級為控制中心集中監(jiān)控；第二級為站場控制；第三級為設(shè)備控制。若油氣管路系統(tǒng)發(fā)生了滲漏事故，則滲漏點(diǎn)的位置和滲漏量將組成管路系統(tǒng)，并成為邊界條件的一部分，所以滲漏檢測研究是很重要的。如果能通過SCADA系統(tǒng)對相關(guān)的分析處理，將會是在檢測油氣管路滲漏中最簡單高效方法之一。

4 油氣管道瞬變分析發(fā)展趨勢

4.1 管道瞬變流主動(dòng)控制策略

管道中設(shè)置空氣罐、減壓閥、泄壓閥并不能從根本上避免水擊事故的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)高、低壓的控制。瞬變流的主動(dòng)控制在管道設(shè)計(jì)過程中，主要運(yùn)用在確定閥門的位置、泵站的安裝位置、測量點(diǎn)的布置等控制方面。在管道運(yùn)行過程中，主要運(yùn)用在閥門的調(diào)節(jié)程序、泵站啟停方案和調(diào)節(jié)程序等控制方面。所以，瞬變流動(dòng)的主動(dòng)控制策略在油氣管道輸送的設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的前景。

4.2 調(diào)度員人為干預(yù)和控制

在停電的時(shí)候，可以通過以下兩種方法降低管道瞬變流的危害，一是減小上游泵站出站口設(shè)定的壓力值，出站產(chǎn)生的減壓波將會變小，傳到上游后降低增壓波的強(qiáng)度；二是減小下游泵站出站口設(shè)定的壓力值，產(chǎn)生進(jìn)站反方向的增壓波來抵消上游的增壓波。人為干預(yù)瞬變流的強(qiáng)度，能有效彌補(bǔ)長輸管線上設(shè)備自身的缺陷，以及輸送管道工藝本身的不足。人為干預(yù)和控制管道瞬變流的效果，主要取決于調(diào)度員對突發(fā)狀況的應(yīng)對能力以及工作經(jīng)驗(yàn)，這對控制油氣管道瞬變流有著較大的意義。

4.3 油氣管道瞬變流摩阻的計(jì)算

在油氣管道中，一般選用非恒定的摩阻模型，這樣就能夠更加準(zhǔn)確地模擬管道中形成的瞬變流。在水擊計(jì)算中，對于層流瞬變流宜選用Zielke模型或Trikha模型；對于紊流瞬變流宜選用Vardy-Brown模型或Brunone模型。所述模型在單管和簡單管網(wǎng)中的正確性已經(jīng)得到證實(shí)，但其是否適用于復(fù)雜長距離管道系統(tǒng)的瞬變計(jì)算還需要進(jìn)行研究。

5 結(jié)語

隨著我國油氣管道建設(shè)的不斷快速發(fā)展，對油氣管道中瞬變分析的研究將會越來越受到重視。油氣管道中瞬變分析理論的研究發(fā)展趨勢主要包括管道瞬變流主動(dòng)控制策略、調(diào)度員人為干預(yù)和控制以及瞬變流摩阻的計(jì)算。以上瞬變分析理論方面的研究進(jìn)步將會進(jìn)一步提高管道自動(dòng)化控制技術(shù)的控制水平，保障油氣管道能夠經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。