长距离输油气管线清管过程仿真及应用研究

发布时间：2020-03-18 04:00

【摘要】：随着我国管道事业步入快速发展阶段,长输管线运距和运量不断地增加,清管作为保障管道高效、安全运行的重要手段,得到了广泛的应用。清管器是清管作业的核心工具,掌握其运动规律对降低清管作业风险、保障清管作业安全实施至关重要。但是,由于长输管线的密闭性、介质流动的复杂性以及沿线地形地貌的多样性,导致通过静态模型已不能准确描述清管过程中各参数的动态变化趋势。因此,有必要研究长输管线清管过程动态仿真技术,为清管作业方案的制定及实施提供可靠的技术指导,从而提高清管效果、降低管道能耗。针对以上问题,本文进行了长输管线清管过程动态仿真技术研究,并编制了清管过程仿真计算程序。首先,分析常用清管器在管道内的受力变形情况,采用等效体积法计算其与管道内壁面的有效接触长度,研究清管器的憋压发送过程,为其运动模型的建立奠定基础。随后,分析总结长输管线清管过程的影响因素,为清管器运动规律的研究提供参考。其次,较为全面的考虑了长输管线地形起伏、气体真实物性和清管器的受力情况,提出了清管过程动态仿真模型,其包括一个非线性偏微分方程组和二阶常微分方程。使用特征线法求解管道流动方程,使用Runge-Kutta方法求解动态仿真初值和清管器运动模型。假设清管器将管道完全隔离为上游和下游流体,使用线性插值和左、右特征线处理清管器的移动边界条件,以清管器首末端压差为关键参数连接清管器运动方程和管道流动方程,实现清管过程动态仿真模型的耦合求解。使用Java语言编写清管过程仿真计算程序,其计算结果与文献数据的最大相对误差为5.19%,最小相对误差为0.37%,验证了动态仿真模型的合理性和程序的准确性。最后,对JF输气管线和HW输油管线进行清管实例分析。分别模拟JF管线发送测径清管器、磁力钢刷清管器、重型清管器的清管过程,计算清管时间与18组现场数据的平均相对误差为5.34%,再次验证了清管过程仿真程序的精确性。确定JF管线和HW管线的最小清管流量分别为6.9×10~6m~3/d、8940.24t/d,管道倾角对气体管道中清管器运动速度影响较大,对液体管道基本无影响。
【图文】：

模型图,清管,多相流,模型

第一章绪论国外研究现状清管器运动过程的研究工作，首先在气液两相流管道中展开。1962 年，Mcaker 率先在气液两相流管道中展开清管实验，并提出了清管模拟方程[10]。在McDonald 和 Baker 将多相流分为 4 个区域：多相流动再生区域、气体流动区和未经扰动的区域，如图 1-1 所示，这种划分方式被很多研究人员借鉴和onald 和 Baker 针对多相管流的复杂性进行了简化处理，假设清管过程是一个并采用均值的方法计算管内持液率和清管器首末端压差。虽然过多的限制条态的假设使得该模型的计算精度较差，但是，该清管模型为后来该方面的研了思路。

模型图,管道清管,两相流,模型

图 1-1 McDonal-Baker 多相流清管模型1982 年，Barua 在 McDonald-Baker 模型的基础上进行了相应的改进，修改了管器前后端压降计算公式，并且去掉了一部分限制性条件[11]，但是仍然采用的假设。1988 年，Kohda 初次以瞬态两相流模型为基础提出了清管器运动方a 指出 McDonald-Baker 和 Barua 模型都是建立在连续稳态的基础上，对清管简化导致计算结果和实际值相差较大。Kohda 将多相流管道分为 3 段：清管相流区域、清管器前段的液塞区域和液塞前段的两相流区域。虽然 Kohda 采两相流模型，但是在计算持液率和清管器前后压降时仍然采用了静态的计算Minami 借鉴前人的研究成果，，建立了瞬态清管模型[12]。Minami 将清管模型域：上游瞬态两相流区、液塞区和下游瞬态两相流区，见图 1-2。Minami 创器运动模型和两相流瞬态模型进行耦合求解，数值离散处理工程中，在两相固定的欧拉坐标系，而清管器模型则采用了移动的拉格朗日坐标系。但是 M考虑了两相流水力计算模型，未考虑清管过程中热力工况的影响。
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE973

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