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 管道瞬變流產生的原因及危害

1.1 瞬變流產生的原因

管道內液體的流動狀態可分為穩定和不穩定流動兩大類[1]。通常穩定流動是管道流動的基本狀態，強度和工藝計算都是基于此種工況。不穩定流動是由于穩定流動受到破壞引起的，其實質是密閉輸送介質的流量突然發生了變化，如閥門的正常啟閉和調節，閥門事故的開、關和閥瓣的損壞脫落，泵的正常或事故啟動和停止，管道的事故堵塞或泄漏，調控中心改變輸送流程，進行或停止分輸、注入作業導致的輸量變化，泵、透平轉輪和葉片的不穩定性振動等原因。這是管道的過渡工況，是從一種穩態過渡到另一種穩態或事故的中間階段，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，主要表現在以下兩個方面：一是瞬變流產生的增壓波易造成管道超壓，進而引起管道的強度破壞。水擊波增加的壓力和由于流動狀態的不平衡引起的充裝壓力疊加在管道穩態的剩余壓力上，構成液體的壓強。特別是在靠近管道承壓極限的位置(如管道的某些低點地段、管道中間管徑發生變化的位置、出站管道等)，易發生管壁超出耐壓承受極限而受到破壞。二是當中間泵站產生的減壓波隨著油品輸送至下游泵站時，易引起下游泵站里機泵的吸入端壓力迅速降低，引起機泵汽蝕，從而影響下游泵機組的正常工作[2]。

新建輸油管線投用后，其內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。此時瞬變流引起的減壓波到達高點時，油品壓力驟降，高點的壓縮空氣快速膨脹，進而使得下游油品液流加速，上游油品會減速，最后高點壓力將不斷降低。當高點壓力降至最低時，其左右的油品連接一起后，會產生高壓，使得管道失穩變形，甚至發生強度破壞[3]。

2 瞬變流理論的發展

2.1 國外瞬變流研究的發展

與國內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間較早。早在1850年就有科學家通過實驗測得了瞬變條件下管壁彈性對水擊波速的影響。20世紀隨著歐洲工業革命的開展，瞬變流理論有了較快的發展。1902年，Lereuzo建立了瞬變流基本微分方程，1913年創立了水擊分析的圖解法和算術法，為水擊分析提供了理論依據。從20世紀30年代起，圖解法開始發展起來，至60年代，電子計算機的出現為水擊分析應用于工程設計開辟了新的途徑。V.H.Stieeter教授第一次使用特征線求解，在計算機上求解了考慮摩擦的水擊壓力，并得到滿意的結果[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。瞬變分析在經歷了算術法、圖解法、特征線法等階段后，管網的水力分析已稱為流體力學中一個比較成熟的分支。2002年G.P.Greyvenstein提出了用一種隱式差分法進行瞬變分析[6]。該方法可以滿足不同瞬變情況對數值算法的精度要求。2003年，EvangelosTentis等人提出了適應直線法求解一維非穩定流基本歐拉方程，可以提高計算效率和精度[7]。2006年，Vadim提出了對天然氣管網進行數值模擬。雖然有很多文獻都嘗試用新方法對瞬變流進行分析，但是特征線法在計算的速度、精度和穩定性方面具有的優越性是其他方法無法替代的，所以對于天然氣管網的瞬變分析主要采用特征線法。

2.2 國內瞬變流研究的發展

國內開始對油氣管網瞬變分析探究的時間較晚。1982年，翟宏壽等[8]提出在高壓輸氣管道中采用穩定流方法不能夠解決的問題，并推導出非穩定流動的動態方程，得到了手算和電子計算機的差分解方法。1988年，薛世達等人對天然氣管網的不穩定流動進行了計算[9],指出對天然氣管網進行瞬變分析。通過李長俊等人對天然氣管道流動模型動態仿真的靜態仿真和動態仿真進行的研究，提出了如果采用具有二階精度的隱式差分法進行動態仿真，可以增大仿真的時步。隨后，在考慮稀疏矩陣編程的基礎上，研制出了進行氣體管道靜、動態仿真軟件EGPNS。1998年李長俊和江茂澤在天然氣管道系統的不穩定流動方程中引入了線性化系數，利用迦遼金法進行求解。該方法同時具有數值解和解析解的特點[10]。2001年孫建國和王壽喜對天然氣管網動態仿真的方法進行了綜合分析，并對各種方法的優缺點進行了對比，并針對特征線法和式法進行了動態仿真建模。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的瞬態工況問題進行了求解。2006年，楊昭、張甫仁和朱強等人提出了在恒溫和非恒溫條件下天然氣管網的靜態和動態仿真理論模型，并利用有限差分法進行了求解，后來在方程中加入了耗散項，提高了計算結果的精度和穩定。通過對初始點的增加和出口點的延長簡化了該模型的求解[11]。2009年，岑康、李長俊結合特征線法進行數值模擬計算出高頻瞬變流動過程的數值解，該模型對液體管道高頻瞬變分析具有很好的應用潛力。

3 瞬變分析在油氣管道中的應用

在對油氣管道進行設計和運行時，如果不能掌握可能發生的不穩定工況參數，很有可能因為加大安全系數造成經濟浪費，或者引起水擊事故。因此，必須通過瞬變分析制定合理的運行和調節方案，從而確保管道安全、經濟地運行。

3.1 管道的壓力調節和保護

長輸管道運行過程中壓力調節的種類有很多，但比較常用的有：進出站選擇性保護調節、變頻器調節和出站調節閥調節。壓力保護的方法主要有：水擊超前保護、高低壓泄壓保護以及高低壓壓力保護。一般情況下，無論是原油還是成品油管道，在進出站都有自動泄壓系統，當管道壓力高于泄壓閥的設定值時，閥門自動打開。成品油管道的進出站選擇性保護調節方式有變頻調節和出站調節閥調節。原油采用的是出站調節閥調節。目前國外均采用水擊超前保護，我國西部地區水擊保護系統還不是很成熟，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、唯一性和穩定性從數學角度進行證明，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，經過國內外學者的探討和研究，得到了不少行之有效的求解方法。應用范圍較廣的求解方法，大致可分為基于閥門程控的方法、最優化求解方法、基于現代控制理論方法、脈沖響應法、嘗試法、辨識法等。

3.3 開放式數據監控與采集系統(SCADA系統)

SCADA系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，可以對現場的運行設備進行監視和控制。目前管道全線通常按三級控制設計：第一級為控制中心集中監控；第二級為站場控制；第三級為設備控制。若油氣管路系統發生了滲漏事故，則滲漏點的位置和滲漏量將組成管路系統，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系統對相關的分析處理，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展趨勢

4.1 管道瞬變流主動控制策略

管道中設置空氣罐、減壓閥、泄壓閥并不能從根本上避免水擊事故的發生，從而實現高、低壓的控制。瞬變流的主動控制在管道設計過程中，主要運用在確定閥門的位置、泵站的安裝位置、測量點的布置等控制方面。在管道運行過程中，主要運用在閥門的調節程序、泵站啟停方案和調節程序等控制方面。所以，瞬變流動的主動控制策略在油氣管道輸送的設計和運行控制領域將有廣闊的前景。

4.2 調度員人為干預和控制

在停電的時候，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定的壓力值，出站產生的減壓波將會變小，傳到上游后降低增壓波的強度；二是減小下游泵站出站口設定的壓力值，產生進站反方向的增壓波來抵消上游的增壓波。人為干預瞬變流的強度，能有效彌補長輸管線上設備自身的缺陷，以及輸送管道工藝本身的不足。人為干預和控制管道瞬變流的效果，主要取決于調度員對突發狀況的應對能力以及工作經驗，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，這樣就能夠更加準確地模擬管道中形成的瞬變流。在水擊計算中，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中的正確性已經得到證實，但其是否適用于復雜長距離管道系統的瞬變計算還需要進行研究。

5 結語

隨著我國油氣管道建設的不斷快速發展，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展趨勢主要包括管道瞬變流主動控制策略、調度員人為干預和控制以及瞬變流摩阻的計算。以上瞬變分析理論方面的研究進步將會進一步提高管道自動化控制技術的控制水平，保障油氣管道能夠經濟、安全運行。