高压力下长输管线水击分析

高压力下长输管线水击分析

1共压力下的同步泵输油挤出管道位于中央泵站、泵机械调速器、每个中央泵站的工艺转换或关闭站、事故场景的停滞、故障场景的停滞、故障状态的中断、偏转和误关闭操作中。水击初期向上游传送增压波,向下游传送减压波。在增压波向上游传送的过程中,上游沿线的压力依次上升。如果此时上游泵站并未察觉到此变化,继续泵输,那么在增压波和泵排出压力的共同作用下,管线中的压力会急剧上升。当水击波传递到上游泵站出口时,水击压力将会大于泵的出口压力,出站止回阀关闭(为防止液体倒流,泵站出口处一般都安装出站止回阀)。此后线路的压力将一直高于泵的断流压头,这种现象称为同步或锁定。如果此时泵仍然处于运行状态,那么出站止回阀的关闭将造成泵的憋压,导致泵出口处的压力上升。水击波反射后,止回阀被泵排压顶开,继续泵输,此时就极有可能产生同步的叠加,这时管线中的压力将上升到惊人的程度。学者福克斯曾模拟到线路压头高于泵断流压头50%的严重情况。在这种高压力的作用下,管线以及沿途的各种设备很容易受到破坏。这是长输管线最危险的一种水击过程。2计算方法的建立为了便于模拟,以简单管道为例进行分析,假定水击是由于下游瞬时关阀产生的,图1为其工艺流程示意图。根据瞬变流理论,液体管路的一维瞬变模型可以用下述特征方程描述:C+{dxdt=+a(1)agωdQ+dH+fQ|Q|1−madt=0(2)C−{dxdt=−a(3)agωdQ−dH+fQ|Q|1−madt=0(4)C+{dxdt=+a(1)agωdQ+dΗ+fQ|Q|1-madt=0(2)C-{dxdt=-a(3)agωdQ-dΗ+fQ|Q|1-madt=0(4)式中:Q为流量;H为压力;a为水击波传播速度;ω为管道内截面积;g为自由落体加速度;f为列宾宗摩阻系数;m为流态指数。该方程组中含有微分项,求解时需要对方程进行积分。有限差分法求积分的数值是克服积分难题的一个有效手段,因此,对特征方程求解时,可以采用这种方法,具体算法见文献。在求解水击问题中,需要对边界条件进行分析。管线上游的边界条件为泵和止回阀,下游边界条件为闸阀。因为泵的进口压力由供油泵提供,可以认为是基本不变的,所以泵出口处的流量为式中:A为泵断流压头;B为泵摩阻系数;Hs为泵的进口压力;S-1=Cw+f|Q1|1-maΔt(下标1表示将管道分成N段后,节点编号为1的点,后同);R-1=H1-CwQ1;Cw为惯性水击系数,Cw=agω.Cw=agω.根据泵的特性方程,泵的出口压力为Hp=A-BQp2+Hs(6)由于泵的出口装有止回阀,所以当Qp为负时,则认为止回阀关闭,即若Qp<0,则Qp=0(7)Hp=R-1(8)下游端阀门瞬时关闭。在这种情况下,QpN=0(9)HpN=R+N-1(10)式中R+N-1=HN-1+CwQN-1(下标N-1表示将管道分成N段后,节点编号为N-1的点).当QP=0时,摩阻计算的相对误差可能较大,但对全局的影响很小。用VisualBasic6.0语言编写了计算模拟程序,图2为计算流程。图2中的INT(k/s)s=k表示输出结果的时间间隔为k.3泵滑转迅速停止,泵持续滑转管道直径为0.15m,管线长度为18km,泵站的特性方程为H=600-2.4×105Q2,稳态流量为185m3/h,供油压力为1MPa,水击波波速为1000m/s,流态指数为0.125,摩阻系数为6.7(s/m3)1.875.将管线分成18段,节点编号为0～18。模拟时间设定为500s.由于泵的憋压,会导致泵发出异常的响声,并且泵体会发生剧烈的振动。因此认为上站发现泵憋压后,立刻停止泵的运行,同时不考虑泵滑转的影响。全线工艺流程如图1所示。经过计算,计算机输出管线各点的压力和流量值,并绘制出全线在不同时刻的水力状态,如图3所示。上游泵站出站止回阀处的压力和流量变化曲线分别如图4、图5所示。从图3可知,水击发生后,水击波于第18s传递到上游止回阀处。根据图4显示,止回阀处的压力会在极短的时间内大幅度上升,几乎是突变。第19s时,止回阀处的压力已经上升到668.1m,和稳态时相比,上升了86.1m.从图5可以看到,在第40s附近,止回阀处的流量为0,说明止回阀在此时关闭。根据图3所示,线路压头一旦上升之后,其下降的幅度很小,就好像被锁定了一样,在第200s以后,全线压头趋于一致,均高于泵断流压头。因此,把这种现象称为同步或锁定是十分形象的。另外,止回阀的动作情况值得注意。在该算例的工况下,液流回流速度并不大,因此止回阀关闭时产生的水击压力并不很明显。如果发生水击后,管道内液流回流速度较大,则止回阀关闭之际可以产生类似瞬时关阀的强烈水击。4水击同步现象的防治根据以上的计算和分析可以发现,水击过程中发生的同步现象在很大程度上与泵出口处的止回阀有关。为避免产生同步现象,曾尝试在泵出口处不设置止回阀,结果造成停泵后泵机组反转、静态超压等。很明显,像这样被动地防止产生水击同步现象的方法是行不通的。要避免产生水击同步现象,关键还是要避免产生水击。在水击控制中,可