【摘要】：隨著我國(guó)管道事業(yè)步入快速發(fā)展階段,長(zhǎng)輸管線運(yùn)距和運(yùn)量不斷地增加,清管作為保障管道高效、安全運(yùn)行的重要手段,得到了廣泛的應(yīng)用。清管器是清管作業(yè)的核心工具,掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)降低清管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、保障清管作業(yè)安全實(shí)施至關(guān)重要。但是,由于長(zhǎng)輸管線的密閉性、介質(zhì)流動(dòng)的復(fù)雜性以及沿線地形地貌的多樣性,導(dǎo)致通過(guò)靜態(tài)模型已不能準(zhǔn)確描述清管過(guò)程中各參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。因此,有必要研究長(zhǎng)輸管線清管過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù),為清管作業(yè)方案的制定及實(shí)施提供可靠的技術(shù)指導(dǎo),從而提高清管效果、降低管道能耗。針對(duì)以上問(wèn)題,本文進(jìn)行了長(zhǎng)輸管線清管過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)研究,并編制了清管過(guò)程仿真計(jì)算程序。首先,分析常用清管器在管道內(nèi)的受力變形情況,采用等效體積法計(jì)算其與管道內(nèi)壁面的有效接觸長(zhǎng)度,研究清管器的憋壓發(fā)送過(guò)程,為其運(yùn)動(dòng)模型的建立奠定基礎(chǔ)。隨后,分析總結(jié)長(zhǎng)輸管線清管過(guò)程的影響因素,為清管器運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究提供參考。其次,較為全面的考慮了長(zhǎng)輸管線地形起伏、氣體真實(shí)物性和清管器的受力情況,提出了清管過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真模型,其包括一個(gè)非線性偏微分方程組和二階常微分方程。使用特征線法求解管道流動(dòng)方程,使用Runge-Kutta方法求解動(dòng)態(tài)仿真初值和清管器運(yùn)動(dòng)模型。假設(shè)清管器將管道完全隔離為上游和下游流體,使用線性插值和左、右特征線處理清管器的移動(dòng)邊界條件,以清管器首末端壓差為關(guān)鍵參數(shù)連接清管器運(yùn)動(dòng)方程和管道流動(dòng)方程,實(shí)現(xiàn)清管過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真模型的耦合求解。使用Java語(yǔ)言編寫(xiě)清管過(guò)程仿真計(jì)算程序,其計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的最大相對(duì)誤差為5.19%,最小相對(duì)誤差為0.37%,驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)仿真模型的合理性和程序的準(zhǔn)確性。最后,對(duì)JF輸氣管線和HW輸油管線進(jìn)行清管實(shí)例分析。分別模擬JF管線發(fā)送測(cè)徑清管器、磁力鋼刷清管器、重型清管器的清管過(guò)程,計(jì)算清管時(shí)間與18組現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的平均相對(duì)誤差為5.34%,再次驗(yàn)證了清管過(guò)程仿真程序的精確性。確定JF管線和HW管線的最小清管流量分別為6.9×10~6m~3/d、8940.24t/d,管道傾角對(duì)氣體管道中清管器運(yùn)動(dòng)速度影響較大,對(duì)液體管道基本無(wú)影響。
【圖文】：

第一章 緒論國(guó)外研究現(xiàn)狀清管器運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究工作，首先在氣液兩相流管道中展開(kāi)。1962 年，Mcaker 率先在氣液兩相流管道中展開(kāi)清管實(shí)驗(yàn)，并提出了清管模擬方程[10]。在McDonald 和 Baker 將多相流分為 4 個(gè)區(qū)域：多相流動(dòng)再生區(qū)域、氣體流動(dòng)區(qū)和未經(jīng)擾動(dòng)的區(qū)域，如圖 1-1 所示，這種劃分方式被很多研究人員借鑒和onald 和 Baker 針對(duì)多相管流的復(fù)雜性進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，假設(shè)清管過(guò)程是一個(gè)并采用均值的方法計(jì)算管內(nèi)持液率和清管器首末端壓差。雖然過(guò)多的限制條態(tài)的假設(shè)使得該模型的計(jì)算精度較差，但是，該清管模型為后來(lái)該方面的研了思路。

圖 1-1 McDonal-Baker 多相流清管模型1982 年，Barua 在 McDonald-Baker 模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，修改了管器前后端壓降計(jì)算公式，并且去掉了一部分限制性條件[11]，但是仍然采用的假設(shè)。1988 年，Kohda 初次以瞬態(tài)兩相流模型為基礎(chǔ)提出了清管器運(yùn)動(dòng)方a 指出 McDonald-Baker 和 Barua 模型都是建立在連續(xù)穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)清管簡(jiǎn)化導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際值相差較大。Kohda 將多相流管道分為 3 段：清管相流區(qū)域、清管器前段的液塞區(qū)域和液塞前段的兩相流區(qū)域。雖然 Kohda 采兩相流模型，但是在計(jì)算持液率和清管器前后壓降時(shí)仍然采用了靜態(tài)的計(jì)算Minami 借鑒前人的研究成果，，建立了瞬態(tài)清管模型[12]。Minami 將清管模型域：上游瞬態(tài)兩相流區(qū)、液塞區(qū)和下游瞬態(tài)兩相流區(qū)，見(jiàn)圖 1-2。Minami 創(chuàng)器運(yùn)動(dòng)模型和兩相流瞬態(tài)模型進(jìn)行耦合求解，數(shù)值離散處理工程中，在兩相固定的歐拉坐標(biāo)系，而清管器模型則采用了移動(dòng)的拉格朗日坐標(biāo)系。但是 M考慮了兩相流水力計(jì)算模型，未考慮清管過(guò)程中熱力工況的影響。
【學(xué)位授予單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE973

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本文編號(hào)：2588178