高壓力下長輸管線水擊分析

1共壓力下的同步泵輸油擠出管道位于中央泵站、泵機(jī)械調(diào)速器、每個中央泵站的工藝轉(zhuǎn)換或關(guān)閉站、事故場景的停滯、故障場景的停滯、故障狀態(tài)的中斷、偏轉(zhuǎn)和誤關(guān)閉操作中。水擊初期向上游傳送增壓波,向下游傳送減壓波。在增壓波向上游傳送的過程中,上游沿線的壓力依次上升。如果此時上游泵站并未察覺到此變化,繼續(xù)泵輸,那么在增壓波和泵排出壓力的共同作用下,管線中的壓力會急劇上升。當(dāng)水擊波傳遞到上游泵站出口時,水擊壓力將會大于泵的出口壓力,出站止回閥關(guān)閉(為防止液體倒流,泵站出口處一般都安裝出站止回閥)。此后線路的壓力將一直高于泵的斷流壓頭,這種現(xiàn)象稱為同步或鎖定。如果此時泵仍然處于運(yùn)行狀態(tài),那么出站止回閥的關(guān)閉將造成泵的憋壓,導(dǎo)致泵出口處的壓力上升。水擊波反射后,止回閥被泵排壓頂開,繼續(xù)泵輸,此時就極有可能產(chǎn)生同步的疊加,這時管線中的壓力將上升到驚人的程度。學(xué)者?？怂乖M到線路壓頭高于泵斷流壓頭50%的嚴(yán)重情況。在這種高壓力的作用下,管線以及沿途的各種設(shè)備很容易受到破壞。這是長輸管線最危險的一種水擊過程。2計(jì)算方法的建立為了便于模擬,以簡單管道為例進(jìn)行分析,假定水擊是由于下游瞬時關(guān)閥產(chǎn)生的,圖1為其工藝流程示意圖。根據(jù)瞬變流理論,液體管路的一維瞬變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為流量;H為壓力;a為水擊波傳播速度;ω為管道內(nèi)截面積;g為自由落體加速度;f為列賓宗摩阻系數(shù);m為流態(tài)指數(shù)。該方程組中含有微分項(xiàng),求解時需要對方程進(jìn)行積分。有限差分法求積分的數(shù)值是克服積分難題的一個有效手段,因此,對特征方程求解時,可以采用這種方法,具體算法見文獻(xiàn)。在求解水擊問題中,需要對邊界條件進(jìn)行分析。管線上游的邊界條件為泵和止回閥,下游邊界條件為閘閥。因?yàn)楸玫倪M(jìn)口壓力由供油泵提供,可以認(rèn)為是基本不變的,所以泵出口處的流量為式中:A為泵斷流壓頭;B為泵摩阻系數(shù);Hs為泵的進(jìn)口壓力;S-1=Cw+f|Q1|1-maΔt(下標(biāo)1表示將管道分成N段后,節(jié)點(diǎn)編號為1的點(diǎn),后同);R-1=H1-CwQ1;Cw為慣性水擊系數(shù),Cw=agω.Cw=agω.根據(jù)泵的特性方程,泵的出口壓力為Hp=A-BQp2+Hs(6)由于泵的出口裝有止回閥,所以當(dāng)Qp為負(fù)時,則認(rèn)為止回閥關(guān)閉,即若Qp<0,則Qp=0(7)Hp=R-1(8)下游端閥門瞬時關(guān)閉。在這種情況下,QpN=0(9)HpN=R+N-1(10)式中R+N-1=HN-1+CwQN-1(下標(biāo)N-1表示將管道分成N段后,節(jié)點(diǎn)編號為N-1的點(diǎn)).當(dāng)QP=0時,摩阻計(jì)算的相對誤差可能較大,但對全局的影響很小。用VisualBasic6.0語言編寫了計(jì)算模擬程序,圖2為計(jì)算流程。圖2中的INT(k/s)s=k表示輸出結(jié)果的時間間隔為k.3泵滑轉(zhuǎn)迅速停止,泵持續(xù)滑轉(zhuǎn)管道直徑為0.15m,管線長度為18km,泵站的特性方程為H=600-2.4×105Q2,穩(wěn)態(tài)流量為185m3/h,供油壓力為1MPa,水擊波波速為1000m/s,流態(tài)指數(shù)為0.125,摩阻系數(shù)為6.7(s/m3)1.875.將管線分成18段,節(jié)點(diǎn)編號為0～18。模擬時間設(shè)定為500s.由于泵的憋壓,會導(dǎo)致泵發(fā)出異常的響聲,并且泵體會發(fā)生劇烈的振動。因此認(rèn)為上站發(fā)現(xiàn)泵憋壓后,立刻停止泵的運(yùn)行,同時不考慮泵滑轉(zhuǎn)的影響。全線工藝流程如圖1所示。經(jīng)過計(jì)算,計(jì)算機(jī)輸出管線各點(diǎn)的壓力和流量值,并繪制出全線在不同時刻的水力狀態(tài),如圖3所示。上游泵站出站止回閥處的壓力和流量變化曲線分別如圖4、圖5所示。從圖3可知,水擊發(fā)生后,水擊波于第18s傳遞到上游止回閥處。根據(jù)圖4顯示,止回閥處的壓力會在極短的時間內(nèi)大幅度上升,幾乎是突變。第19s時,止回閥處的壓力已經(jīng)上升到668.1m,和穩(wěn)態(tài)時相比,上升了86.1m.從圖5可以看到,在第40s附近,止回閥處的流量為0,說明止回閥在此時關(guān)閉。根據(jù)圖3所示,線路壓頭一旦上升之后,其下降的幅度很小,就好像被鎖定了一樣,在第200s以后,全線壓頭趨于一致,均高于泵斷流壓頭。因此,把這種現(xiàn)象稱為同步或鎖定是十分形象的。另外,止回閥的動作情況值得注意。在該算例的工況下,液流回流速度并不大,因此止回閥關(guān)閉時產(chǎn)生的水擊壓力并不很明顯。如果發(fā)生水擊后,管道內(nèi)液流回流速度較大,則止回閥關(guān)閉之際可以產(chǎn)生類似瞬時關(guān)閥的強(qiáng)烈水擊。4水擊同步現(xiàn)象的防治根據(jù)以上的計(jì)算和分析可以發(fā)現(xiàn),水擊過程中發(fā)生的同步現(xiàn)象在很大程度上與泵出口處的止回閥有關(guān)。為避免產(chǎn)生同步現(xiàn)象,曾嘗試在泵出口處不設(shè)置止回閥,結(jié)果造成停泵后泵機(jī)組反轉(zhuǎn)、靜態(tài)超壓等。很明顯,像這樣被動地防止產(chǎn)生水擊同步現(xiàn)象的方法是行不通的。要避免產(chǎn)生水擊同步現(xiàn)象,關(guān)鍵還是要避免產(chǎn)生水擊。在水擊控制中,可