天然气管道清通压力模拟.pdf

2 0 1 5 年 管道技术5设各 2 0 1 5 筮兰塑 里 i 竺堡 塾翌i 翌 竺堕垦旦竺 旦里呈坐型 兰 天然气管道清通压力模拟 周伟国，刘东京，肖 兵 同济大学，上海2 帅∞2 摘要为了能够合理分析和处理清管过程中的实际问题，提高清管能力，基于质量守恒定律和牛顿 第二定律，将管道内气体流动与清管器运动耦合起来，得到天然气管道清通压力计算方程。以四阶龙 格一库塔算法对方程进行离散计算，结果表明模拟计算结果与清通压力实验结果十分吻合，清管器在 经过弯管、三通等阻力件时，均会使清通压力发生急变，通过分析清通压力的变化特点，可预测清管器 的运动位置及到达管道出口的时间。 关键词天然气；管道；清通压力；清管器；阻力件 中图分类号T E 8 3 2文献标识码A文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 5 0 4 0 0 4 2 0 3 S i m l l l a t i o no fP i g g i n gP r e s s 叫ef o rN a t u r a lG a sP i p e l i n e Z H O UW e i g u o ，U UD o n g ．j i n g ，X I A OB i n g T b n 妤U n i v e 商留，S h 粕g h a i2 ∞眇2 ，C l I i n a A b s t r a c t I no r d e rt od e a lw i t ha l lk i n d so fp m c t i c a li s s u e sd u r i n gp i g 画n go p e r a t i o na n di m p r o v ep i g 舀n ga b i l i t y ，t h ec a l c u - l a t i o ne q u “o no fp i g 舀n gp r e s s u r ew 鹊p r o p o s e db yc o m b i r I i n gg 鹊n o wi np i p ew i t hP I Gm o t i o nb a L s e do nl a w0 fm a s sc o n s e r v a ． t i o na n dN e w t o n ’ss e c o n dl a w ．T h ef o u r t ho r d e rR u n g e - K u t t am e t l l o dw 鹊t l l e nc a l c u l a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i m u l a t i o nc o m - p u t i n gr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e m a ld a t a ，t l l ep i g g i n gp r e s s u r ew i un u c t u a t es h a r p l yw h e nP I Gm o v e st l l r o u g h r e s i s t a n c ee l e m e n t s ，s u c ha se l b o w sa n dt e ef i n i n g s ．T h u s ，t h ec h a m c t e r i s t i c 80 f 山ep i g g i n gp r e s s u r ef o rt h ep i g 舀n gp r o c e d u r ec 鲫 b e 印p l i e dt op r e d i c tP I Gp o s i t i o na l l de s t i m a t ep i g 画n gt i m e ． K e yw o r d s n a t u r a lg a s ；p i p e l i n e ；p i g 舀n gp r e s s u r e ；P I G ；r e s i s t a n c ee l e m e n t 0 引言 清管是天然气管道系统在投产或运行中的一项 重要工作⋯，定期对管道系统进行清通，可以防止水 在管道内积累，延长管道使用寿命，确保管道运行的 安全性及提高管道输送效率旧J 。 国外对清管现象的研究起步较早，M c D o n a l d 1 等 于1 9 6 4 年提出M c D o n a l d ．B a k e r 清管数学模型，并根 据质量守恒方程，进行了数值模拟计算。A z e v e d o 、T o l m a s q u i m 、s a e i d b a k h s h 等‘6 0 相继对清管过程进行了大 量的实验和理论研究，提出了较完善的清管数学模 型。国内学者陈欣等。列对气液混输管道清管过程做 了较多实验及理论研究，建立了气液混输管道清管数 学模型，并模拟计算了管道清洗速度和时间，模拟结 果与实验数据吻合较好。目前，国内外研究人员主要 对直管段进行数学建模及模拟研究，尤其是对清管器 的结构研究较多旧JJ ，但较少考虑阻力件 弯管、三通、 阀门等 及杂质对清管过程的影响，尤其对含阻力件 收稿日期2 叭4 一l l 1 4收修改稿日期2 0 1 5 一0 2 2 2 天然气管道清管过程中，清通压力 清管器尾部的气 体压力 与清管器位置相互关系的研究较少。 l 数学建模 清管系统由空压机、发送联箱、清管器和接收联 箱组成。空压机将压缩空气充入管道内，管道内放置 的清管器在压缩空气的驱动下，向管道的另一端运 行，管道的另一端开口通大气。清管器在运行中受到 p 。和p 两个方向相反的压力 见图1 。压力p ，由空 压机不断将空气压缩进入管道内而产生，p 为外界大 气压力与清管器运行阻尼之和。由于天然气管道是 轴对称形状，且长径比很大，在数学建模中，空间坐标 可以按一维问题处理。另外，管道内的气体流动按单 相绝热过程处理。 图l 清管过程原理图 1 ．1 气体流动模型 气体状态方程如下 p p 耵 万方数据 第4 期周伟国等天然气管道清通压力模拟 4 3 式中p 为气体压力，P a ；p 为气体密度，k ∥m 3 ；R 为气 体常数，J ／ k g K ；r 为气体温度，K 。 在还未进行充气的初始状态时，环境温度假设为 疋，气体压力假设为p 。，则有 ‘ p 。 p 。R 咒 2 假设管道横截面积恒定，则质量守恒定律可表示为 叫 p 0 ．s 。盖- p l 心‘赢 3 p 。m 。tx o p l 了‘一 p o 。一 4 p a ． 石石 式中m 。为气体质量流量，k g ／s ；￡为空压机充气时间， s ；p 。为清管器尾部初始压力，P a ；J s 为管道内截面积， m 2 ；菇。为清管器初始位置，m ；p 。为t 时刻清管器尾部 气体压力，P a ；z 为t 时刻清管器位置，m 。 1 ．2 清管器动力学模型 通过分析作用在清管器上的平衡力，可将管道内 的气体流动与清管器运动耦合起来，则清管器受力平 衡方程可表示为 p 。_ p 2 ．5 m ，．笔 5 式中m 。为清管器质量，k g ；p 为￡时刻清管器头部总 阻力，P a 。 1 ．3 清管器头部总阻力模型 为简化计算过程，忽略在清管过程中可能遇到的大 块杂质 如石块、施工剩余物等 ，则清管器所受阻力主要 为管内壁对清管器的摩擦阻力，其计算过程可表示为 p 2 - p 。‘t 警慨 伽 p 2 - p 。‘。 等帆 舢 A 。 见Z 1 T - D 6 7 式中渺。为平均动摩擦系数，无因次；以为平均静摩擦系 数，无因次；A 。为清管器与管壁间接触面积，m 2 ；乃为皮碗 清管器皮碗数，无因次；Z 为每片皮碗与管壁的接触长度， m ；D 为管道内径，m ；g 为重力加速度，r n ／s 2 ；叽为清管器 对管壁产生的动涨紧应力，P a ；盯。为清管器对管壁产生的 静涨紧应力，P a ；口为清管器运动速度，Ⅱ∥s 。 清管器运动到管内的不同位置，其摩擦系数会相 应变化。在直管段中，如果无管材或管径的变化，可 根据实际情况设为某个经验值。虽然清管器经过阻 力件 如弯管、三通等 时，由于变形较大，会产生很大 的摩擦阻力，但实际上，其摩擦系数并未发生很大变 化。为了统一整条管线的离散化计算，假设在弯管或 三通处，清管器通过时会产生一个附加的摩擦系数。 渺k2 肛k 弘。 秽 0 { 一 8 k 。 肛。乍。 秽 o 式中肛。为动摩擦系数；肛。为静摩擦系数；p 。为清管器 经过各阻力件时产生的附加摩擦系数。 1 ．4 清管过程数学模型 联合式 3 一式 6 ，可得到清管过程方程如下 害坠．三趔．土一岛 9 一 ～ ～一一n ．I VI d ￡ ，乃妒a 咒 ，乃p 互 ，n p 鬈A 三 日土 c ．p 2 1 0 i A 一 日一 C p ， 1 0 式中A 些；B 趔；c 一旦。 m p P a m pm 9 这里p 的表达式将视具体工况而定。另外，由式 3 、式 4 可得 p 。D ．三 E ．土 1 1 式中D 雩；E p 0 ．‰ p a ‘ 1 ．5 模型离散计算方法 设秽为清管器速度，则有秽 警，以R u n g e ．K u t t a 四 阶算法进行数值计算 时间步长 为o ．0 0 ls ，清管方 程离散格式如下 扎。 妒 他毒 “ 妒 秽“。q 詈c ￡。 2 ￡ 2 ￡， ￡。， ‘1 2 ’ 陋l 钒t i ，z 。，秽。 嘲p 知 知。 争。 J ￡，巾知 争。 争∥i 纠㈤， I 厶币吨妒“ 争以 争， l 八￡i ，并i ，秽i A 三 B 土 c ．p 1 ．6 边界与初始条件 初始条件取开始清管的初始时刻，在每进行新一步 时间步长的计算后，应对清管器位移进行校核，判断当前 清管器运动到了哪个具体管段内，再调用相应的局部阻 尼公式进行计算。管道进口气体体积流量为0 ．1 8m 3 ／s ， 空压机出口压力为0 ．6 2M P a ，环境大气压力为0 ．1 0 l3 2 5 M P a ，环境温度为2 9 3 ．1 5K ，空气密度为1 ．2 0 5k g ／m 3 ，清管 万方数据 4 4 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t J u l ．2 0 1 5 器初始运动速度和位移分别设定为。和o ．5m 。 2 结果与讨论 利用所建立的清管过程数学模型，首先对以2 根 直管、2 个弯管和1 个三通件组成的天然气管道系统 的清通压力进行模拟计算。管道规格为D N 3 0 0 ，每段 直管段长1 2m ，管道系统总长为2 6m ，采用三皮碗清 管器进行清管作业，清管器每片皮碗与管壁的接触长 度为0 ．0 5m ，清管器质量为3 0 ．2k g 、过盈量为3 ％，管 内主要杂质为铁锈，管道系统中不同组件的详细参数 见表l 表1 中d 为管道内径 。 表l 天然气管道系统中不同组件详细参数 组件口f ／m m A 。／m 2 盯k ／M P a 盯。／M P 8肛k 肛。p 。 直管段 3 0 90 ．1 4 6 0 ．0 5 2O ．0 6 00 ．8 00 ．8 5O 弯管段 3 2 5O ．1 5 3O ．0 5 2O ．0 6 0O ．8 0O ．8 5O ．8 7 三望壁 塑竺 竺竺竺丝旦竺旦竺竺旦 竺 清通压力模拟结果见图2 。然后对同一天然气管 道系统进行清管实验，清通压力实验结果见图3 。 从图2 可以看出，当清管器通过三通时 点3 ，压力 发生急变，压力会从一个峰值直线回落下来，其程度远大 于通过弯管时 点2 和点4 。原因可能是清管器经过三 通时，由于有一部分失去管壁支撑，有卡堵倾向，阻尼增 大，需要更大的清通压力，清管器会在三通处出现瞬间停 等现象，而一旦通过三通，在比较高的清通压力作用下， 清管器会陕速向前运动，从而导致清通压力的急速下降， 而随着清管器到达接收联箱 点5 及空压机的关闭，清通 压力急剧下降，最后回到大气压值 点6 。 烈Jn U} } Ul Ul 蹦J I 剐lZ l I J l I J ，U3 L 儿J3 3 U0 b I J r ／02 s 1 一清管器启动；2 一第一个弯管；3 一三通； 4 一第二个弯管；5 一出口；6 一泄压完成 图2 清通压力模拟计算结果 表压 从图2 和图3 可以看出，清通压力实验结果和模 拟计算结果十分吻合，表明建立的清通压力计算方法 比较合理，在建模过程中查阅和调试的各类阻尼系数 和工况参数比较正确，并可在以后的实际操作中参考 这些已有的模型参数，在清管之前从理论上进行初步 的核算，这样可以预先知道清管实践中可能存在的问 题，估计最大清通压力、清管时间以及清管器经过各 个阻力件的大概时间，并根据这些估算结果做好清管 前清管器和清管设备选型、清管过程控制等工作。 “I J ∑S 图3 清通压力实验结果 表压 3 结论 根据天然气管道清管过程的特点和原理及空压 机、清管器、管线、管内杂质等实际工况，建立了清管 过程清通压力计算模型。当清管器在直管段运行时， 清通压力波动较小，当清管器经过阻力件时 如弯管、 三通等 ，清通压力会先急剧增大再突然减小；此外， 由于实际天然气管道主要是由直管段组成，阻力件相 距很远，清通压力的剧烈变化更容易检测到。因此， 利用所建立的计算方程可以对实际清管过程进行模 拟分析，通过清通压力的变化特性来预测清管器的大 致运动位置及估计所需的清管时间，从而控制清管过 程，提高清管工作效率。 参考文献 [ 1 ]朱喜平．天然气长输管道清管技术．石油工程建设， 2 0 0 5 ，3 1 3 1 2 1 6 ． [ 2 ]蒲红宇，刘仕鳌，蒋洪．天然气管道清管作业风险分析 及应对措施．油气储运，2 0 1 2 ，3 1 6 4 6 卜4 6 2 ． [ 3 ] M c D O N A L DA ，B A K E R0 ．M u l t i p h a s en o wi n G a s p i p e - 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