CN108763809B - 一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法，其特征在于，该停输方法包括以下步骤：1)建立泄漏管道停输数学模型；2)对泄漏管道停输数学模型中管道系统的计算区域进行离散；3)进行站外输油管道泄漏时停输过程中阀门操作方法；4)进行站内复杂输油管道系统停输过程中阀门操作方法。本发明根据实际复杂输油管道系统，建立了其停输过程中的水力瞬变数学模型，借鉴反问题的思想，确定管道系统的停输方法，给出停输过程中阀门的动作方案，实现在规定的约束条件下，安全有效地进行管道停输操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法，属于石油开采领域。
背景技术
复杂输油管道系统包括站外长输管道系统和站内输油管道系统。复杂输油管道系统具有管网拓扑结构复杂、阻力元件及节点多、相邻站场相互影响、输送介质易燃易爆易汽化等特点，因而水击波的传播更为复杂，其发生事故后果较输水道系统更严重。输油管道系统发生泄漏事故后停输过程中阀门的动作会使管内流体处于水力不稳定的流动过程，在管道内形成往复传播的瞬变压力波，特别是阀门的突然启闭将会使管道中液体流速瞬间急剧变化而发生水击，有可能损坏仪器仪表，甚至导致输油管道破裂。已有文献研究了阀门调节规律、油品粘度、管路长度和泵机组转动惯量对机场发油系统水击压力峰值的影响，模拟情况表明阀门自身特性及其调节规律是影响水击压力峰值的主要因素。因此，合理设定复杂输油管道系统停输过程中阀门的动作方案，将水击控制在正常的范围内，可以达到防止水击破坏、减少防护措施、节约工程费用、保证安全输油等目的。
现场进行输油管道系统停输操作时，往往根据工程经验结合SCADA系统的数据反馈，反复、多次进行尝试性阀门调节，这种调节方法盲目性较大，阀门调节时间长，风险大。由于输油管道系统停输过程中阀门的调节属于多阀联动调节，阀门控制方案求解难度较大，部分学者对此进行了少量的相关研究。JasperA对停输优化问题进行了初步探索，其研究上、下游阀门操作对泄漏特性的影响发现，要使管道发生故障时泄漏量最小，通过观察得到管道阀门操作的最佳时机是立即关闭上游阀门，随后几乎同时关闭下游阀门，但不足之处是其未给出定量描述。宋生奎分析了水击产生的原因，研究过渡过程主动控制决策系统得到停泵保护的阀门最优调节规律及系统最小水击压力。王永红以现代控制理论为基础，建立输油管道物理模型后，基于反问题分析方法确定了输油管道系统的预测和最优控制。于永海以简单管系统为研究对象，建立了有压瞬变流限压控制反问题的最优控制数学模型，应用时间连续系统最优控制理论来求解。蒋劲基于VS(Valve Stroking)理论，研究了供水系统的阀门调节方案。黄源等人建立了输配水管网多阶段线性关阀的数学模型，以系统压力波动最小为目标函数，基于粒子群算法求解了阀门的最优化关阀曲线，但粒子群算法给出的关阀曲线具有一定的随机性。Berardi等，Creaco等和Campisano等分别研究了输配水管网发生泄漏后的最优操作策略，但其研究对象为输配水管网，输配水管网的水力特征与输油管道系统不同，不涉及介质汽化的约束条件，所建的模型无法直接用于求解复杂输油管道系统的停输策略。
此外，上述管道停输优化问题的理论或实验研究都尚处于起步阶段，现有的主动控制策略主要应用于简单短管道、简单水力管网等距离较短的系统，并没有考虑到涉及相变的复杂的管流、小孔泄漏、变径点、复杂管网拓扑结构对管道停输策略的耦合影响。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立泄漏管道停输数学模型，具体过程如下：
①建立站外泄漏管道停输模型：
a.在关停泄漏管道时，利用式(1)确定整个泄漏管道停输过程中最小的总泄漏量min F：
式中，
为某时步的泄漏流量；Δt为一个时步间距；j为某个时步；
b.泵机组后点水头等于泵机组前点水头加上泵机组提供的扬程，若泵机组处于停机状态，则泵机组上一节点水头与泵机组下一节点水头相等，其关系如式(2)～(4)：
式中，M为一极大数；
为二元变量，当泵机组处于开启状态时，取1，当泵机组处于停运状态时，取0；
为泵机组前点水头；
为泵机组后点水头；
为泵机组提供的扬程；IP为泵机组节点；J为从开始关停泄漏管道到泄漏管道实现停输的时间；
c.根据泵机组特性曲线，泵机组正常运行时的边界条件如式(6)：
式中，Aip及Bip为由离心泵特性及组合方式确定的常系数；
为泵站流量；m为列宾宗摩阻指数；
d.泵机组断电后的边界条件如式(7)：
e.阀组后点水头等于阀组前点水头减去阀组节流损失水头，其关系如式(8)：
其中，
为阀组前点水头；
为阀组后点水头；
为阀组节流损失水头；IV表示阀组节点；
f.阀组中各阀门的阻力特性方程如式(9)：
式中，ξ为阀门阻力系数；
为阀门阻力集合系数；
为阀门处j时刻的流量；w为阀门流通面积；g为重力加速度；
g.利用式(10)计算阀门在j时刻的流量系数
h.泵机组及阀门节点前流量与泵机组及阀门节点后流量相等，其关系如式(11)：
其中，
为泵机组及阀门节点后流量；
为泵机组及阀门节点前流量；IP∪IV为泵机组及阀门节点；
i.根据小孔出流方程获取泄漏点处流量
如式(12)：
式中，
为泄漏点处j时刻的压头；HL为泄漏点处高程；He为大气压等价水头；IL为泄漏点节点；α为泄漏系数；AL为泄漏小孔面积；
j.小孔前点流量等于小孔后点流量与泄漏点处流量之和，其关系如式(13)：
式中，
为泄漏点前流量；
为泄漏点后流量；
k.小孔泄漏处的压力如式(14)：
式中，
为泄漏点前压力；
为泄漏点后压力；
l.泄漏管道内各点水头不能超过泄漏管道内允许的最大水头,其关系如式(15)：
式中，
为泄漏管道内某一节点水头；Hmaxi为泄漏管道内允许的最大水头；
m.泄漏管道内各点水头不能低于泄漏管道内允许的最小水头，即饱和蒸气压换算后的水头，其关系如式(16)：
式中，Hvapor为泄漏管道内油品饱和蒸汽压转换的水头；
式(1)～(16)即站外泄漏管道停输模型，其中式(1)为目标函数，式(2)～(16)为式(1)的约束条件；
②建立站内输油管道停输模型：
a.以输油系统停输时间为最小为目标：
输油管道内流体水力瞬变过程的数学模型包括输油管道内油流的连续性方程和动量方程，其中，输油管道内油流的连续性方程如式(17)：
输油管道内油流的动量方程如式(18)：
将式(17)和(18)所示的偏微分方程变换为常微分方程，得到管道内水力瞬变控制方程如式(19)和(20)：
C+特征方程：
C-特征方程：
其中，t为输油系统停输时间；ρ为油品在输油管道截面上的平均密度；x为输油管道轴向方向的距离；v为输油管道内油品的平均速度；g为重力加速度；A为管段截面积；θ是泄漏管段与水平方向的夹角；p为油品在输油管道截面上的压力；D为输油管道内径；λ为达西摩阻系数；a为压力波在管道内的波速：
b.油罐边界条件：
在阀门关闭的过程当中，站场内部储罐液位不发生变化，故输油管道沿线站场油库管道起点的压力在关阀过程中为常数，其关系式如式(21)：
式(21)中
和
为特征线法中间变量，计算公式如式(22)和(23)：
式中，
为输油管道起始端在j+1时刻的水头；
为输油管道第1节点处j时刻的水头；H0为油罐液位高度；
为输油管道起始端在j+1时刻的流量；
为输油管道第1节点处j时刻的流量；Cw为波涌系数；f为列宾宗摩阻系数；m为列宾宗摩阻指数；Δt为时间步长；
c.变径点边界条件：
变径点两侧管径不同，该点两侧的水力特征线不同，压力波在变径点处发生反射，变径点边界的特点是边界上下游的压力和流量均相同，如式(25)～(28)：
式中，
为站外i管段N节点在j+1时刻的水头；
为站外i管段N节点在j+1时刻的流量；
为站外i+1管段0节点在j+1时刻的水头；
为站外i+1管段0节点在j+1时刻的流量；
和
为特征线法中间变量；
d.站场出站阀门的边界条件如式(29)和(30)：
式中，K为站场出站阀门的集合系数；ws为输油管道的横截面积；ΔH为站场出站阀门的压降水头；QP为站场出站阀门的流量；
e.分支结点边界条件:
油库管道拓扑结构复杂，需要对分支结点处的水力特征进行分析，在分支结点处，结点流量平衡，结点压头一致，如式(31)～(35)：
式中，
为站内i管段N节点在j+1时刻的水头；
为站内i管段N节点在j+1时刻的流量；
为站内i+1管段0节点在j+1时刻的水头；
为站内i+1管段0节点在j+1时刻的流量；
为站内i+2管段0节点在j+1时刻的流量；
为站内i+2管段0节点在j+1时刻的水头；
和
为特征线法中间变量；
2)对泄漏管道停输数学模型中管道系统的计算区域进行离散，具体过程如下：
根据统一时步矩形网格法，利用式(36)计算各管段的时间步长：
式中，Δx为管段距步；
为压力波在管道内的波速；
根据儒可夫斯基公式，利用式(37)计算复杂输油系统管段内压力波在管道内的波速：
式中，EK为液体的体积模量；E为管材的弹性模量；δ为管道壁厚；
3)进行站外输油管道泄漏时停输过程中阀门操作方法，具体过程如下：
①向步骤1)中获取的站外泄漏管道停输模型中输入管道及运行基础参数，并预设泄漏点上游截断阀的调节时间以及计算精度，选择上游截断阀入口的流量变化类型，然后根据设定的上游截断阀的调节时间和流量变化类型，利用式(38)计算出泄漏点上游截断阀处在调节过程中不同时间点上的流量值：
式中，Qt为上游截断阀在关闭过程中任意时刻t上的流量；Q0为上游截断阀开始关闭前的流量；Trun为上游截断阀关闭时间；Tstart为上游截断阀开始关闭的时刻；
②基于步骤①中计算出泄漏点上游截断阀处在调节过程中不同时间点上的流量值，利用式(1)～式(16)计算上游截断阀至上游站场间管道在上游截断阀调节过程中的最大和最小压头；
③如果最大压头达到计算精度，则判断最小压头是否大于饱和蒸汽压压头：若最小压头大于饱和蒸气压压头，则执行步骤④；否则，返回步骤②重新迭代计算；
④预设下游截断阀的调节时间；
⑤基于特征线法运用站外泄漏管道停输模型，计算出管道沿线各个离散点上的压力，并从管道沿线各个离散点上所计算的压力值中取最大值和最小值即可得到泄漏点上游截断阀至下游站场的最大压头和最小压头；
⑥若步骤⑤得到的最大压头达到计算精度则执行步骤⑦，否则调整泄漏点上游截止阀的调节时间；
⑦若步骤⑤得到的最小压头大于饱和蒸汽压压头，则再进行判断泄漏点处压力是否单调递减：若是则输出上、下游截止阀在不同时间点上的开度值，否则返回步骤①；
4)进行站内复杂输油管道系统停输过程中阀门操作方法，具体过程如下：
利用阀门程控法求解控制元件的调节规律，根据现有的阀门三阶段调节法来调节阀门，在阀门调节的第一阶段结束时，调节元件处的压力达到最大；在阀门调节的第二阶段，保持管道沿线各点压头不变，全线流量同步减小；在阀门调节第三阶段结束时，调节元件处的压力和管道流量恰好达到目标状态，调节元件停止动作，管道处于停输的状态。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明根据实际复杂输油管道系统，建立了其停输过程中的水力瞬变数学模型，借鉴反问题的思想，确定管道系统的停输方法，给出停输过程中阀门的动作方案，实现在规定的约束条件下，安全有效地进行管道停输操作。
附图说明
图1为本发明长距离输油管道泄漏时停输模型求解流程；
图2为本发明阀门调节第一阶段的调节示意图；
图3为本发明阀门调节第二、三阶段的调节示意图；
图4为本发明阀门调节第二阶段的压强计算方法调节示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提出了一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法，包括以下步骤：
1)建立泄漏管道停输数学模型，具体过程如下：
①建立站外泄漏管道停输模型：
a.在关停泄漏管道时，利用式(1)确定整个泄漏管道停输过程中最小的总泄漏量minF：
式中，
为某时步的泄漏流量；Δt为一个时步间距；j为某个时步。
b.泵机组后点水头等于泵机组前点水头加上泵机组提供的扬程，若泵机组处于停机状态，则泵机组上一节点水头与泵机组下一节点水头相等，其关系如式(2)～(4)：
式中，M为一极大数；
为二元变量，当泵机组处于开启状态时，取1，当泵机组处于停运状态时，取0；
为泵机组前点水头；
为泵机组后点水头；
为泵机组提供的扬程；IP为泵机组节点；J为从开始关停泄漏管道到泄漏管道实现停输的时间。
c.根据泵机组特性曲线，泵机组正常运行时的边界条件如式(6)：
式中，Aip及Bip为由离心泵特性及组合方式确定的常系数；
为泵站流量；m为列宾宗摩阻指数。
d.泵机组断电后的边界条件如式(7)：
e.阀组后点水头等于阀组前点水头减去阀组节流损失水头，其关系如式(8)：
其中，
为阀组前点水头；
为阀组后点水头；
为阀组节流损失水头；IV表示阀组节点。
f.阀组中各阀门的阻力特性方程如式(9)：
式中，ξ为阀门阻力系数；
为阀门阻力集合系数；
为阀门处j时刻的流量；w为阀门流通面积；g为重力加速度。
g.利用式(10)计算阀门在j时刻的流量系数
h.泵机组及阀门节点前流量与泵机组及阀门节点后流量相等，其关系如式(11)：
其中，
为泵机组及阀门节点后流量；
为泵机组及阀门节点前流量；IP∪IV为泵机组及阀门节点。
i.根据小孔出流方程获取泄漏点处流量
如式(12)：
式中，
为泄漏点处j时刻的压头；HL为泄漏点处高程；He为大气压等价水头；IL为泄漏点节点；α为泄漏系数；AL为泄漏小孔面积。
j.小孔前点流量等于小孔后点流量与泄漏点处流量之和，其关系如式(13)：
式中，
为泄漏点前流量；
为泄漏点后流量。
k.小孔泄漏处的压力如式(14)：
式中，
为泄漏点前压力；
为泄漏点后压力。
l.泄漏管道内各点水头不能超过泄漏管道内允许的最大水头,其关系如式(15)：
式中，
为泄漏管道内某一节点水头；Hmaxi为泄漏管道内允许的最大水头。
m.泄漏管道内各点水头不能低于泄漏管道内允许的最小水头，即饱和蒸气压换算后的水头，其关系如式(16)：
式中，Hvapor为泄漏管道内油品饱和蒸汽压转换的水头。
式(1)～(16)即站外泄漏管道停输模型，其中式(1)为目标函数，式(2)～(16)为式(1)的约束条件。
②建立站内输油管道停输模型：
a.以输油系统停输时间为最小为目标
输油管道内流体水力瞬变过程的数学模型包括输油管道内油流的连续性方程和动量方程，其中，输油管道内油流的连续性方程如式(17)：
输油管道内油流的动量方程如式(18)：
由于输油管道内水力瞬变的数学模型属于双曲型方程，采用特征线法进行求解，在特征线上，将式(17)和(18)所示的偏微分方程变换为常微分方程，得到管道内水力瞬变控制方程如式(19)和(20)：
C+特征方程：
C-特征方程：
其中，t为输油系统停输时间；ρ为油品在输油管道截面上的平均密度；x为输油管道轴向方向的距离；v为输油管道内油品的平均速度；g为重力加速度；A为管段截面积；θ是泄漏管段与水平方向的夹角；p为油品在输油管道截面上的压力；D为输油管道内径；λ为达西摩阻系数；a为压力波在管道内的波速。
b.油罐边界条件
在阀门关闭的过程当中，站场内部储罐液位不发生变化，故输油管道沿线站场油库管道起点的压力在关阀过程中为常数，其关系式如式(21)：
式(21)中
和
为特征线法中间变量，计算公式如式(22)和(23)：
式中，
为输油管道起始端在j+1时刻的水头；
为输油管道第1节点处j时刻的水头；H0为油罐液位高度；
为输油管道起始端在j+1时刻的流量；
为输油管道第1节点处j时刻的流量；Cw为波涌系数；f为列宾宗摩阻系数；m为列宾宗摩阻指数；Δt为时间步长。
c.变径点边界条件
变径点两侧管径不同，该点两侧的水力特征线不同，压力波在变径点处发生反射，变径点边界的特点是边界上下游的压力和流量均相同，如式(25)～(28)：
式中，
为站外i管段N节点在j+1时刻的水头；
为站外i管段N节点在j+1时刻的流量；
为站外i+1管段0节点在j+1时刻的水头；
为站外i+1管段0节点在j+1时刻的流量；
和
为特征线法中间变量，其计算公式可从已存在的书籍及文献中(例如蒲家宁的“管道水击分析与控制”)获取。
d.站场出站阀门的边界条件如式(29)和(30)：
式中，K为站场出站阀门的集合系数；ws为输油管道的横截面积；ΔH为站场出站阀门的压降水头；QP为站场出站阀门的流量。
e.分支结点边界条件
油库管道拓扑结构复杂，需要对分支结点处的水力特征进行分析，在分支结点处，结点流量平衡，结点压头一致，如式(31)～(35)：
式中，
为站内i管段N节点在j+1时刻的水头；
为站内i管段N节点在j+1时刻的流量；
为站内i+1管段0节点在j+1时刻的水头；
为站内i+1管段0节点在j+1时刻的流量；
为站内i+2管段0节点在j+1时刻的流量；
为站内i+2管段0节点在j+1时刻的水头；
和
为特征线法中间变量，其计算公式可从已存在的书籍及文献中(例如蒲家宁的“管道水击分析与控制”)获取。
2)对泄漏管道停输数学模型中管道系统的计算区域进行离散，具体过程如下：
根据统一时步矩形网格法，利用式(36)计算各管段的时间步长：
式中，Δx为管段距步；
为压力波在管道内的波速。
根据儒可夫斯基公式，利用式(37)计算复杂输油系统管段内压力波在管道内的波速：
式中，EK为液体的体积模量；E为管材的弹性模量；δ为管道壁厚。
3)进行站外输油管道泄漏时停输过程中阀门操作方法，具体过程如下：
①向步骤1)中获取的站外泄漏管道停输模型中输入管道及运行基础参数，并预设泄漏点上游截断阀的调节时间以及计算精度，选择上游截断阀入口的流量变化类型，然后根据设定的上游截断阀的调节时间和流量变化类型，利用式(38)计算出泄漏点上游截断阀处在调节过程中不同时间点上的流量值：
式中，Qt为上游截断阀在关闭过程中任意时刻t上的流量；Q0为上游截断阀开始关闭前的流量；Trun为上游截断阀关闭时间；Tstart为上游截断阀开始关闭的时刻。
②基于步骤①中计算出泄漏点上游截断阀处在调节过程中不同时间点上的流量值，利用式(1)～式(16)计算上游截断阀至上游站场间管道在上游截断阀调节过程中的最大和最小压头。
③如果最大压头达到计算精度，则判断最小压头是否大于饱和蒸汽压压头：若最小压头大于饱和蒸气压压头，则执行步骤④；否则，返回步骤②重新迭代计算。
④预设下游截断阀的调节时间。
⑤基于特征线法运用站外泄漏管道停输模型，计算出管道沿线各个离散点上的压力，并从管道沿线各个离散点上所计算的压力值中取最大值和最小值即可得到泄漏点上游截断阀至下游站场的最大压头和最小压头。
⑥若步骤⑤得到的最大压头达到计算精度则执行步骤⑦，否则调整泄漏点上游截止阀的调节时间。
⑦若步骤⑤得到的最小压头大于饱和蒸汽压压头，则再进行判断泄漏点处压力是否单调递减：若是则输出上、下游截止阀在不同时间点上的开度值，否则返回步骤①。
4)进行站内复杂输油管道系统停输过程中阀门操作方法，具体过程如下：
如图2～图4所示，利用阀门程控法求解控制元件的调节规律，根据现有的阀门三阶段调节法来调节阀门，在阀门调节的第一阶段结束时，调节元件处的压力达到最大；在阀门调节的第二阶段，保持管道沿线各点压头不变，全线流量同步减小；在阀门调节第三阶段结束时，调节元件处的压力和管道流量恰好达到目标状态，调节元件停止动作，管道处于停输的状态。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (1)
1.一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立泄漏管道停输数学模型，具体过程如下：
①建立站外泄漏管道停输模型：
a.在关停泄漏管道时，利用式(1)确定整个泄漏管道停输过程中最小的总泄漏量minF：
式中，
为某时步的泄漏流量；Δt为一个时步间距；j为某个时步；
b.泵机组后点水头等于泵机组前点水头加上泵机组提供的扬程，若泵机组处于停机状态，则泵机组上一节点水头与泵机组下一节点水头相等，其关系如式(2)～(4)：
式中，M为一极大数；
为二元变量，当泵机组处于开启状态时，取1，当泵机组处于停运状态时，取0；
为泵机组前点水头；
为泵机组后点水头；
为泵机组提供的扬程；IP为泵机组节点；J为从开始关停泄漏管道到泄漏管道实现停输的时间；
c.根据泵机组特性曲线，泵机组正常运行时的边界条件如式(6)：
式中，Aip及Bip为由离心泵特性及组合方式确定的常系数；
为泵站流量；m为列宾宗摩阻指数；
d.泵机组断电后的边界条件如式(7)：
e.阀组后点水头等于阀组前点水头减去阀组节流损失水头，其关系如式(8)：
其中，
为阀组前点水头；
为阀组后点水头；
为阀组节流损失水头；IV表示阀组节点；
f.阀组中各阀门的阻力特性方程如式(9)：
式中，ξ为阀门阻力系数；
为阀门阻力集合系数；
为阀门处j时刻的流量；w为阀门流通面积；g为重力加速度；
g.利用式(10)计算阀门在j时刻的流量系数
h.泵机组及阀门节点前流量与泵机组及阀门节点后流量相等，其关系如式(11)：
其中，
为泵机组及阀门节点后流量；
为泵机组及阀门节点前流量；IP∪IV为泵机组及阀门节点；
i.根据小孔出流方程获取泄漏点处流量
如式(12)：
式中，
为泄漏点处j时刻的压头；HL为泄漏点处高程；He为大气压等价水头；IL为泄漏点节点；α为泄漏系数；AL为泄漏小孔面积；
j.小孔前点流量等于小孔后点流量与泄漏点处流量之和，其关系如式(13)：
式中，
为泄漏点前流量；
为泄漏点后流量；
k.小孔泄漏处的压力如式(14)：
式中，
为泄漏点前压力；
为泄漏点后压力；
l.泄漏管道内各点水头不能超过泄漏管道内允许的最大水头,其关系如式(15)：
式中，
为泄漏管道内某一节点水头；Hmaxi为泄漏管道内允许的最大水头；
m.泄漏管道内各点水头不能低于泄漏管道内允许的最小水头，即饱和蒸气压换算后的水头，其关系如式(16)：
式中，Hvapor为泄漏管道内油品饱和蒸汽压转换的水头；
式(1)～(16)即站外泄漏管道停输模型，其中式(1)为目标函数，式(2)～(16)为式(1)的约束条件；
②建立站内输油管道停输模型：
a.以输油系统停输时间为最小为目标：
输油管道内流体水力瞬变过程的数学模型包括输油管道内油流的连续性方程和动量方程，其中，输油管道内油流的连续性方程如式(17)：
输油管道内油流的动量方程如式(18)：
将式(17)和(18)所示的偏微分方程变换为常微分方程，得到管道内水力瞬变控制方程如式(19)和(20)：
C+特征方程：
C-特征方程：
其中，t为输油系统停输时间；ρ为油品在输油管道截面上的平均密度；x为输油管道轴向方向的距离；v为输油管道内油品的平均速度；g为重力加速度；A为管段截面积；θ是泄漏管段与水平方向的夹角；p为油品在输油管道截面上的压力；D为输油管道内径；λ为达西摩阻系数；a为压力波在管道内的波速：
b.油罐边界条件：
在阀门关闭的过程当中，站场内部储罐液位不发生变化，故输油管道沿线站场油库管道起点的压力在关阀过程中为常数，其关系式如式(21)：
式(21)中
和
为特征线法中间变量，计算公式如式(22)和(23)：
式中，
为输油管道起始端在j+1时刻的水头；
为输油管道第1节点处j时刻的水头；H0为油罐液位高度；
为输油管道起始端在j+1时刻的流量；
为输油管道第1节点处j时刻的流量；Cw为波涌系数；f为列宾宗摩阻系数；m为列宾宗摩阻指数；Δt为时间步长；
c.变径点边界条件：
变径点两侧管径不同，该点两侧的水力特征线不同，压力波在变径点处发生反射，变径点边界的特点是边界上下游的压力和流量均相同，如式(25)～(28)：
式中，
为站外i管段N节点在j+1时刻的水头；
为站外i管段N节点在j+1时刻的流量；
为站外i+1管段0节点在j+1时刻的水头；
为站外i+1管段0节点在j+1时刻的流量；
和
为特征线法中间变量；
d.站场出站阀门的边界条件如式(29)和(30)：
式中，K为站场出站阀门的集合系数；ws为输油管道的横截面积；ΔH为站场出站阀门的压降水头；QP为站场出站阀门的流量；
e.分支结点边界条件:
油库管道拓扑结构复杂，需要对分支结点处的水力特征进行分析，在分支结点处，结点流量平衡，结点压头一致，如式(31)～(35)：
式中，
为站内i管段N节点在j+1时刻的水头；
为站内i管段N节点在j+1时刻的流量；
为站内i+1管段0节点在j+1时刻的水头；
为站内i+1管段0节点在j+1时刻的流量；
为站内i+2管段0节点在j+1时刻的流量；
为站内i+2管段0节点在j+1时刻的水头；
和
为特征线法中间变量；
2)对泄漏管道停输数学模型中管道系统的计算区域进行离散，具体过程如下：
根据统一时步矩形网格法，利用式(36)计算各管段的时间步长：
式中，Δx为管段距步；
为压力波在管道内的波速；
根据儒可夫斯基公式，利用式(37)计算复杂输油系统管段内压力波在管道内的波速：
式中，EK为液体的体积模量；E为管材的弹性模量；δ为管道壁厚；
3)进行站外输油管道泄漏时停输过程中阀门操作方法，具体过程如下：
①向步骤1)中获取的站外泄漏管道停输模型中输入管道及运行基础参数，并预设泄漏点上游截断阀的调节时间以及计算精度，选择上游截断阀入口的流量变化类型，然后根据设定的上游截断阀的调节时间和流量变化类型，利用式(38)计算出泄漏点上游截断阀处在调节过程中不同时间点上的流量值：
式中，Qt为上游截断阀在关闭过程中任意时刻t上的流量；Q0为上游截断阀开始关闭前的流量；Trun为上游截断阀关闭时间；Tstart为上游截断阀开始关闭的时刻；
②基于步骤①中计算出泄漏点上游截断阀处在调节过程中不同时间点上的流量值，利用式(1)～式(16)计算上游截断阀至上游站场间管道在上游截断阀调节过程中的最大和最小压头；
③如果最大压头达到计算精度，则判断最小压头是否大于饱和蒸汽压压头：若最小压头大于饱和蒸气压压头，则执行步骤④；否则，返回步骤②重新迭代计算；
④预设下游截断阀的调节时间；
⑤基于特征线法运用站外泄漏管道停输模型，计算出管道沿线各个离散点上的压力，并从管道沿线各个离散点上所计算的压力值中取最大值和最小值即可得到泄漏点上游截断阀至下游站场的最大压头和最小压头；
⑥若步骤⑤得到的最大压头达到计算精度则执行步骤⑦，否则调整泄漏点上游截止阀的调节时间；
⑦若步骤⑤得到的最小压头大于饱和蒸汽压压头，则再进行判断泄漏点处压力是否单调递减：若是则输出上、下游截止阀在不同时间点上的开度值，否则返回步骤①；
4)进行站内复杂输油管道系统停输过程中阀门操作方法，具体过程如下：
利用阀门程控法求解控制元件的调节规律，根据现有的阀门三阶段调节法来调节阀门，在阀门调节的第一阶段结束时，调节元件处的压力达到最大；在阀门调节的第二阶段，保持管道沿线各点压头不变，全线流量同步减小；在阀门调节第三阶段结束时，调节元件处的压力和管道流量恰好达到目标状态，调节元件停止动作，管道处于停输的状态。
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|---|---|---|---|---|
| CN109357163B (zh) * | 2018-11-23 | 2023-10-03 | 中国石油工程建设有限公司 | 一种气态乙烷管道停输再启动系统及方法 |
| CN109723977A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-05-07 | 中国石油大学(北京) | 一种成品油管道的停输泄漏判定方法、设备以及系统 |
| CN112487627B (zh) * | 2020-11-24 | 2023-05-12 | 吉林松江河水力发电有限责任公司 | 一种水力发电设备系统的安全状况预测方法 |
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2607154Y (zh) * | 2003-04-30 | 2004-03-24 | 江苏天宝空调通风工程有限公司 | 防火调节阀 |
| CN101382236A (zh) * | 2008-09-28 | 2009-03-11 | 张永华 | 流体多管路集合输配控制系统及控制方法 |
| WO2012062484A1 (de) * | 2010-11-08 | 2012-05-18 | Fogtec Brandschutz Gmbh & Co. Kg | Dichtheitsprüfung von rohrleitungssystem für brandbekämpfungsanlagen |
| CN105042339A (zh) * | 2015-06-03 | 2015-11-11 | 中国石化销售有限公司华东分公司 | 一种基于无量纲的成品油管道泄漏量估计系统及方法 |
| CN106842928A (zh) * | 2017-02-13 | 2017-06-13 | 中国水利水电科学研究院 | 长距离大流量输水系统过渡过程的阀门关闭优化控制方法 |
| CN107355684A (zh) * | 2017-07-19 | 2017-11-17 | 中国水利水电科学研究院 | 一种管网故障水力监测实验系统及其实现故障辨识的方法 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2607154Y (zh) * | 2003-04-30 | 2004-03-24 | 江苏天宝空调通风工程有限公司 | 防火调节阀 |
| CN101382236A (zh) * | 2008-09-28 | 2009-03-11 | 张永华 | 流体多管路集合输配控制系统及控制方法 |
| WO2012062484A1 (de) * | 2010-11-08 | 2012-05-18 | Fogtec Brandschutz Gmbh & Co. Kg | Dichtheitsprüfung von rohrleitungssystem für brandbekämpfungsanlagen |
| CN105042339A (zh) * | 2015-06-03 | 2015-11-11 | 中国石化销售有限公司华东分公司 | 一种基于无量纲的成品油管道泄漏量估计系统及方法 |
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Non-Patent Citations (2)
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| 原油管道泄漏检测若干关键技术研究;王立坤;《中国博士学位论文全文数据库》;20030915;全文 * |
| 泄漏与阀动作共存时水力瞬变特性的模拟研究;聂平等;《重庆科技学院学报( 自然科学版)》;20070331;第9卷(第1期);全文 * |
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