一种液烃管道泄漏量测算方法技术

本发明专利技术涉及一种液烃管道泄漏量测算方法，特征在于其包括以下步骤：1)建立泄漏管道的通用物理模型；2)建立泄漏管道中各管段的连续数学模型，得到描述管内油流的控制方程；3)对泄漏管道和时间域进行网格划分得到离散的计算区域；4)将连续数学模型进行离散化，得到描述管内油流控制方程的特征方程；5)根据网格划分结果，将管内油流控制方程的特征方程转换为离散格式；6)根据通用物理模型中各管段的相邻处不同的边界类型，确定不同边界条件并建立其离散格式；7)根据管内油流控制方程的离散格式以及各边界条件对管道全线进行水热力耦合模拟计算，得到泄漏管道的泄漏量。本发明专利技术可以广泛应用于液烃管道泄漏量的测算领域。

Method for measuring leakage of liquid hydrocarbon pipeline

The invention relates to a measuring method of leakage of liquid hydrocarbon pipeline, characterized in that it comprises the following steps: 1) to establish a general physical model of pipeline leakage; 2) continuous mathematical model of each pipe section to establish pipeline leakage in the control equations describing the oil flow inside the tube; 3) of the leak mesh calculated area the discrete pipe and time domain; 4) the continuous mathematics model is discretized, the characteristic equation is obtained to describe the oil in the tube flow control equation; 5) according to the results of mesh generation, the characteristic equation of flow control equations of oil in the tube into discrete format; 6) according to the adjacent sections in general physical model different boundary types, different boundary conditions are determined and the discrete format; 7) according to the simulation calculation of water coupled discrete scheme flow control equations of oil in the tube and the boundary conditions on the pipe line, too Leakage to leakage pipe. The invention can be widely applied to the measurement field of liquid hydrocarbon pipeline leakage.

【技术实现步骤摘要】
一种液烃管道泄漏量测算方法
本专利技术涉及管道泄漏领域，特别是关于一种液烃管道泄漏量测算方法。
技术介绍
能源行业输送液态流体的管道主要包括原油管道、成品油管道、集输管道、轻烃管道、LPG管道和LNG管道等，均属于液态烃类管道。液烃管道因其地位特殊，管中液体极易燃易爆，又常大流量高压输送，泄漏后果严重，潜在危害大。国内外与管道泄漏相关的研究主要集中在泄漏检测与定位领域，针对泄漏量计算的相关研究几乎是空白的。同时，针对管道泄漏过程的相关研究也只停留在较为基础的阶段，因考虑的影响因素较少、对泄漏过程流体流动状态刻画较为简单，研究结果与实际管道的泄漏过程相差较大。目前研究液烃在泄漏过程中的累计泄漏量方法较少，仅有的相关研究提出可通过稳态计算、数值模拟、统计分析、事后估计、实验分析等泄漏量计算方法，但都存在误差较大或无法应用于工程实际的缺点。下面对几种主要的计算方法做简单介绍。(1)解析法将泄漏过程当作一维稳定管流的小孔出流，利用伯努利方程计算水平和倾斜管道液烃在泄漏点的泄漏速率与泄漏量。解析法求解泄漏量时只能计算出管道处于稳定运行状态下的泄漏总量，计算方法简单，但是误差大，且该方法只有事先确定发生泄漏的时间才能准确计算出泄漏量。(2)数值模拟法数值模拟法是基于流体力学的基本理论，建立微分方程模型，利用数值模拟方法计算泄漏量。该方法的不足之处为模型中的环境压力及泄漏孔出流系数常为定值，无法反映孔口出流与管外渗流扩散的耦合效应，也未考虑液烃温度变化对泄漏产生的影响，且模型规模变大之后，数值模拟难度大，如长管道、多边界等很难快速模拟。(3)统计学法影响泄漏量的因素多，因此有学者采用信息系统或统计学方法预测泄漏量，如KimB利用统计模型预测管道发生故障时的漏油量。基于特定输油管道的基础参数和故障数据，采用双参数韦伯分布(WeiBullDistribution)预测液烃的泄漏量。但是该方法必须有足够的样本数据来构造韦伯分布，且只能针对特定管道对泄漏事故中的总泄漏量给出估计，通用性较差。(4)间接计算法直接计算难度大，因此有学者提出了间接计算泄漏量的模型，刘国华提出在确定了浸油土壤边际曲线y＝ax2后，将其绕y轴旋转360°后，再由定积分旋转体体积公式求得浸油土壤体积。根据测算的含油土壤体积，通过环形分层多点取样采样方法得到单位浸油土壤的密度及含油率，估算液烃总泄漏量。但是此方法是事后估计法，无法给出泄漏过程中的泄漏速率和实时累计泄漏量，同时，模型也没有考虑泄漏过程中液烃蒸气在空气中的扩散损失，因此实际应用价值不足。(5)实验分析法张蓉爱在实验室建立管道泄漏实验模型，确立了泄漏量与泄漏孔的大小、流体的密度、黏度、管内压力以及流体的平均流速等因素的关系，但数学模型是基于伯努利方程的小孔稳态出流模型，实验测定的是出流系数。JasperA用实验对上、下游阀门操作时的泄漏量的影响进行了研究，泄漏量靠重力仪测得，并未给出理论分析和计算模型。付建民搭建液相管道小孔泄漏实验系统研究管道流量及压力对管内液体压力及泄漏速率变化的影响规律，提出了小孔泄漏稳定压力计算经验公式，但并未给出泄漏量计算公式，也不能用于预测泄漏过程瞬态压力变化。然而，实验研究无法真实还原管道泄漏的实际工况，且存在多种人为误差，无法用于实际管道泄漏量的测算。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种液烃管道泄漏量测算方法，针对液烃管道泄漏过程中的泄漏量进行实时测算，分析了多种边界条件下的边界点计算方法，准确性高。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种液烃管道泄漏量测算方法，特征在于其包括以下步骤：1)首先建立泄漏管道的通用物理模型；2)根据建立的泄漏管道的通用物理模型，建立泄漏管道中各管段的连续数学模型，得到描述管内油流的控制方程；3)采用各管段统一时步法对泄漏管道和时间域进行网格划分，得到离散的计算区域；4)采用特征线法，将步骤2)中建立的泄漏管道的连续数学模型进行离散化，得到描述管内油流控制方程的特征方程；5)根据步骤3)中的网格划分结果，将步骤4)中得到的管内油流控制方程的特征方程转换为离散格式；6)根据步骤1)建立的通用物理模型中各管段的相邻处不同的边界类型，确定不同边界条件，并建立其离散格式；7)根据步骤5)中得到的管内油流控制方程的离散格式以及步骤6)中确定的各边界条件对管道全线进行水热力耦合模拟计算，得到泄漏过程中所需相应计算时间内泄漏管道的泄漏量。所述步骤2)中，管内油流的控制方程包括管内油流的连续性方程、动量方程和换热方程；其中，管内油流的连续性方程为：管内油流的动量方程为：管内油流的换热方程为：式中，t为时间，单位为s；ρ为油品在管截面上的平均密度，单位为kg/m3；x为距泄漏管段起点的距离，单位为m；v为管内油品的平均速度，单位为m/s；A为泄漏管段截面积，单位为m2；g为重力加速度，单位为m/s2；θ是泄漏管段与水平方向的夹角，单位为rad；D为管内径，单位为m；λ为达西摩阻系数；q为油品与单位面积管壁单位时间内的热流密度，单位为W/m2，T为管内油品平均温度，单位为℃；αp为油品的膨胀系数，单位为℃-1；c为油品的比热容，单位为J/(kg·℃)；ao,g为压力波在不同介质中的传播速度，单位为m/s；ρo为不同批次的油品密度，单位为kg/m3；ko为对应批次油品的弹性模量，单位为Pa；Dg为不同管段直径，单位为m；Eg为对应管段的杨氏弹性模量，单位为Pa；δg为对应管段的壁厚，单位为m。所述步骤4)中，得到的管内油流控制方程的特征方程为：C+特征方程：C-特征方程：v特征方程：所述步骤5)中，得到的所述控制方程的离散格式为：C+特征方程：C-特征方程：v特征方程：式中，Δx为空间步长，单位为m；Δt为时间步长，单位为s；f为列宾宗摩阻系数；w分别为管道横截面，单位为m2；分别为节点P处j+1时刻的流量，压头，温度和压力；分别为节点A处j时刻的流量，压头，温度和压力；分别为节点B处j时刻的流量和压头。所述步骤6)中，得到的边界条件包括上下游边界、阀门边界、变径点边界、泄漏点边界、混油边界和液柱分离边界。所述上下游边界中，上、下游边界节点的压头和流量计算公式分别为：式中，分别为管段i的第N个节点处j+1时刻的压头和流量，也即管段i上游边界的压头和流量；分别为管段i的第N-1个节点处j时刻的压头和流量方程的系数；分别为管段i+1的第0个节点处j+1时刻的压头和流量，也即管段i上游边界的压头和流量；分别为管段i+1的第1个节点处j时刻的压头和流量方程的系数；所述阀门边界中，阀门边界节点的压头和流量的计算公式分别为：式中，分别为阀门上游边界在j+1时刻的压头和流量；分别为阀门上游边界j时刻的压头和流量方程的系数；分别为阀门下游边界j+1时刻的压头和流量；分别为阀门下游边界j时刻的压头和流量方程的系数；Qp为阀门处的流量；所述变径点边界中，变径点处压头和流量的计算公式为：式中，分别为变径点上游边界j+1时刻的压头和流量；分别为阀门上游边界j时刻的压头和流量方程的系数；分别为阀门下游边界j+1时刻的压头和流量；分别为阀门下游边界j时刻的压头和流量方程的系数；Hp、Qp分别为变径点上下游处的压头和流量；所述泄漏点边界中，泄漏点处压头和流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液烃管道泄漏量测算方法，特征在于其包括以下步骤：1)首先建立泄漏管道的通用物理模型；2)根据建立的泄漏管道的通用物理模型，建立泄漏管道中各管段的连续数学模型，得到描述管内油流的控制方程；3)采用各管段统一时步法对泄漏管道和时间域进行网格划分，得到离散的计算区域；4)采用特征线法，将步骤2)中建立的泄漏管道的连续数学模型进行离散化，得到描述管内油流控制方程的特征方程；5)根据步骤3)中的网格划分结果，将步骤4)中得到的管内油流控制方程的特征方程转换为离散格式；6)根据步骤1)建立的通用物理模型中各管段的相邻处不同的边界类型，确定不同边界条件，并建立其离散格式；7)根据步骤5)中得到的管内油流控制方程的离散格式以及步骤6)中确定的各边界条件对管道全线进行水热力耦合模拟计算，得到泄漏过程中所需相应计算时间内泄漏管道的泄漏量。

【技术特征摘要】
1.一种液烃管道泄漏量测算方法，特征在于其包括以下步骤：1)首先建立泄漏管道的通用物理模型；2)根据建立的泄漏管道的通用物理模型，建立泄漏管道中各管段的连续数学模型，得到描述管内油流的控制方程；3)采用各管段统一时步法对泄漏管道和时间域进行网格划分，得到离散的计算区域；4)采用特征线法，将步骤2)中建立的泄漏管道的连续数学模型进行离散化，得到描述管内油流控制方程的特征方程；5)根据步骤3)中的网格划分结果，将步骤4)中得到的管内油流控制方程的特征方程转换为离散格式；6)根据步骤1)建立的通用物理模型中各管段的相邻处不同的边界类型，确定不同边界条件，并建立其离散格式；7)根据步骤5)中得到的管内油流控制方程的离散格式以及步骤6)中确定的各边界条件对管道全线进行水热力耦合模拟计算，得到泄漏过程中所需相应计算时间内泄漏管道的泄漏量。2.如权利要求1所述的一种液烃管道泄漏量测算方法，其特征在于：所述步骤2)中，管内油流的控制方程包括管内油流的连续性方程、动量方程和换热方程；其中，管内油流的连续性方程为：管内油流的动量方程为：管内油流的换热方程为：式中，t为时间，单位为s；ρ为油品在管截面上的平均密度，单位为kg/m3；x为距泄漏管段起点的距离，单位为m；v为管内油品的平均速度，单位为m/s；A为泄漏管段截面积，单位为m2；g为重力加速度，单位为m/s2；θ是泄漏管段与水平方向的夹角，单位为rad；D为管内径，单位为m；λ为达西摩阻系数；q为油品与单位面积管壁单位时间内的热流密度，单位为W/m2，T为管内油品平均温度，单位为℃；αp为油品的膨胀系数，单位为℃-1；c为油品的比热容，单位为J/(kg·℃)；ao,g为压力波在不同介质中的传播速度，单位为m/s；ρo为不同批次的油品密度，单位为kg/m3；ko为对应批次油品的弹性模量，单位为Pa；Dg为不同管段直径，单位为m；Eg为对应管段的杨氏弹性模量，单位为Pa；δg为对应管段的壁厚，单位为m。3.如权利要求1所述的一种液烃管道泄漏量测算方法，其特征在于：所述步骤4)中，得到的管内油流控制方程的特征方程为：C+特征方程：C-特征方程：v特征方程：4.如权利要求1所述的一种液烃管道泄漏量测算方法，其特征在于：所述步骤5)中，得到的所述控制方程的离散格式为：C+特征方程：C-特征方程：v特征方程：式中，Δx为空间步长，单位为m；Δt为时间步长，单位为s；f为列宾宗摩阻系数；w分别为管道横截面，单位为m2；分别为节点P处j+1时刻的流量，压头，温度和压力；分别为节点A处j时刻的流量，压头，温度和压力；分别为节点B处j时刻的流量和压头。5.如权利要求1所述的一种液烃管道泄漏量测算方法，其特征在于：所述步骤6)中，得到的边界条件包括上下游边界、阀门边界、变径点边界、泄漏点边界、混油边界和液柱分离边界。6.如权利要求5所述的一种液烃管道泄漏量测算方法，其特征在于：所述上下游边界中，上、下游边界节点的压头和流量计算公式分别为：式中，分别为管段i的第N个节点处j+1时刻的压头和流量，也即管段i上游边界的压头和流量；分别为管段i的第N-1个节点处j时刻的压头和流量方程的系数；分别为管段i+1的第0个节点处j+1时刻的压头和流量，也即管段i上游边界的压头和流量；分别为管段i+1的第1个节点处j时刻的压头和流量方程的系数；所述阀门边界中，阀门边界节点的压头和流...

【专利技术属性】
技术研发人员：何国玺，梁永图，李岩松，李丰，吴梦雨，谢成，席罡，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11