天然气不完全堵塞管道数值模拟方法技术

技术编号:18289404 阅读:37 留言:0更新日期:2018-06-24 04:04
本发明专利技术提供了一种天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,本发明专利技术根据管道内气体流动的连续性方程、动量方程和状态方程为基础,建立天然气管道内气体扰动传播数学模型;针对所建立的天然气管道内气体扰动传播模型,基于Matlab数学计算工具,选用特征线法对天然气管道气体扰动模型进行求解,并通过有限差分法、牛顿迭代法以及边界条件确定,数值计算出管道内的连续流量场和连续压力场。本发明专利技术依托建立的天然气管道瞬变流动模型,探索天然气长输管道内瞬态压力波动的传播规律,能够准确模拟不完全堵塞管道内气体流动情况,为不完全堵塞管道提供理论依据和实践方法。

【技术实现步骤摘要】
天然气不完全堵塞管道数值模拟方法
本专利技术涉及一种天然气不完全堵塞管道数值模拟技术,具体为一种天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,即通过建立不完全堵塞管道内气体扰动传播模型进行计算。
技术介绍
天然气长输管道建设是我国石油与天然气工业的重要组成部分,由于天然气长输管道建设和投产的时间长、跨越地区多、气候条件复杂,在投产运行的过程中很可能发生一些突发事件影响管道的运行,所以对天然气长输管道的维护就格外重要。其中管道堵塞不但会影响正常的生产,后期的排堵工作也会消耗大量的人力、物力。为了解决管道出现的堵塞问题,目前国内外探索出了一些有效的方法,大概分为:管道应变法、注油试压法、γ射线法、仪器探测法、瞬变分析法。管道应变法需要沿管道铺设光纤,对于已建成没有铺设光纤的管道不适用,对新建管道铺设光纤,前期投入和后期维护的费用都比较高,难以推广应用;注油试压法适用于管道发生完全堵塞的情况,不能解决不完全堵塞的情况;γ射线法检测仪器昂贵,且只适用于局部管段的精确探堵;利用瞬变分析法对管道进行探堵具有可实现远程检测、使用设备少、检测效率高等优点。现在运用瞬变分析法对管道堵塞进行检测的研究还主要集中液体管道,对气体管道,特别是天然气长输管道的研究还比较少。而且现有技术中基于瞬变法对管道完全堵塞的检测系统和检测方法较多,对管道不完全堵塞检测系统和检测方法较少。如果能在管道堵塞初期发现不完全堵塞的位置,估算不完全堵塞危害性等,可为管理者提供制定排堵计划的参考信息,从而规避管道发生完全堵塞的可能。在管道发生堵塞初期采取相关排堵措施,能有效避免由于管道进一步发生完全堵塞造成的停输、停产所造成的巨大的人力、物力损失,保证管道的稳定运行。目前,国内外对天然气管道不完全堵塞尚处在研究探索阶段,其中基于瞬变分析法为探索不完全堵塞管道提出了思路。如图2所示的不完全堵塞管道,管段起点为点A,终点为点B,P点为不完全堵塞段的起点,Q点为不完全堵塞段的终点。在管段起点A注入一个质量脉冲,该质量脉冲在管道内沿着箭头的方向传播。质量脉冲抵达堵不完全堵塞段前端P点后,该质量脉冲一方面由于堵塞的原因流动受阻,动能有所降低,势能增加,导致不完全堵塞段的前端压力突然增升高,且以正压波的形式向A点传播;另一方面质量脉冲沿管道继续往前传播经过不完全堵塞段到达非堵塞段后由于过流面积增大,气体会突然膨胀,导致该点压力突然降低形成负压,负压会以负压波的形式向管道入口处A点处传播。理论上基于瞬变分析法通过在起点A点监测得到的两个压力响应信号的时间差,结合压力波在管道中的传播速度,即可得到在两次压力响应信号的时间间隔中压力波传播的距离,而该距离的二分之一即为压力监测点与堵塞点之间的距离。基于瞬变分析法为探索不完全堵塞管道提出了思路,然而目前基于瞬变分析法对天然气不完堵塞管道研究还多处于实验研究阶段,基于当前的研究成果和实验条件很难利用现有设备对上述不完全堵塞管道内气体内的连续流量场分布和连续压力场分布进行实时测量,从而无法实时得到管道入口A点处的压力响应信号数据。同时实验只能采集到特定点的压力变化数据,不能得到整个管道各点的压力值,且实验也无法施加各种大小的质量脉冲,因此受各种因素限制实验不能充分详细地研究天然气管道在不完全堵塞时的运行特点、不完全堵塞特征和机理,进而影响研究探索出检测天然气管道不完全堵塞位置的方法。因此有必要专利技术一种天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,以便研究天然气管道在不完全堵塞时的运行特点、不完全堵塞特征和机理。数值模拟可以施加实验方法达不到的条件而且数值模拟方法可以对各个区域、各个测点进行应力分析,为实验进行提供理论支持。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷,本专利技术提供一种天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,其对实验研究和理论分析具有指导意义,很大程度上推动对天然气不完全堵塞管道研究的进展。本专利技术技术方案如下:一种天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1、对天然气在不完全堵塞管道内流动进行气体扰动传播模型建模;步骤S2、根据不完全堵塞管道几何参数输入不完全堵塞管道几何模型;步骤S3、利用数学计算工具Matlab对所述不完全堵塞管道进行网格划分;步骤S4、在网格化流场的基础上进行数值计算,利用特征线法进行有限元网格求解,计算得到不完全堵塞管道内连续流量场和连续压力场。优选地,步骤S1中根据管道内气体流动的连续性方程、动量方程和状态方程为基础,建立管道内气体扰动传播模型,忽略惯性力,建立的不完全堵塞管道内气体扰动传播模型为:式中:P——气体绝对压力,Pa;t——时间变量,s;a——气体波速,m/s;A——管道流通截面积,m2;M——气体质量流量,kg/s;x——管道长度的微分变量,m;ρ——气体密度,kg/m3;g——当地重力加速度,m/s2;θ——计算管道与水平面之间形成的倾斜角度,rad;λ——管道摩阻系数;D——管道内径,m;优选地,步骤S1中建立的不完全堵塞管道内气体扰动传播模型具体过程如下:S11、气体在管道中流动的连续性方程为式中:ρ——气体密度,kg/m3;v——气体的流速,m/s;t——时间变量;s;x——沿管长变量,m;S12、气体在管道中流动的运动方程为:式中:g——重力加速度,m/s;θ——管道与水平面的倾角,rad;λ——水力摩阻系数;D——管道内径,m;p——管道中气体压力,Pa;S13、连续性方程为:p=zρRT(3)式中:p——气体压力,Pa;z——压缩系数;R——气体常数,J/(kg.K);ρ——气体密度,kg/m3;T——绝对温度,K;在等温流动的假设条件下,T是常数,气体波速为:S14、压缩因子计算:采用美国加利福尼亚天然气协会公式计算压缩因子:式中:p——气体压力(绝),MPa;T——气体温度,K;Δ——气体的相对密度;S15、扰动传播模型建立:将气体管道中的质量流量表示为M=ρvA,然后分别代入连续性方程式(1)和运动方程式(2)对方程中的气体流速进行替换,通过变化可以得到下列含有质量流量的数学微分方程:忽略惯性项,则式(7)可以转换为:式中:A——管道流通截面积,m2;M——气体质量流量,kg/s;P——气体绝对压力,Pa;ρ——气体密度,kg/m3;g——当地重力加速度,m/s2;λ——管道摩阻系数;θ——计算管道与水平面之间形成的倾斜角度,rad;D——管道内径,m;x——管道长度的微分变量,m;t——时间变量,s;由热力学得到气体绝热传播音速为:对于等温流动:则式(5)、式(7)变为式中:P——气体绝对压力,Pa;t——时间变量,s;a——气体波速,m/s;A——管道流通截面积,m2;M——气体质量流量,kg/s;x——管道长度的微分变量,m;ρ——气体密度,kg/m3;g——当地重力加速度,m/s2;θ——计算管道与水平面之间形成的倾斜角度,rad;λ——管道摩阻系数;D——管道内径,m。优选地,步骤S4中利用特征线法计算不完全堵塞管道内连续流量场和连续压力场进一步包括如下步骤:S41、将式(11)乘以一个待定系数η后再与式(12)相加构造出两个全微分方程并以C+和C-来标记:式中:a——气体波速,m/s;P——气体绝对压力,Pa;t——时间变量,s;A——管道流通截面积本文档来自技高网
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天然气不完全堵塞管道数值模拟方法

【技术保护点】
1.一种天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1、对天然气在不完全堵塞管道内流动进行气体扰动传播模型建模;步骤S2、根据不完全堵塞管道几何参数输入不完全堵塞管道几何模型;步骤S3、利用数学计算工具Matlab对所述不完全堵塞管道进行网格划分;步骤S4、在网格化流场的基础上进行数值计算,利用特征线法进行有限元网格求解,计算得到不完全堵塞管道内连续流量场和连续压力场。

【技术特征摘要】
1.一种天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1、对天然气在不完全堵塞管道内流动进行气体扰动传播模型建模;步骤S2、根据不完全堵塞管道几何参数输入不完全堵塞管道几何模型;步骤S3、利用数学计算工具Matlab对所述不完全堵塞管道进行网格划分;步骤S4、在网格化流场的基础上进行数值计算,利用特征线法进行有限元网格求解,计算得到不完全堵塞管道内连续流量场和连续压力场。2.根据权利要求1所述的天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,其特征在于:步骤S1中根据管道内气体流动的连续性方程、动量方程和状态方程为基础建立管道内气体扰动传播模型,忽略惯性力,建立的不完全堵塞管道内气体扰动传播模型为:式中:P——气体绝对压力,Pa;t——时间变量,s;a——气体波速,m/s;A——管道流通截面积,m2;M——气体质量流量,kg/s;x——管道长度的微分变量,m;ρ——气体密度,kg/m3;g——当地重力加速度,m/s2;θ——计算管道与水平面之间形成的倾斜角度,rad;λ——管道摩阻系数;D——管道内径,m。3.根据权利要求2所述的天然气不完全堵塞管道数值模拟方法,其特征在于,建立的不完全堵塞管道内气体扰动传播模型具体过程如下:S11、气体在管道中流动的连续性方程为式中:ρ——气体密度,kg/m3;v——气体的流速,m/s;t——时间变量;s;x——沿管长变量,m;S12、气体在管道中流动的运动方程为:式中:g——重力加速度,m/s2;θ——管道与水平面的倾角,rad;λ——水力摩阻系数;D——管道内径,m;p——管道中气体压力,Pa;S13、连续性方程为:p=zρRT(3)式中:p——气体压力,Pa;z——压缩系数;R——气体常数,J/(kg.K);ρ——气体密度,kg/m3;T——绝对温度,K;在等温流动的假设条件下,T是常数,气体波速为:S14、压缩因子计算:采用美国加利福尼亚天然气协会公式计算压缩因子:式中:p——气体压力(绝),MPa;T——气体温度,K;Δ——气体的相对密度;S1...

【专利技术属性】
技术研发人员:吴柯欣田园周建良练杰秦正山王碧金王鸿达邓鑫怡龚茗芷
申请(专利权)人:重庆科技学院
类型:发明
国别省市:重庆,50

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