基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法技术

本发明专利技术公开了基于在线仿真的天然气管道清管追踪方法，首先，通过清管器将天然气管道分为上游、下游两个管段，并建立该管段的天然气流动仿真模型，求解清管器头部和尾部的压力差；其次，建立清管器运动的驱动力和阻力的平衡关系式，求解清管器的运动加速度；最后，根据清管器的运动加速度，结合上一时刻的清管器位置、运动速度，求解当前时刻清管器的运动速度、位置。不断更新上述过程，直至清管器到达管道出口。本发明专利技术提出的清管器跟踪方法，实现了管道内清管器运动位置和速度的全程跟踪，将清管器的运动信息可视化，为天然气管道清管作业提供技术、数据支持，提高清管作业的监听效率，降低丢球、卡球事故对管道系统的危害程度。卡球事故对管道系统的危害程度。卡球事故对管道系统的危害程度。

【技术实现步骤摘要】
基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法


[0001]本专利技术属于天然气管道清管器速度和位置跟踪定位
，涉及基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法。

技术介绍

[0002]清管器是清除天然气管道内沉积物的唯一工具，对提高管道运行安全、效率至关重要。由于天然气管道系统是钢制的密闭系统，清管作业中无法直观观察清管器的运动状态，且管道翻山越岭导致起伏高差复杂多变，清管器卡顿、丢失(无法确定在管道内的位置)等事故时有发生，清管器追踪技术需求愈发迫切。随着我国天然气用气量的快速上升，天然气管道建设如火如荼，已基本形成横跨东西、纵贯南北、连通海外的天然气管道网络。如此庞大的互联互通管道系统，给清管通球作业带来了巨大的挑战，如何判断清管器在管道中的位置，以及测量清管器的运行速度、预测清管器到达某个位置的时间，成为亟待解决的问题。
[0003]目前，由于钢制密闭管道系统对通信信号的屏蔽作用，解决该问题的方法分为人工、外部机械装置、外部振动光纤等三个方面，主要以人工监听为主。第一种方法，对管道进行开挖作业，人耳贴在管道上监听清管器通过的声音，以此判断清管器是否通过该点位。该方法需要在管道沿线的对管道进行开挖作业，设置间断的监听点位，仅能判断清管器是否通过某位置，无法获取清管器的运动速度和到达下一监听点的时间。第二种方法，在管道上安装通过球指示状态器，当清管器通过该位置时，将触发机械装置产生某种动作，以此判断清管器位置。与第一种人工监听方法相同，该方法也是间断性的监测方法，只能在管道某个位置监测。第三种方法，在管沟中与管道同沟敷设光纤，通过监测清管作业中管道的振动，监测清管器的位置和速度。但是，该方法的成本较高，现场清管作业中鲜有使用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法，用于解决目前清管器追踪方法中存在的人工监听精度低、机械无法监听清管器运动速度，及需要在管道几百上千公里沿线设置监听点位、外部设备成本高的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法，通过清管器将天然气管道分为上游、下游两个管段，并建立该管段的天然气流动仿真模型，使用管道测量的实时数据，求解清管器头部和尾部的压力差；其次，建立清管器运动的驱动力和阻力的平衡关系式，求解清管器的运动加速度；最后，根据清管器的运动加速度，结合上一时刻的清管器位置、运动速度，求解当前时刻清管器的运动速度、位置；不断更新上述过程，直至清管器到达管道出口。
[0006]本专利技术的特点还在于，
[0007]基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法，具体操作步骤如下：
[0008]S1、建立管道内天然气流动仿真计算数学模型，包括连续性方程、动量方程，其中
方程中使用压力、流速、密度描述天然气状态；
[0009]S2、根据上一时刻清管器位置，清管器头部、尾部分别为分割点，将管道系统分割为上游、下游管段两部分，并对S1建立的连续性方程、动量方程采用有限差分方法进行离散化处理；
[0010]以清管器头部、尾部为分割点，将管道系统分割为上游、下游管段，是以管道入口至清管器尾部为上游管段，以清管器头部至管道出口为下游管段。
[0011]S3、采用天然气管道系统传感器实时采集的管道出入口实时压力、流量数据作为S2中离散化处理后的方程的边界条件，并通过耦合求解，得到清管头部和尾部所在位置管道内天然气的压力，计算管道内天然气在清管器头部和尾部形成的压力差；
[0012]清管器头部和尾部形成的压力差，是清管器将管道分隔开以后，清管器尾部的上游管段天然气，与清管器头部下游管段天然气的压力差值。
[0013]S4、根据清管器运动受到上下游天然气压差产生的驱动力、其与管道内壁的摩擦阻力、倾斜管道中清管器的重力，以及清管器头部堆积的管道内沉积物阻力建立清管器运动方程；
[0014]沉积物阻力随清管器向管道出口位置运动而变化，清管器越接近管道出口，其头部堆积的沉积物阻力越大；
[0015]清管器追踪方法是一个无间断的实时连续、动态的追踪方法，可描述密闭管道系统内清管器在压差驱动下的运动速度、位置、到达某一位置的时间。
[0016]S5、根据S3中清管器头尾部的压力差，结合清管器头部堆积的管道内沉积物的阻力，求解S4中的清管器运动方程，得到清管器的运动加速度；
[0017]S6、使用S5中的清管器运动加速度，结合上一时刻清管器的运动速度，计算当前时刻清管器的运动速度；
[0018]S7、使用S6中计算的清管器运动速度，结合上一时刻清管器的运动位置，计算当前时刻清管器在管道中的位置；
[0019]S8、判断清管器是够到达管道出口，若未到达则回到步骤S2中继续下一个循环计算；若到达，则停止计算。
[0020]S1的连续性方程和动量方程具体如下：
[0021]连续性方程：
[0022][0023]动量方程：
[0024][0025]式中，ρ表示天然气密度，kg/m3；u表示管道内天然气流动速度，m/s；p表示管道内天然气压力，Pa；t表示时间，s；x表示管道长度，m；d表示管道内直径，m；θ表示管道倾角，
°
；λ表示摩阻系数，无量纲量。
[0026]S2具体如下：
[0027]离散化连续性方程：
[0028][0029]离散化动量方程：
[0030][0031]式中，下标i表示管道沿长度方向的空间离散点编号，对于上游管道i＝0～x
pig
/Δx，对于下游管道i＝x
pig
/Δx+1～x/Δx；x
pig
表示清管器在管道中位置、即清管器距离管道入口的距离长度；上标j表示沿时间方向的时间离散点编号，j＝0～t/Δt；Δx表示离散化处理管道长度的离散步长，m；Δt表示离散化处理的时间步长，s。
[0032]S3具体如下：
[0033]清管器尾部边界条件：
[0034][0035]清管器头部边界条件：
[0036][0037]清管器头尾两端压差：
[0038][0039]式中，上标tail表示清管器的尾部；上标head表示清管器头部；上标out表示管道的出口；上标in表示管道的入口；下标pig表示清管器；下标up
‑
pipe表示清管器分隔开的上游管段；下标down
‑
pipe表示清管器分隔开的下游管段；Δp
pig
表示清管器头尾两端的压差；
[0040]其中，Δp
pig
为清管器将管道中天然气分隔成上下游两段以后，上游天然气在清管器尾部、下游天然气在清管器头部产生的压力差；该压力差是推动清管器克服摩擦阻力、重力等阻力的驱动力，该数值的大小直接决定清管器的运动速度。
[0041]S4的清管器运动方程，具体函数关系式如下：
[0042][0043]式中，m
pig
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法，其特征在于，通过清管器将天然气管道分为上游、下游两个管段，并建立该管段的天然气流动仿真模型，使用管道测量的实时数据，求解清管器头部和尾部的压力差；其次，建立清管器运动的驱动力和阻力的平衡关系式，求解清管器的运动加速度；最后，根据清管器的运动加速度，结合上一时刻的清管器位置、运动速度，求解当前时刻清管器的运动速度、位置；不断更新上述过程，直至清管器到达管道出口。2.根据权利要求1所述的基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法，其特征在于，具体操作步骤如下：S1、建立管道内天然气流动仿真计算数学模型，包括连续性方程、动量方程，其中方程中使用压力、流速、密度描述天然气状态；S2、根据上一时刻清管器位置，清管器头部、尾部分别为分割点，将管道系统分割为上游、下游管段两部分，并对S1建立的连续性方程、动量方程采用有限差分方法进行离散化处理；S3、采用天然气管道系统实时采集的管道出入口实时压力、流量数据作为S2中离散化处理后的方程的边界条件，并通过数学方法求解，得到清管头部和尾部所在位置管道内天然气的压力，计算管道内天然气在清管器头部和尾部形成的压力差；S4、根据清管器运动受到上下游天然气压差产生的驱动力、其与管道内壁的摩擦阻力、倾斜管道中清管器的重力，以及清管器头部堆积的管道内沉积物的阻力建立清管器运动方程；S5、根据S3中清管器头尾部的压力差，结合清管器头部堆积的管道内沉积物的阻力，求解S4中的清管器运动方程，得到清管器的运动加速度；S6、使用S5中的清管器运动加速度，结合上一时刻清管器的运动速度，计算当前时刻清管器的运动速度；S7、使用S6中计算的清管器运动速度，结合上一时刻清管器的运动位置，计算当前时刻清管器在管道中的位置；S8、判断清管器是够到达管道出口，若未到达则回到步骤S2中继续下一个循环计算；若到达，则停止计算。3.根据权利要求1所述的基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法，其特征在于，S1所述连续性方程和动量方程具体如下：连续性方程：动量方程：式中，ρ表示天然气密度；u表示管道内天然气流动速度；p表示管道内天然气压力；t表示时间；x表示管道长度；d表示管道内直径；θ表示管道倾角；λ表示摩阻系数。4.根据权利要求1所述的基于在线仿真的天然气管道清管器追踪方法，其特征在于，S2
具体如下：离散化连续性方程：离散化动量方程：式中，下标i表示管道沿长度方向的空间离散点编号，对于上游管道i＝0～x
pig
/Δx，对于下游管道i＝x
pig
/Δx+1～x/Δx；x
pig
表示清管器在管道中位置、即清管器距离管道入口的距离长度；上标j表示沿时间方向的时间离散点编号，j＝0～t/Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄呈帅，王苏雯，肖劲光，高京卫，樊士豪，吕悦，夏鹏，何群，
申请(专利权)人：陕西省天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：