空管段充液過程的模擬方法
2023-07-13 13:43:01
空管段充液過程的模擬方法
【專利摘要】本發明公開了一種空管段充液過程的模擬方法，包括：對不同局部地形處的管道鋪設形狀分別設立多種備選的基本管段模塊；針對每個所述基本管段模塊內的流動狀態特點分別建立對應的物理和數學模型；將待模擬的整條實際管道拆分為數個管段，確定整條實際管道各個拆分後的管段之間的聯接順序；將拆分後的管段分別與備選的所述基本管段模塊進行匹配，再按照所述聯接順序將與整條實際管線匹配的多個管段一一對應的各基本管段模塊進行自動識別和調控控制，並聯接成為完整的模擬管線；同時利用完整的模擬管線對應的聯接順序，依次對每個基本管段模塊進行流動耦合求解，輸出整條實際管道的模擬結果。
【專利說明】空管段充液過程的模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及石油遠程輸送【技術領域】，尤其涉及一種空管段充液過程的模擬方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著大量新建輸液管道投入運營，其投產過程受到越來越多的關注。由於 成本、建設質量和環保要求的制約，空管直接啟動方式在我國管道投產中得到越來越廣泛 的應用。在空管直接啟動的過程中，進入管道的液體難以直接充滿管道將氣體趕出去，而是 要歷經分層流、波浪流、氣泡流或段塞流等兩相流的流型變化。輸液管道空管直接啟動的實 質，可歸結為管道內的空管段充液過程即充入管道的液體將管道內原有氣體逐漸趕出的氣 液兩相流過程；空管段充液過程適應於多種不同領域的管道內液體輸送。
[0003] 在輸液管道空管段充液過程中，現場人員最關心的是管道內液體的流動形態及其 造成的壓降。對於氣液兩相流中液體的流動形態，目前已經形成了以V0F為代表的比較成 熟的數值模擬技術（其中，V0F方法的基本原理是通過研究網格單元中流體和網絡體積比 函數來確定自由面，追蹤流體的變化）。但是其往往存在如下幾個方面技術缺陷：
[0004] 一方面，由於其需要劃分細緻的網格，所需計算時間較長，因而通常只適用於計算 區域尺度較小的問題。而且輸液管道的長度一般較長，而且管路沿線地形的起伏變化非常 複雜，如果使用此類方法進行計算，其耗費的時間和計算機內存都是目前的計算條件所遠 遠不能滿足的。
[0005] 舉例說明，在生產實際中，長距離輸液管道所跨越的地理位置較為廣闊，經常會遇 到沙漠、海洋、高原和丘陵等特殊的地形條件，因此呈現出複雜多變的起伏管路。例如2005 年開建的西部管道工程，就是典型的大落差起伏管道，起點為烏魯木齊市王家溝油庫，終點 為蘭州末站，全長約1858km，途經新疆盆地、戈壁沙漠和黃土高原，管路沿線地形的起伏變 化非常複雜，最大的起伏落差約為1300m。由於地形變化的影響，起伏管道內氣液兩相流動 的流型、壓降和持液率等流動參數，會與簡單的水平管、傾斜管和垂直管道的兩相流動產生 很大的區別，進而為起伏管道空管段充液過程的研究帶來困難。
[0006] 另一方面，在工程實踐中，通常只關心管道入口壓力、沿程摩阻等宏觀信息，而現 有技術的上述方法只能得到液流中的氣泡破碎、聚並等微觀細節數據。因此，現有技術的上 述方法基於計算條件的限制和工程應用的要求，對輸液管道空管段充液過程的數值模擬沒 有以得到具有工程指導意義的宏觀參數為目標。因此，現有技術中的該方法得到的數值模 擬結果，其包括了較多的計算結果，這樣的計算結果對於工程指導不具有針對性。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在於提供一種空管段充液過程的模擬方法，以解決上述問題。
[0008] 為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：
[0009] -種空管段充液過程的模擬方法，包括如下步驟：
[0010] 對不同局部地形處的管道鋪設形狀分別設立多種備選的基本管段模塊； toon] 針對每個所述基本管段模塊內的流動狀態特點分別建立對應的物理和數學模 型；
[0012] 將待模擬的整條實際管道拆分為數個管段，確定整條實際管道各個拆分後的管段 之間的聯接順序；將拆分後的管段分別與備選的所述基本管段模塊進行匹配，再按照所述 聯接順序將與整條實際管線匹配的多個管段一一對應的各基本管段模塊進行自動識別和 調控控制，並聯接成為完整的模擬管線；
[0013] 同時利用完整的所述模擬管線對應的所述聯接順序，依次對每個基本管段模塊進 行流動耦合求解，輸出整條實際管道的模擬結果。
[0014] 較佳地，所述模擬結果包括液體流動形態信息、壓降信息、滿管流水頭位置信息、 以及模擬管線總壓降隨時間變化趨勢信息和各管段內流動狀態變化趨勢信息。
[0015] 較佳地，所述對不同局部地形處的管道鋪設形狀分別設立多種備選的基本管段模 塊，具體包括如下步驟：
[0016] 基於每個基本管段模塊的都是滿管流流入的原則，對不同局部地形處的管道鋪設 形狀確定了 9種基本管段模塊的類型。
[0017] 較佳地，所述將待模擬的整條實際管道拆分為數個管段，確定整條實際管道各個 拆分後的管段之間的聯接順序，具體包括如下步驟：
[0018] 針對多個管段的縱斷面圖對整條實際管道各個拆分後的管段之間的聯接順序進 行確定。
[0019] 較佳地，所述將拆分後的管段分別與備選的所述基本管段模塊進行匹配，再按照 所述聯接順序將與整條實際管線匹配的多個管段一一對應的各基本管段模塊進行自動識 別和調控控制，並聯接成為完整的模擬管線，具體包括如下步驟：
[0020] 將拆分後的管段的地形起伏情況分別與備選的所述基本管段模塊進行匹配；
[0021] 再按照所述聯接順序將與整條實際管線匹配的多個管段一一對應的各基本管段 模塊進行自動識別，並按照聯接順序進行編號；在自動識別過程中，識別同一基本管段模塊 多次出現的重複信息；
[0022] 按照編號的依次順序聯接成為完整的模擬管線。
[0023] 較佳地，所述同時利用完整的所述模擬管線對應的所述聯接順序，依次對每個基 本管段模塊進行流動耦合求解，輸出整條實際管道的模擬結果，具體包括如下步驟：
[0024] 在當前編號的進行流動耦合求解時，均判斷當前時刻滿管流水頭是否到達了當前 編號的基本管段模塊；
[0025] 若是，則對當前編號的基本管段模塊的位置進行識別；
[0026] 判斷當前時刻是否處於當前編號的基本管段模塊的計算起點；
[0027] 若是，進行初始化；若否，從相應的"儲艙"內調用計算條件；
[0028] 利用控制方程進行計算得到當前編號的基本管段模塊的水力狀況數據；
[0029] 將包括有當前編號的基本管段模塊的水力狀況數據的計算結果存入相應的"儲 艙"內；
[0030] 判斷在下一時步需要開啟下一編號的基本管段模塊的計算操作；讀取並記錄上一 時步的包括有水力狀況數據的計算結果；判斷水頭位置，開啟並執行下一編號的基本管段 模塊進行計算操作；更新計算時步，重複後續編號的基本管段模塊的計算操作。
[0031] 與現有技術相比，本發明實施例的優點在於：
[0032] 本發明提供的一種空管段充液過程的模擬方法，包括如下步驟：設立多種備選基 本管段模塊，針對每個模塊內的流動狀態特點分別建立物理和數學模型，描述其流動形態 及相應壓降。通過識別技術，將實際管線拆分為數個管段，分別與所給出的基本計算模塊進 行匹配，再通過識別和調控等一系列控制手段，將各基本模塊聯接成為完整的管線，從而實 現對管道空管段充液過程的模擬。上述模擬計算得到的模擬結果包括液體流動形態信息、 壓降信息、滿管流水頭位置信息、以及模擬管線總壓降隨時間變化趨勢信息和各管段內流 動狀態變化趨勢信息，上述結果多為宏觀參數數據，其具有工程指導意義更加重大；同時上 述模擬計算過程更加簡要，程序簡單可靠，由於使用了基本管段模塊，在程序以及調用基本 管段模塊時處理數據和模型更加直接，快速，因此上述模擬方法適用於大量數據的處理，適 用於複雜地形的長距離輸液管道的水力過程模擬。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發明實施例一提供的基於空管直接啟動過程的輸液管道的水力過程模 擬方法的基本流程示意圖；
[0034] 圖2為本發明實施例一提供的空管段充液過程的模擬方法中九種基本管段模塊 示意圖；
[0035] 圖3為本發明實施例一提供的空管段充液過程的模擬方法中A型基本管段模塊中 的流動形態示意圖；
[0036] 圖4為本發明實施例一提供的空管段充液過程的模擬方法中Η型管段流動形態示 意圖；
[0037] 圖5a為本發明實施例一提供的空管段充液過程的模擬方法中主程序流程示意 圖；
[0038] 圖5b為本發明實施例一提供的空管段充液過程的模擬方法中模塊內部計算流程 圖；
[0039] 圖5c為本發明實施例一提供的空管段充液過程的模擬方法中識別模塊流程圖；
[0040] 圖5d為本發明實施例一提供的空管段充液過程的模擬方法中調控模塊流程圖；
[0041] 圖6為本發明實施例二中管道縱斷面圖；
[0042] 圖7a、圖7b、圖7c、圖7d、圖7e、圖7f、圖7g、圖7h分別為本發明實施例二中空管 直接啟動過程中不同的流動形態示意圖；
[0043] 圖8為本發明實施例二中管線總壓降隨時間變化趨勢示意圖；
[0044] 圖9為本發明實施例二中各管段內流動狀態變化趨勢示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面通過具體的實施例子並結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。
[0046] 實施例一
[0047] 參見圖1，本發明實施例一提供了一種空管段充液過程的模擬方法，包括如下步 驟：
[0048] 步驟S100、對不同局部地形處的管道鋪設形狀分別設立多種備選的基本管段模 塊；
[0049] 步驟S200、針對每個基本管段模塊內的流動狀態特點分別建立對應的物理和數學 模型；
[0050] 步驟S300、將待模擬的整條實際管道拆分為數個管段，確定整條實際管道各個拆 分後的管段之間的聯接順序；將拆分後的管段分別與備選的基本管段模塊進行匹配，再按 照聯接順序將與整條實際管線匹配的多個管段一一對應的各基本管段模塊進行自動識別 和調控控制，並聯接成為完整的模擬管線；
[0051] 步驟S400、同時利用完整的模擬管線對應的聯接順序，依次對每個基本管段模塊 進行流動耦合求解，輸出整條實際管道的模擬結果。
[0052] 較佳地，所述模擬結果包括液體流動形態信息、壓降信息、滿管流水頭位置信息、 以及模擬管線總壓降隨時間變化趨勢信息和各管段內流動狀態變化趨勢信息。
[0053] 在上述步驟S200中，針對每個所述基本管段模塊內的流動狀態特點分別建立對 應的物理和數學模型。
[0054] 需要說明的是，基於計算條件的限制和工程應用的要求，對空管段充液過程的數 值模擬應以得到具有工程指導意義的宏觀參數為目標。本文針對該問題，提出了耦合求解 不同地形起伏管路的方法，實現了複雜空管段充液水力過程的模擬。
[0055] 在上述步驟S100中，涉及的對不同局部地形處的管道鋪設形狀分別設立多種備 選的基本管段模塊，具體包括如下步驟：
[0056] 基於每個基本管段模塊的都是滿管流流入的原則，對不同局部地形處的管道鋪設 形狀確定了 9種基本管段模塊的類型（參見圖2)。
[0057] 需要說明的是，為了避免編程上的麻煩，應儘量減少不同模塊間的交互，因此應使 模塊間的關係儘量串行化。具體表現在空管段充液過程中，即是使每個管段模塊的都是滿 管流流入的。基於這個原則，確定了 9種基本管段模塊（參見圖2)。在每個基本管段模塊 內部的計算中，主要涉及到兩方面參數：液體流動形態以及某個具體流動形態下的壓降，下 面分別討論。
[0058] 1. 1. 1液體流動形態的確定：
[0059] 下面分類介紹每個基本管段模塊中的基本控制方程。
[0060] (1)第一類：A 型：
[0061] 參見圖3,液流在A型管段的推進可分為兩個階段。第一階段：不滿流水頭尚未到 達管道末端，滿管流水頭與不滿流水頭均不斷向前推進；第二階段：不滿流水頭到達管道 末端後，造成回流，使管段內持液率上升，滿管流水頭繼續推進。下面分別討論。
[0062] (1. 1)第一階段：
[0063] 水流在該類管道中的流動類似於明渠流動，可利用下式計算其正常水深。其正常 水深應滿足如下關係[8]:
[0064]
【權利要求】
1. 一種空管段充液過程的模擬方法，其特徵在於，包括如下步驟： 對不同局部地形處的管道鋪設形狀分別設立多種備選的基本管段模塊； 針對每個所述基本管段模塊內的流動狀態特點分別建立對應的物理和數學模型； 將待模擬的整條實際管道拆分為數個管段，確定整條實際管道各個拆分後的管段之間 的聯接順序；將拆分後的管段分別與備選的所述基本管段模塊進行匹配，再按照所述聯接 順序將與整條實際管線匹配的多個管段一一對應的各基本管段模塊進行自動識別和調控 控制，並聯接成為完整的模擬管線； 同時利用完整的所述模擬管線對應的所述聯接順序，依次對每個基本管段模塊進行流 動耦合求解，輸出整條實際管道的模擬結果。
2. 如權利要求1所述的空管段充液過程的模擬方法，其特徵在於， 所述模擬結果包括液體流動形態信息、壓降信息、滿管流水頭位置信息、以及模擬管線 總壓降隨時間變化趨勢信息和各管段內流動狀態變化趨勢信息。
3. 如權利要求1所述的空管段充液過程的模擬方法，其特徵在於， 所述對不同局部地形處的管道鋪設形狀分別設立多種備選的基本管段模塊，具體包括 如下步驟： 基於每個基本管段模塊的都是滿管流流入的原則，對不同局部地形處的管道鋪設形狀 確定了 9種基本管段模塊的類型。
4. 如權利要求3所述的空管段充液過程的模擬方法，其特徵在於， 所述將待模擬的整條實際管道拆分為數個管段，確定整條實際管道各個拆分後的管段 之間的聯接順序，具體包括如下步驟： 針對多個管段的縱斷面圖對整條實際管道各個拆分後的管段之間的聯接順序進行確 定。
5. 如權利要求4所述的空管段充液過程的模擬方法，其特徵在於， 所述將拆分後的管段分別與備選的所述基本管段模塊進行匹配，再按照所述聯接順序 將與整條實際管線匹配的多個管段一一對應的各基本管段模塊進行自動識別和調控控制， 並聯接成為完整的模擬管線，具體包括如下步驟： 將拆分後的管段的地形起伏情況分別與備選的所述基本管段模塊進行匹配； 再按照所述聯接順序將與整條實際管線匹配的多個管段一一對應的各基本管段模塊 進行自動識別，並按照聯接順序進行編號；在自動識別過程中，識別同一基本管段模塊多次 出現的重複信息； 按照編號的依次順序聯接成為完整的模擬管線。
6. 如權利要求5所述的空管段充液過程的模擬方法，其特徵在於， 所述同時利用完整的所述模擬管線對應的所述聯接順序，依次對每個基本管段模塊進 行流動耦合求解，輸出整條實際管道的模擬結果，具體包括如下步驟： 在當前編號的進行流動耦合求解時，均判斷當前時刻滿管流水頭是否到達了當前編號 的基本管段模塊； 若是，則對當前編號的基本管段模塊的位置進行識別； 判斷當前時刻是否處於當前編號的基本管段模塊的計算起點； 若是，進行初始化；若否，從相應的"儲艙"內調用計算條件； 利用控制方程進行計算得到當前編號的基本管段模塊的水力狀況數據； 將包括有當前編號的基本管段模塊的水力狀況數據的計算結果存入相應的"儲艙" 內； 判斷在下一時步需要開啟下一編號的基本管段模塊的計算操作；讀取並記錄上一時步 的包括有水力狀況數據的計算結果；判斷水頭位置，開啟並執行下一編號的基本管段模塊 進行計算操作；更新計算時步，重複後續編號的基本管段模塊的計算操作。
【文檔編號】G06F9/455GK104102780SQ201410342352
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】宇波, 張欣雨, 章濤, 謝靜, 王巖 申請人:中國石油大學(北京)