[发明专利]一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法

摘要

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。

主权项

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min F：式中，为某时步的泄漏流量；△t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，A_ip及B_ip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；H_L为泄漏点处高程；H_e为大气压等价水头；IL为泄漏点节点；α为泄漏系数；A_L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，为泄漏管道内某一点水头；H_maxi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；C_w为波涌系数；f为列宾宗摩阻系数；m为列宾宗摩阻指数；△t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；△H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，△x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。