[科普中國]-熱力瞬變

簡介

長輸管道內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩大類。穩(wěn)定流動(dòng)是管道流動(dòng)的基本狀態(tài)，不穩(wěn)定流動(dòng)則由穩(wěn)定流動(dòng)受到破壞而引起，例如開閥和關(guān)閥、開泵和停泵、調(diào)節(jié)閥和安全閥動(dòng)作、動(dòng)力故障以及管道泄漏等各種原因而發(fā)生水力瞬變和熱力瞬變。油品順序輸送過程中，由于首站油品切換、混油經(jīng)過中間泵站、混油界面沿站間運(yùn)動(dòng)、泵啟停、油品楔入與分流、節(jié)流以及流程倒換等原因，會(huì)發(fā)生水力瞬變；同時(shí)，油品受泵的壓縮、站內(nèi)(包括泵內(nèi))油品摩擦、節(jié)流及油品沿站間管道流動(dòng)的摩擦，沿線油流溫度將發(fā)生變化，即發(fā)生熱力瞬變。一方面，流體流動(dòng)參數(shù)(壓力及流量)與物性(粘度)有關(guān)；另一方面，溫度分布又與流量及摩阻有關(guān)。因而，油品順序輸送過程中的水力瞬變過程和熱力瞬變是耦合的。

工程上的不穩(wěn)定流問題十分重要，因?yàn)樗赡芤鸬墓艿莱瑝骸⒃肼?、抽空和振?dòng)比起由穩(wěn)定流分析所得的結(jié)果要嚴(yán)重得多。目前，液體在長輸管道內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)問題常采用各種數(shù)值解法并借助計(jì)算機(jī)來進(jìn)行有效的分析。美國學(xué)者斯特里特在1963年創(chuàng)建的特征線法是最廣泛使用的數(shù)值方法。特征線法具有理論嚴(yán)密、物理意義明確、適用范圍廣等特點(diǎn)。

雙特征線法自20世紀(jì)60年代以來，特征線法一直是分析管流水力瞬變的有力工具，但是較少考慮熱力瞬變過程。由于各種原因，當(dāng)管內(nèi)流體流量發(fā)生變化時(shí)，流體的摩擦生熱會(huì)改變，從而引起流體溫度改變，尤其在大流量時(shí)更是如此。流體溫度改變使得流體粘度及水力摩阻系數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而使流量變化。因此，水力瞬變過程與熱力瞬變過程是互相關(guān)聯(lián)的。

文獻(xiàn)1研究了管道內(nèi)流體流動(dòng)的水力瞬變及熱力瞬變，改進(jìn)了分析介質(zhì)順序輸送管流水力瞬變的特征線法，推導(dǎo)了含流速v的3次方的熱力瞬變方程，構(gòu)造了相應(yīng)的特征線法，建立了分析介質(zhì)順序輸送管流耦合的水力-熱力瞬變的雙特征線法。研究結(jié)果表明，壓力波是以水擊波速度傳播的，從對流-擴(kuò)散方程的觀點(diǎn)來看，溫度是以流體運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)量級來傳播的，遠(yuǎn)小于壓力波傳播速度；在首站介質(zhì)切換引起的壓力擾動(dòng)波的作用下，全線流量發(fā)生變化；盡管純對流作用尚未波及到一些點(diǎn)，但是這些點(diǎn)的溫度已發(fā)生了變化，這是由于首站發(fā)出壓力下降和（或）因混油界面運(yùn)動(dòng)，流量發(fā)生了變化，摩擦生熱發(fā)生了變化所致。

耦合分析在特征線法實(shí)際求解過程中，由于熱力瞬變和水力瞬變是相互耦合的，因此其耦合分析方法為：先計(jì)算管流在穩(wěn)態(tài)的已知值(流量、壓力及溫度)；當(dāng)某種邊界條件發(fā)生變化時(shí)，勢必發(fā)生水力和熱力瞬變，在計(jì)算水力瞬變時(shí)，將溫度作為前時(shí)步之值，根據(jù)水力瞬變特征線法計(jì)算管道結(jié)點(diǎn)的流量與壓力值；根據(jù)熱力特征線法計(jì)算管道結(jié)點(diǎn)的溫度值，并計(jì)算物性，如ρ、μ等，進(jìn)而計(jì)算水力摩擦系數(shù)f；根據(jù)水力瞬變特征線法計(jì)算管道結(jié)點(diǎn)的流量與壓力值。如此反復(fù)計(jì)算達(dá)到規(guī)定的迭代精度，從而完成一個(gè)時(shí)步的計(jì)算并計(jì)算下一時(shí)步，直到滿足規(guī)定的介質(zhì)輸送計(jì)劃為止。由于熱力瞬變計(jì)算所選的結(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于水力瞬變計(jì)算的結(jié)點(diǎn)數(shù)，因此在熱力瞬變計(jì)算中所需的結(jié)點(diǎn)的流量及壓力值常需要插值。

文獻(xiàn)2研究了成品油順序輸送過程中的熱力瞬變過程，建立了相應(yīng)的模型，并給出了分析熱力瞬變的特征線算法。對成品油順序輸送過程中的熱力瞬變和水力瞬變進(jìn)行了耦合分析，給出了一條成品油管道順序輸送的熱力-水力瞬變耦合分析的結(jié)果：壓力是以水擊波速度傳播的，而對流擴(kuò)散方面的分析表明，溫度是以流體運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)量級來傳播的；流量變化對溫度變化有影響；盡管對流作用尚未波及到一些點(diǎn)，但這些點(diǎn)的溫度已發(fā)生了變化，這是因?yàn)樗λ沧兪沽髁堪l(fā)生了變化，從而使摩擦生熱也發(fā)生了變化；水力瞬變引起的溫度變化對成品油順序輸送中混油界面預(yù)測的影響不可忽略，對于大口徑長輸管道更是如此；如果用恒溫來計(jì)算，預(yù)計(jì)對混油界面的預(yù)測差別會(huì)更大。因此，預(yù)測混油界面必須考慮沿線的溫度變化，而且還必須考慮瞬變過程中的溫度變化。

埋地?zé)嵊凸艿滥壳?，埋地?zé)嵊凸艿廊匀皇俏覈瓦\(yùn)輸?shù)闹饕绞?，其在我國石油工業(yè)乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。由于各種內(nèi)外部因素的變化以及管道-土壤系統(tǒng)溫度場變化的滯后性，埋地?zé)嵊凸艿赖倪\(yùn)行過程基本上處于熱力不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，定量研究熱力非穩(wěn)態(tài)條件下管道運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律及特點(diǎn)具有重要意義。 文獻(xiàn)3在分析熱油管道熱力瞬變工況的發(fā)生、發(fā)展過程及其類型和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出將大氣、土壤和管道看成一個(gè)熱力系統(tǒng)來進(jìn)行分析，該系統(tǒng)內(nèi)的傳熱過程包括管內(nèi)油流向周圍土壤的放熱過程、土壤中的導(dǎo)熱過程以及土壤與大氣的換熱過程。通過系統(tǒng)分析，建立了埋地?zé)嵊凸艿罒崃λ沧冞^程的雙層耦合數(shù)學(xué)模型，所謂雙層是指內(nèi)層為管內(nèi)油流的熱力、水力耦合，外層為管內(nèi)油流與管外土壤的耦合。該數(shù)學(xué)模型是一個(gè)偏微分方程的定解問題，提出了一套求解該數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算方法，其基本思路是：將基于空間域的有限元法與基于時(shí)間域的有限差分法結(jié)合起來以求解管線周圍土壤的不穩(wěn)定溫度場，用水力、熱力雙特征線法交替求解管內(nèi)油流的軸向不穩(wěn)定溫度場，而這兩個(gè)溫度場的求解過程通過管段與土壤之間的換熱量相耦合?？紤]到有限元法不適合于處理邊界半無限大土壤溫度場，采用動(dòng)態(tài)邊界法(即通過判斷邊界附近相鄰?fù)寥罍囟葘娱g的溫度梯度是否為零或者在一定允許偏差范圍內(nèi)來調(diào)整合適的邊界大小的方法)將其簡化為一矩形區(qū)域，并以不同的步長劃分該區(qū)域進(jìn)行求解，該方法的有效性在求解過程中得到了驗(yàn)證。在求解土壤溫度場時(shí)，考慮了降雨/雪對土壤導(dǎo)熱系數(shù)的影響，提出了土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)的簡便計(jì)算公式，并給出了土壤導(dǎo)熱系數(shù)與土壤含水量的變化關(guān)系曲線?；谏鲜瞿Ｐ秃退惴?，開發(fā)了熱油管道非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬軟件HOPTUPNS，以鐵秦線為例采用該軟件模擬了大氣降溫、出站溫度變化、流量變化、出站溫度和流量同時(shí)變化及大氣降溫、出站溫度和流量同時(shí)變化引起的五種非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程，并把模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，證明了該模型和算法的正確性和有效性。通過研究上述熱力瞬變工況，總結(jié)出了熱油管道熱力非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程的一般規(guī)律，這些規(guī)律對熱油管道的運(yùn)行管理具有指導(dǎo)意義。

文獻(xiàn)4為了較準(zhǔn)確地模擬埋地?zé)嵊凸艿赖臒崃λ沧冞^程，則提出了一套求解該過程數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算方法,并在Windows NT 4.0(中文版)環(huán)境下用Visual C++5.0編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件。