在役修复热油管道停输再启动研究

摘要

自1971年建成第一条管线抚大线以来,东北输油管网已经服役35年,使用寿命已超过设计寿命.为了保证东北输油管网安全运行,现在每年都对在役管线进行开挖后的大规模的修复,修复的过程难免遇到停输问题.因此,为了保证热油管道修复和改造过程安全,有必要对开挖修复过程中停输再启动问题进行研究.考虑了开挖段的存在,建立了在役修复热油管道停输再启动数学模型.根据管线的实际情况,该模型的建立过程同时考虑了埋地管段、架空管段、穿越河流管段.由于边界条件的复杂性,模型求解方法采用数值解法.对轴向油温的求解,采用隐式差分格式的有限差分法；对埋地管段径向温度场的求解,采用有限元法.对求解区域进行了不均匀的网格剖分,大大减少了求解区域的节点数,计算速度快.启动压力从两方面进行研究,即沿程摩阻和压力波.从水力方程出发,推导出沿程压力的计算方法；出站压力计算时同时考虑压力波的作用和沿程摩阻的作用.对于埋地管段径向温度场模型,给出了恒温层边界温度及深度的计算方法.考虑管道在役修复期间的工况,建立了允许停输时间模型、最危险截面计算模型和最大开挖长度计算模型.开发了

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创新点摘要

引言

1停输再启动热力水力模型

1.1停输过程热力模型

1.1.1管道埋地段停输热力计算模型

1.1.2管道架空段停输热力计算数学模型

1.1.3管道穿越河流河床段停输热力计算数学模型

1.1.4管道开挖段停输热力计算数学模型

1.2启动过程热力模型

1.3启动过程水力模型

1.3.1摩阻计算模型

1.3.2压力波模型

1.4允许停输时间及最危险截面的确定

1.4.1允许停输时间

1.4.2危险截面

1.5最大开挖长度计算模型

1.6最小启动输量模型

1.7本章小结

2相关参数的确定

2.1土壤自然温度场

2.1.1管道埋深处土壤自然温度

2.1.2恒温层温度及深度的确定

2.2总传热系数的计算

2.2.1管内对流换热表面传热系数

2.2.2各层材料的总热阻

2.2.3管道外壁或最大外围至周围环境的换热系数

2.3油品相关参数

2.3.1油品比热的计算

2.3.2油品密度

2.3.3油品的粘度

2.4水力摩阻系数的计算

2.5本章小结

3模型求解方法

3.1轴向温度的求解

3.1.1停输轴向温降

3.1.2再启动轴向油温

3.2导热问题的有限元格式

3.2.1构造导热问题的泛函

3.2.2空间区域的离散

3.2.3时间域的离散

3.3径向温度的求解

3.3.1稳态径向温度场

3.3.2非稳态径向温度场

3.4径向求解区域的网格划分

3.4.1求解区域网格剖分

3.4.2节点及单元编号

3.5本章小结

4模拟软件

4.1软件主体结构

4.2软件功能

4.3软件的程序框图

4.3.1软件程序总框图

4.3.2稳态轴向温度、压力计算框图

4.3.3非稳态轴向温度、压力计算框图

4.3.4停输计算框图

4.3.5再启动计算框图

4.4软件界面及软件操作说明

4.4.1软件主界面

4.4.2参数输入模块

4.4.3网格划分模块

4.4.4软件计算模块

4.4.5结果显示模块

4.4.6管理指导模块

4.5软件安装与维护

4.6本章小结

5计算实例及模拟实验

5.1实际管线模拟计算结果及分析

5.1.1东北管网情况分析

5.1.2不开挖情况数值模拟

5.1.3开挖情况数值模拟

5.2停输再启动实验结果及模型验证

5.2.1停输再启动实验

5.2.2模型的验证

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践

致谢