高压输气管线减压波分析预测方法

摘要

高压输气管线减压波分析预测方法，应用于高压天然气输送管道断裂控制和安全保障技术领域。在测得的管线某点开裂前初始压力P1、温度T1下，根据不同的气质选择相应的状态方程，即SRK、PR、BWRS-PR、BWRS-SRK四个状态方程及组合，计算等熵点压力温度下流体的密度、逸度、定容热容、定压热容、比热等流体特性，用于判断管线中流体所处相态，描述真实流体等熵过程的特性，准确得到减压波速。效果是：对重要输气管道的气体减压波曲线进行分析预测，进而预测管材的止裂韧性，分析预测结果，优化了管道设计和运行参数，使用方便。

主权项

1.一种高压输气管线减压波分析预测方法，其特征是： 步骤A：测得管线开裂点的压力及温度的信息，或者开裂点位置及管线入口处压力、温度、管道基础资料，如管长、管径、管道粗糙度、传热系数、流量，其次，化验取得开裂前管线内的气质组成的资料信息，并输入计算机； 步骤B：在测得的管线某点开裂前初始压力P1、温度T1下，根据不同的气质选择相应的状态方程，即选用索阿韦-雷德利克-邝Saove-Redlich-Kwong，简称SRK方程、彭-鲁宾逊Peng-Robinson，简称PR方程、本尼迪克特-韦布-鲁宾-斯塔林方程和彭-鲁宾逊方程Benedict-Webb-Rubin-Starling方程和Peng-Robinson方程，简称BWRS-PR方程、本尼迪克特-韦布-鲁宾-斯塔林方程和索阿韦-雷德利克-邝方程Benedict-Webb-Rubin-Starling方程-Saove-Redlich-Kwong方程，简称BWRS-SRK方程四个状态方程及组合，计算等熵点压力温度下流体的密度ρ、逸度f、定容热容C_V、定压热容C_P、比热γ流体特性，用于判断管线中流体所处相态，描述真实流体等熵过程的特性，以便准确计算减压波速w， SRK、PR、BWRS状态方程依次分别为： 其中，状态方程计算中采用的混合物规则为范德华单流体混合规 则，也称二次型混合规则，是目前最常用的混合规则，其形式如下： 在该混合准则中，交互作用参数采用以下的组合规则： 式中：P---压力，T---温度，R---气体常数，v---摩尔体积，ρ---密度，i---组分名称，j---组分名称，A₀---特征参数，B₀---特征参数，C₀---特征参数，D₀---特征参数，E₀---特征参数，a---特征参数，b---特征参数，c---特征参数，d---特征参数，α---特征参数，γ---特征参数，a_i---交互作用参数，a_j---交互作用参数，b_i---交互作用参数，b_j---交互作用参数，a_ij---交互作用参数，b_ij---交互作用参数，k_ij---交互作用参数，x_i---i组分含量，x_j---j组分含量； 步骤C：计算减压过程中的熵：熵的计算直接决定着流体所处的状态，影响到气液相的分布及组成，进而影响到减压波的计算， S=S⁰+(S-S⁰) 对于压力为显函数的状态方程，混合物的熵值为 S⁰为混合物在系统温度T下的理想气体熵，表达式为 式中：S---混合物的熵，S⁰---理想气体混合物的熵，P---压力，T---温度，R---气体常数，V---体积，C_P---定压热容，n---物质的摩尔数， 根据以上方程，计算出初始状态下气质的熵，记为S₁； 步骤D：根据步骤B，判断压力P₁、温度T₁下的相态， 若为单相，则T₂=T₁-△T，△T取1开尔文， 假设压力P₂接近于压力P₁，由步骤C求出压力P₂、 温度T₂下的熵S₂，计算|S₂-S₁|<ε，若是，则进入步骤E；若否，则减小压力P₂，重新计算，直至满足条件， 若为两相，则通过减小压力P，即P₂=P₁-△P，△P取0.0001～0.002P₁， 假设温度T₂接近于温度T₁，由步骤C求出温度T₂，压力P₂下的熵S₂；计算|S₂-S₁|<ε，若是，则进入步骤F；若否，则减小温度T₂，重新计算，直至满足条件， 步骤E：计算压力P₂、温度T₂下的气体密度和声速， 气相声速计算模型为： 通过分析得： c=a_G式中，a_G---气体声速，P---压力，ρ---密度，T---温度，R---气体常数，γ---气体比热，M---气体摩尔质量，c---管线中流体声速； 步骤F：两相流声速计算：其中气体采用经典的气相声速计算模型，液相声速方程采用泰特刚性气体模型， 液相声速计算模型为： 其中，两相流声速计算模型为宫-徐模型，该模型在双流体模型基础上， 引入虚拟质量力系数，推导了不同流型工况气液两相管流压力波速预测的统一模型： 其中，C_vm为虚拟质量力系数， (1)当C_vm=0时，适用于分层流，忽略相间阻力； (2)当时，适用于泡状流；(3)当时，适用于段塞流；(4)当C_vm→∞时，适用于均质小泡状流、雾状流， 式中，R_L---液相体积分数，R_G---气相体积分数，常数n=7.15，B=3.3×10⁸Pa，---对比液相密度，ρ_L---液相密度，ρ_G---气相密度，a_L---液体声速，a_G---气体声速，c---管线中流体声速；步骤G：根据减压波过程中各个等熵点的密度差和速度差，计算开裂处流体的流出速度， 式中，u---流体从开裂处的流出速度，Δu---不同等熵点的速度差，P---压力，ρ---密度，Δρ---等熵点的密度差，c---管线中流体声速； 步骤H：由步骤E、F和G，声速c和减压波速度u之差求得减压波传播速度w；若减压波传播速度w接近0，停止计算，完成输气管线减压波预测，若否，则返回步骤B，判断压力P2、温度T2的相态，循 环计算； 步骤I：由计算机输出结果：输出结果包括两种形式，以图形、表格形式输出和数字文件形式输出；图形、表格形式输出的包括减压波曲线及数据表格，相包线及等熵线； 最后，通过不同的开裂点初始压力、温度、气质，得到相应的减压波计算结果，不同天然气气质、初始温度、压力下减压波计算结果的不同，得到影响因素对于减压波特性的影响，提出所输送天然气气质的要求；另外，将减压波曲线与管线材料的阻力曲线相结合，用于管线止裂韧性预测。