CN109654266B - 一种基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定方法，包括以下步骤：1)构建油气水三相流水击模型，再根据油气水三相流水击模型计算油气水三相流水击压强；2)建立泄压阀阀芯动力学模型，以构建油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系，然后根据油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系进行泄压阀的压力精度设定，完成基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定，该方法实现泄压阀的压力精度设定。
Description
技术领域
本发明属于油气管道水击防护技术领域，涉及一种基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定方法。
背景技术
石油工程中，随着多相混合集输技术的广泛应用，油气管道中输送介质多为油气水三相流体。在有压输油管道中，油气水三相管流因流速的剧烈变化而引起动量的转换，从而在管路中产生一系列剧烈的压力交替变化的水击现象。多相流水击问题成为油气储运工程领域的研究热点，其产生的压强是严重危害油气管道***安全运行的重要因素，对应的安全防护装置-氮气式水击泄压阀，是提高油气管道***安全性的重要设备。
泄压阀的压力精度设定问题的影响因素主要包括：氮气压力与弹簧力，确定了两者的设定数值，即解决了氮气式水击泄压阀的压力精度设定问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定方法，该方法实现泄压阀的压力精度设定。
为达到上述目的，本发明所述的基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定方法包括以下步骤：
1)构建油气水三相流水击模型，再根据油气水三相流水击模型计算油气水三相流水击压强；
2)建立泄压阀阀芯动力学模型，以构建油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系，然后根据油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系进行泄压阀的压力精度设定，完成基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定。
步骤1)的具体操作为：根据油气水三相流水击模型计算油气水三相流水击波速，再根据油气水三相流水击波速计算油气水三相流水击压强。
在Δt时间内，水击波运动距离Δs＝a·Δt，其中，a为水击波速，在Δs段内，流速由v增至v+Δv，压力由P增至P+ΔP，多相流体密度由ρ增至ρ+Δρ，管道横截面积由A增至A+ΔA，流体质量由ρAv△t增至(ρ+△ρ)(A+△A)(v+△v)△t，其中，Δρ为油气水三相流体混合物密度变化量，A为管道横截面积，ΔA为管道横截面积变化量；
当Δt足够小时，多相流体密度为管道截面上的流体混合密度，即ρ＝ρl·(1-α)+ρg·φ，其中，ρl为油水两相混合物密度，ρg为气相的密度，φ为截面含气率；
在Δt时间内由水击波引起的流段内多相流体质量的增量为：
(ρ+△ρ)(A+△A)a△t-ρAa△t＝a△(ρA)△t (1)
由式(1)得
△(ρAv)＝-a△(ρA) (2)
由动量守恒定理，得管道内动量变化量为：
(ρ+△ρ)(A+△A)a△t(v+△v)-ρAav△t≈△(ρAv)a△t (3)
对Δs段上的受力情况进行分析，得Δs段受到的外力包括压力差、重力及摩擦阻力，其中，
压力差：(ρ+△ρ)(A+△A)a△t(v+△v)-ρAav△t≈△(ρAv)a△t
重力：ρgA△ssinθ；摩擦阻力：τDxD△s+τdxd△s
其中，Δs为在Δt时间内多相流体的运动距离，θ为管轴线与水平线的夹角，g为重力加速度，τD为外环内管壁摩擦切应力，
τd为内环外管壁摩擦切应力，xD为外环管道断面湿周，xd为内环管道断面湿周；
在Δt时间内外力的冲量为：
△t[-△(AP)+ρgA△ssinθ-τDxD△s-τdxd△s] (4)
根据动量定理，得
-△(AP)+ρgA△s sinθ-τDxD△s-τdxd△s＝△(ρAv)a (5)
对式(5)进行整理，得
将式(3)代入式(6)中，得：
由式(7)得油气水三相流水击波速a为：
由式(8)得到的油气水三相流水击波速a，根据伯努利方程求取油气水三相流水击压强P1，其中，
P1＝ρ(a2+gh)+c (9)
其中，h为流体铅锤高度，c为流体所得动能。
建立泄压阀阀芯动力学模型，以构建油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系的具体操作为：
构建水击作用力F计算方程，其中，水击作用力F计算方程为：
F＝P·S·sinα1 (10)
根据牛顿第二定律，结合泄压阀阀芯在水平方向上的运动状态分析，得泄压阀中的氮气压力FN为：
FN＝F-ma1-Gμ-Ff (11)
其中，m为泄压阀阀芯质量，G为泄压阀阀芯的重力，Ff为弹簧力，μ为泄压阀阀芯与阀壁间的摩擦阻力系数，a1为泄压阀阀芯运动方向的加速度，其中，泄压阀阀芯运动方向的加速度a1的表达式为：
其中，vt为阀芯在t时刻的运动速度，vt+Δt为阀芯在t+Δt时刻的运动速度，Δt为时间变化量；
泄压阀阀芯运动距离等于弹簧位移量Δx，其中，
则泄压阀中的弹簧力为：
Ff＝K△x (14)。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定方法在具体操作时，构建油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系，然后根据油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系进行泄压阀的压力精度设定，以解决泄压阀的压力精度设定问题，减少通过试验确定氮气式水击泄压阀压力精度的成本，经济效益较好，需要说明的是，本发明通过对泄压阀中氮气压力及弹簧力的确定，较好的模拟泄压阀的作用过程，从而对泄压阀是否启闭作出准确的判定。
附图说明
图1为环形管道截面水击波速推导用图；
图2为氮气式水击泄压阀的结构示意图；
图3为阀芯受力分析图；
图4为仿真验证实验中油气水多相流水击测试装置示意图；
图5为本发明中泄压阀仿真模型图；
图6为本发明中水击压强实测值与模拟值的对比图；
图7为本发明中氮气压力实测值与模拟值的对比图；
图8为本发明中弹簧力实测值与模拟值的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1、图2及图3，本发明所述的基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定方法包括以下步骤：
1)构建油气水三相流水击模型，再根据油气水三相流水击模型计算油气水三相流水击压强；
2)建立泄压阀阀芯动力学模型，以构建油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系，然后根据油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系进行泄压阀的压力精度设定，完成基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定。
步骤1)的具体操作为：根据油气水三相流水击模型计算油气水三相流水击波速，再根据油气水三相流水击波速计算油气水三相流水击压强。
具体的，在Δt时间内，水击波运动距离Δs＝a·Δt，其中，a为水击波速，在Δs段内，流速由v增至v+Δv，压力由P增至P+ΔP，多相流体密度由ρ增至ρ+Δρ，管道横截面积由A增至A+ΔA，流体质量由ρAv△t增至(ρ+△ρ)(A+△A)(v+△v)△t，其中，Δρ为油气水三相流体混合物密度变化量，A为管道横截面积，ΔA为管道横截面积变化量；
当Δt足够小时，多相流体密度为管道截面上的流体混合密度，即ρ＝ρl·(1-α)+ρg·φ，其中，ρl为油水两相混合物密度，ρg为气相的密度，φ为截面含气率；
在Δt时间内由水击波引起的流段内多相流体质量的增量为：
(ρ+△ρ)(A+△A)a△t-ρAa△t＝a△(ρA)△t (1)
由式(1)得
△(ρAv)＝-a△(ρA) (2)
由动量守恒定理，得管道内动量变化量为：
(ρ+△ρ)(A+△A)a△t(v+△v)-ρAav△t≈△(ρAv)a△t (3)
对Δs段上的受力情况进行分析，得Δs段受到的外力包括压力差、重力及摩擦阻力，其中，
压力差：(ρ+△ρ)(A+△A)a△t(v+△v)-ρAav△t≈△(ρAv)a△t
重力：ρgA△s sinθ；摩擦阻力：τDxD△s+τdxd△s
其中，Δs为在Δt时间内多相流体的运动距离，θ为管轴线与水平线的夹角，g为重力加速度，τD为外环内管壁摩擦切应力，
τd为内环外管壁摩擦切应力，xD为外环管道断面湿周，xd为内环管道断面湿周；
在Δt时间内外力的冲量为：
△t[-△(AP)+ρgA△s sinθ-τDxD△s-τdxd△s] (4)
根据动量定理，得
-△(AP)+ρgA△s sinθ-τDxD△s-τdxd△s＝△(ρAv)a (5)
对式(5)进行整理，得
将式(3)代入式(6)中，得：
由式(7)得油气水三相流水击波速a为：
由式(8)得到的油气水三相流水击波速a，根据伯努利方程求取油气水三相流水击压强P1，其中，
P1＝ρ(a2+gh)+c (9)
其中，h为流体铅锤高度，c为流体所得动能。
步骤2)中建立泄压阀阀芯动力学模型，以构建油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系的具体操作为：
构建水击作用力F计算方程，其中，水击作用力F计算方程为：
F＝P·S·sinα1 (10)
根据牛顿第二定律，结合泄压阀阀芯在水平方向上的运动状态分析，得泄压阀中的氮气压力FN为：
FN＝F-ma1-Gμ-Ff (11)
其中，m为泄压阀阀芯质量，G为泄压阀阀芯的重力，Ff为弹簧力，μ为泄压阀阀芯与阀壁间的摩擦阻力系数，a1为泄压阀阀芯运动方向的加速度，其中，泄压阀阀芯运动方向的加速度a1的表达式为：
其中，vt为阀芯在t时刻的运动速度，vt+Δt为阀芯在t+Δt时刻的运动速度，Δt为时间变化量；
泄压阀阀芯运动距离等于弹簧位移量Δx，其中，
则泄压阀中的弹簧力为：
Ff＝K△x (14)。
仿真模拟实验
对泄压阀的作用过程进行仿真模拟：选取试验过程中测得水击压强及阀芯位移量等数据，利用MATLAB/Simulink进行仿真建模，模拟对象为DN100型氮气式水击泄压阀，根据实验情况，给定50种工况下的水击压强，在MATLAB/Simulink的基础上通过状态流程和事件驱动对离散***进行仿真。运用Stateflow将图形表示和表格表示(包括状态流程图、流程图、状态装换表和真值表)结合，***对具体工况事件、基于时间的条件及外部输入信号的反应方式进行建模，参考图5，模型中，对泄压阀的开启和关闭过程进行仿真，给定的过程始终在0-40mm，常数5和常数25分别表示阀芯运动距离内为5mm和25mm。时间在0.4s内，将泄压阀的开闭过程用stateflow状态机分成开与关两种状态，打开过程在5mm-25mm之间。
试验验证
流量仪表采用油气水标准流量计，在实验开始前采用标准表法进行实验用表的示值检定，将标准表与实验用表串联安装在实验装置中的同一段管道上，采用同一个秒表计量时间，减少时间误差。待标准表与实验用表的误差调整到±0.002时，校正结束。压力传感器采用固态压阻压力传感器，为降低压力传感器的测量误差，对压力传感器的激励电源—恒流源内接入温度校正电路进行温度校正。为了避免数据的非实时同步采集影响实验精度，实验采用TST5912动态信号测试分析***(误差士0.5)对泄压阀阀芯的加速度、位移以及管道内流量与流体压强进行实时同步数据采集(采样频率为100Hz)。实验前完成测试分析***的校对工作，确保数据采集、传输、存储正常，并设定好测试***数据采集方式和有效数据频率采集范围，实验工况参数如表1所示。
试验方案
实验采用美国DANIEL公司的DN100型氮气式水击泄压阀，其主要参数为：入口直径为100mm，出口直径为98mm，阀芯最大位移距离40mm，阀芯直径为100mm，泄压阀与管道之间采用法兰连接，法兰垫片采用橡胶垫片，油气水多相流体介质分别采用柴油、空气及自来水。为提高油气水标准流量计的计量精度，试验过程中控制含油率、含气率、含水率之比为3：1：6。试验步骤为：(1)按图4测试装置示意图所示安装布置试验设备，搭建试验台，其中，图4中，1为空气压缩机、2为稳压罐、3为过滤器、4为三相分离器、5为油泵、6为水泵、7、8及10为球阀、9为油气水标准流量计、11为速开/关阀、12为止回阀、13为固态压阻压力传感器、14为DN100型氮气式水击泄压阀、15为通径检测器；(2)油气水三相介质分别采用油泵、空气压缩机、水泵进行泵送，多相流介质通过球阀、测试段、氮气式水击泄压阀等部件再返回至三相分离器；(3)开闭速(开)关阀来改变管道内流体的运动状态，模拟水击问题；(4)根据试验装置中的传感器获得如：水击压强、阀芯位移量等数据；(5)根据试验装置中的气压表、流量表获得氮气压力、流量等数据；(6)根据获得的流量数值，计算单位时间内的流量变化情况，从而得到水击波速；(7)利用通径检测器检测管径的变化情况，获得管径变形量。为进一步降低误差，采取如下措施：1、对实验管道的安装切实做到固定端的紧固，降低水击引发的管道振动对实验数据的影响；2、为避免外部因素导致的偶然性数据对试验结果的影响，数据进行60s-80s的持续采集，并对数据进行周期性筛选和平均处理，确保数据的有效性和可靠性。
表1
表2
表3
表4
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员周知的现有公开技术，并且以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管为说明目的公开了本发明的相关实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解；在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化、修改都是可能的。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定，而不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (1)
1.一种基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建油气水三相流水击模型，再根据油气水三相流水击模型计算油气水三相流水击压强；
2)建立泄压阀阀芯动力学模型，以构建油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系，然后根据油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系进行泄压阀的压力精度设定，完成基于多相流水击模型的泄压阀压力精度设定；
步骤1)的具体操作为：根据油气水三相流水击模型计算油气水三相流水击波速，再根据油气水三相流水击波速计算油气水三相流水击压强；
在Δt时间内，水击波运动距离Δs＝a·Δt，其中，a为水击波速，在Δs段内，流速由v增至v+Δv，压力由P增至P+ΔP，多相流体密度由ρ增至ρ+Δρ，管道横截面积由A增至A+ΔA，流体质量由ρAv△t增至(ρ+△ρ)(A+△A)(v+△v)△t，其中，Δρ为油气水三相流体混合物密度变化量，A为管道横截面积，ΔA为管道横截面积变化量；
当Δt足够小时，多相流体密度为管道截面上的流体混合密度，即ρ＝ρl·(1-α)+ρg·φ，其中，ρ1为油水两相混合物密度，ρg为气相的密度，φ为截面含气率；
在Δt时间内由水击波引起的流段内多相流体质量的增量为：
(ρ+△ρ)(A+△A)a△t-ρAa△t＝a△(ρA)△t (1)
由式(1)得
△(ρAv)＝-a△(ρA) (2)
由动量守恒定理，得管道内动量变化量为：
(ρ+△ρ)(A+△A)a△t(v+△v)-ρAav△t≈△(ρAv)a△t (3)
对Δs段上的受力情况进行分析，得Δs段受到的外力包括压力差、重力及摩擦阻力，其中，
压力差：(ρ+△ρ)(A+△A)a△t(v+△v)-ρAav△t≈△(ρAv)a△t
重力：ρgA△ssinθ；摩擦阻力：τDxD△s+τdxd△s
其中，Δs为在Δt时间内多相流体的运动距离，θ为管轴线与水平线的夹角，g为重力加速度，τD为外环内管壁摩擦切应力，
τd为内环外管壁摩擦切应力，xD为外环管道断面湿周，xd为内环管道断面湿周；
在Δt时间内外力的冲量为：
△t[-△(AP)+ρgA△ssinθ-τDxD△s-τdxd△s] (4)
根据动量定理，得
-△(AP)+ρgA△ssinθ-τDxD△s-τdxd△s＝△(ρAv)a (5)
对式(5)进行整理，得
将式(3)代入式(6)中，得：
由式(7)得油气水三相流水击波速a为：
由式(8)得到的油气水三相流水击波速a，根据伯努利方程求取油气水三相流水击压强P1，其中，
P1＝ρ(a2+gh)+c (9)
其中，h为流体铅锤高度，c为流体所得动能；
建立泄压阀阀芯动力学模型，以构建油气水三相流水击压强与泄压阀中氮气压力及弹簧力的力学关系的具体操作为：
构建水击作用力F计算方程，其中，水击作用力F计算方程为：
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根据牛顿第二定律，结合泄压阀阀芯在水平方向上的运动状态分析，得泄压阀中的氮气压力FN为：
FN＝F-ma1-Gμ-Ff (11)
其中，m为泄压阀阀芯质量，G为泄压阀阀芯的重力，Ff为弹簧力，μ为泄压阀阀芯与阀壁间的摩擦阻力系数，a1为泄压阀阀芯运动方向的加速度，其中，泄压阀阀芯运动方向的加速度a1的表达式为：
其中，vt为阀芯在t时刻的运动速度，vt+Δt为阀芯在t+Δt时刻的运动速度，Δt为时间变化量；
泄压阀阀芯运动距离等于弹簧位移量Δx，其中，
则泄压阀中的弹簧力为：
Ff＝K△x (14)。
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