輸油管道的水擊分析.ppt

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輸油管道的水擊分析 輸油管道中的水擊水擊是指液體流速改變引起的壓力瞬變過(guò)程 其實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換 任何原因引起的流速變化 都將產(chǎn)生水擊 或是增壓 或是減壓 流速的突然下降所產(chǎn)生的水擊對(duì)輸油管道特別危險(xiǎn) 輸油管道的水擊分析 泵到泵 輸油管道水擊發(fā)生示意圖 輸油管道的水擊分析 當(dāng)流場(chǎng)中液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素不僅隨空間位置而變 而且隨時(shí)間而變化時(shí) 這種流動(dòng)稱為非恒定流動(dòng) 有壓管中的非恒定流動(dòng) 稱為有壓非恒定流動(dòng) 水擊 或稱水錘 是有壓管中的一種重要的非恒定流現(xiàn)象 當(dāng)流場(chǎng)中液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素不僅隨空間位置而變 而且隨時(shí)間而變化時(shí) 這種流動(dòng)稱為非恒定流動(dòng) 有壓管中的非恒定流動(dòng) 稱為有壓非恒定流動(dòng) 水擊 或稱水錘 是有壓管中的一種重要的非恒定流現(xiàn)象 這種壓強(qiáng)的交替升降 有時(shí)會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值 處理不當(dāng)將導(dǎo)致管道系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng) 管道嚴(yán)重變形甚至爆裂 水擊物理概念 輸油管道的水擊分析 水擊波的傳播及波速計(jì)算 水擊是以壓力波的形式在有限的管道邊界內(nèi)進(jìn)行傳播和反射的 水擊波的傳播分為四個(gè)階段 從伐門(mén)突然開(kāi)啟或關(guān)閉 使水流流速改變產(chǎn)生水擊波 這是水擊的第一個(gè)階段 也是直接波 水擊波所到之處 管道內(nèi)的流速和壓強(qiáng)也隨之發(fā)生變化 當(dāng)水擊波傳播到水庫(kù)或水池或者回到伐門(mén)處 水擊波將產(chǎn)生反射 這種反射的水擊波稱為間接波 當(dāng)水擊波傳播到水庫(kù)或水池 水擊波將發(fā)生反射 這種反射波是等值異號(hào)反射 即入射的是增壓波 反射將減壓波 反之亦然 水擊波傳播到閥門(mén)處將產(chǎn)生等值同號(hào)反射 即入射的是增 減 壓波 反射的也是增 減 壓波 由于摩擦阻力的作用 水擊波在管道內(nèi)的傳播將逐漸衰減 最后達(dá)到平衡狀態(tài) 水擊波在閥門(mén)和水庫(kù)之間往返一次所需的時(shí)間 稱為一個(gè)相長(zhǎng) 往返兩次的時(shí)間稱為一個(gè)周期 式中a為水擊波的波速 L為管道的長(zhǎng)度 輸油管道的水擊分析 水擊的分類(lèi) 根據(jù)閘門(mén)關(guān)閉 或開(kāi)啟 的時(shí)間Ts與相長(zhǎng)T的比值 直接水擊 閘門(mén)關(guān)閉 或開(kāi)啟 的時(shí)間Ts T 相長(zhǎng) 即從水庫(kù)反射的減 增 壓波尚沒(méi)有到達(dá)閥門(mén)處時(shí) 閥門(mén)已經(jīng)關(guān)閉 開(kāi)啟 完畢 閥門(mén)處已達(dá)最大 小 水擊壓強(qiáng) 間接水擊 指閘門(mén)關(guān)閉 或開(kāi)啟 的時(shí)間Ts T 相長(zhǎng) 即從水庫(kù)反射的減 增 壓波已到達(dá)閥門(mén)處 閥門(mén)尚未關(guān) 開(kāi) 完畢 使閥門(mén)處水擊壓強(qiáng)不能再升高 降低 到最大 小 閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)有壓管道中的水擊的物理過(guò)程 V 0 V0 0 V 0 流速由V0 0 壓強(qiáng)增加 p 管壁膨脹 流速由0 V0 壓強(qiáng)減小 恢復(fù)原狀 管壁恢復(fù)原狀 流速由 V0 0 壓強(qiáng)降低 p 管壁收縮 流速由0 V0 壓強(qiáng)增加 恢復(fù)原狀 管壁恢復(fù)原狀 水擊壓強(qiáng)的計(jì)算 直接水擊 依動(dòng)量定理可推得 輸油管道的水擊分析 當(dāng)閥門(mén)突然完全關(guān)閉時(shí) V 0 則有 例如某壓力引水鋼管內(nèi)水擊波傳播的速度a 1000m s 設(shè)流速由6m s減少到零時(shí) 閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)的壓強(qiáng)水頭增量為 輸油管道的水擊分析 根據(jù)質(zhì)量守恒原理可推導(dǎo)出水擊波的傳播速度 K 液體的體積模量 密度 E D 管壁材料的彈性模量 管徑 管壁厚度 輸油管道的水擊分析 以蘇南管道為模型 對(duì)壓力波速度進(jìn)行計(jì)算 1013 25 m s 此速度為充滿汽油的406 47 1的管道中 壓力波的理論速度 輸油管道的水擊分析 若關(guān)閉閥門(mén)所經(jīng)歷的總時(shí)間為T(mén)s 則可將它分成n個(gè)時(shí)段 t1 t2 tn Ts t1 t1時(shí)段 t2時(shí)段 輸油管道的水擊分析 直接水擊 當(dāng)時(shí) 閥門(mén)處的壓強(qiáng)不受閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)短的影響 間接水擊 當(dāng)或時(shí) 閥門(mén)處的壓強(qiáng)與閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān) 工程設(shè)計(jì)中減小水擊壓強(qiáng)的措施 在管壁材料強(qiáng)度允許的條件下 應(yīng)當(dāng)選用直徑較大 管壁較薄的水管 合理選擇參數(shù) 并盡可能延長(zhǎng)閥門(mén)調(diào)節(jié)時(shí)間 以避免產(chǎn)生直接水擊 水擊計(jì)算基本公式液體流速瞬時(shí)變化所引起的初始水擊壓力 直接水擊 防止水擊的措施 1 輸油管道水擊的特點(diǎn)1 對(duì)長(zhǎng)距離輸油管道的水擊要考慮水擊波傳遞過(guò)程中的阻尼現(xiàn)象 2 中間泵站突然停輸是長(zhǎng)輸管路中產(chǎn)生水擊的主要原因 其對(duì)上游站和下游站的影響各不同 對(duì)上游站傳遞的是增壓波 對(duì)下游站是減壓波 輸油管道的水擊分析 2 輸油管道水擊的控制對(duì)于水擊過(guò)程的控制 其目的是避免管道超壓 包括超高壓或超低壓 二是減輕管道運(yùn)行參數(shù)的脈動(dòng) 維持管道的平穩(wěn)運(yùn)行 用于控制水擊過(guò)程的裝置和措施很多 根據(jù)其作用原理可分為兩類(lèi) 一類(lèi)是從改變流速變化過(guò)程的角度考慮 如采用氣體緩沖罐 水擊罐等 設(shè)計(jì)合理的閥門(mén)開(kāi) 關(guān)程序和停泵控制過(guò)程 減緩流體瞬變過(guò)程 例如在停電站上 下游的泵站上停一臺(tái)泵 以適應(yīng)事故站的流量變化等 另一類(lèi)是使用各種壓力保護(hù)設(shè)備 防止管道超過(guò)允許工作壓力 如各種泄壓裝置 回流保護(hù)系統(tǒng)和邏輯控制順序停泵技術(shù)等 輸油管道的水擊分析 1 調(diào)節(jié)閥控制管道系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥是一種阻力可變的節(jié)流元件 通過(guò)改變閥門(mén)的開(kāi)度 可以改變管道系統(tǒng)的工作特性 從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量 改變壓力的目的 2 壓力保護(hù)控制采用密閉輸送流程的管道 除采用調(diào)節(jié)閥控制泵站進(jìn) 出口壓力外 還使用壓力保護(hù)裝置 用于防止管道超壓 泄壓閥 泄壓閥系統(tǒng)作用是當(dāng)管道系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí) 在超壓點(diǎn)把部分甚至全部液體泄放到常壓罐中 以減輕瞬變壓力波動(dòng) 防止瞬變壓力造成的危害 泄壓系統(tǒng)一般由三部分組成 泄壓閥 泄壓罐和連接管道 輸油管道的水擊分析 回流保護(hù) 回流保護(hù)措施主要用于單泵或并聯(lián)泵站進(jìn)站壓力超低限的保護(hù) 由于進(jìn) 出站壓差大 對(duì)于泵站進(jìn)站壓力變化范圍小 自控水平比較低的管道 回流可以迅速調(diào)整進(jìn)站壓力 維持離心泵正常運(yùn)行 泵機(jī)組順序自動(dòng)停運(yùn) 是建立在泵站邏輯控制基礎(chǔ)上的一種保護(hù)措施 該措施主要用于泵站吸入壓力超低 或出站壓力超高的保護(hù) 停運(yùn)泵機(jī)組是人為造成的擾動(dòng) 這樣 降低了泵站提供的能量 減少了泵站的通過(guò)能力 使出站壓力下降 進(jìn)站壓力上升 這種措施主要用于采用串聯(lián)泵機(jī)組的泵站 輸油管道的水擊分析 回流超前保護(hù) 瞬變過(guò)程的超前保護(hù)是建立在高度自動(dòng)化基礎(chǔ)上的一項(xiàng)保護(hù)技術(shù) 當(dāng)管道發(fā)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí) 為了防止在壓力波傳遞過(guò)程中造成管道壓力超限破壞 由擾動(dòng)源通過(guò)通信系統(tǒng)迅速向上 下游泵站發(fā)出信號(hào) 讓上 下游泵站產(chǎn)生一個(gè)與傳來(lái)的壓力波相反的擾動(dòng) 兩波相遇后抵消 不至于對(duì)管道形成威脅性壓力 對(duì)于泵站之間管道上某些特殊位置 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) 動(dòng)水壓力接近管道允許強(qiáng)度限或動(dòng)水壓力最低的位置 超前保護(hù)可防止其超壓 輸油管道的水擊分析