在役修复热油管道非稳态热力计算

论文摘要

东北管网运行已有三十多年,使用寿命已超过设计寿命。因此,东北管网开挖大修势在必行。而目前的开挖修复研究主要集中于固体力学方面,开挖修复后热力、水力计算的相关报道较少。管道开挖后的散热损失增大,温降快,为了保证热油管道修复和改造过程安全经济运行,有必要从热力学角度对开挖修复过程中的非稳态过程进行研究。本文对开挖修复不停输工况的工艺过程进行了研究。建立了长输管道正常运行时轴向温降、径向温降以及压降计算的数学模型,并给出了模型的求解方法。采用有限差分方法求解了轴向温降及压降,采用有限元方法求解了径向温度场。在管道正常运行的热力历史基础上,建立了长输管道运行时开挖修复的非稳态数学模型,并采用有限差分与有限元相结合的方法进行了求解。研究了大气温度突变对土壤温度场及管道运行管理的影响,给出了大气温度突变一般不会对长输管道造成危害的结论。给出了受热力学条件约束的热油管道运行时最大开挖修复长度的计算方法。采用实验与模拟计算相结合的方法验证了模型的正确性。对管道正常运行及开挖修复运行进行了分析。分析结果表明,管道运行的最不利季节并不是大气温度最低的月份,随着管道埋深的不同有一定的延迟;管道运行修复时的一次最大开挖修复长度主要受开挖起点和出站温度的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 引言
• 1 课题研究的目的意义
• 2 国内外研究现状
• 2.1 在役管道开挖修复前热力水力研究现状
• 2.2 输油管道在役开挖修复研究现状
• 3 管道修复工艺过程研究
• 3.1 不动火施工修复
• 3.2 不停输动火施工修复
• 3.3 停输动火施工修复
• 4 本文的主要工作
• 1 热油管道在役修复热力水力模型
• 1.1 埋地热油管道开挖前热力计算
• 1.1.1 稳态轴向热力计算数学模型
• 1.1.2 相关参数的计算
• 1.1.3 开挖前稳态径向热力计算数学模型
• 1.2 管道在役修复开挖后非稳态热力数学模型
• 1.2.1 开挖后轴向非稳态热力计算模型
• 1.2.2 开挖后径向非稳态热力计算模型
• 1.2.3 开挖管段传热系数计算
• 1.3 大气温度突变对埋地管道影响分析
• 1.3.1 有气温突变时土壤温度场数学模型及解析解推导
• 1.3.2 气温突变对土壤温度场影响程度定量分析
• 1.4 输油管道的压能损失计算
• 1.4.1 水力坡降的计算
• 1.4.2 油品粘度的计算
• 1.5 管道最小允许输量计算
• 1.5.1 不考虑摩擦生热时管道的最小允许输量
• 1.5.2 考虑摩擦生热时管道的最小允许输量
• 1.6 最大开挖长度的确定方法
• 1.7 本章小结
• 2 数学模型的求解
• 2.1 稳态轴向数学模型的求解
• 2.2 埋地热油管道稳态径向温度场数学模型的求解
• 2.2.1 导热问题的泛函及边界条件
• 2.2.2 三角形单元的划分
• 2.2.3 导热问题的有限元矩阵方程及求解方法
• 2.2.4 单刚矩阵合成总刚矩阵方法
• 2.3 本章小结
• 3 模型及求解方法验证
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验结果及分析
• 3.3 实验结果验证
• 3.4 实测数据验证
• 3.5 本章小结
• 4 计算实例分析
• 4.1 输油管道概况及原油物性
• 4.2 管道正常运行时轴向温降模拟结果及分析
• 4.2.1 管道周围环境温度对稳态轴向温降的影响
• 4.2.2 管道出站温度对稳态轴向温降的影响
• 4.3 管道开挖运行时轴向温降模拟分析
• 4.4 管道径向温度场模拟分析
• 4.5 管道运行时压降模拟计算结果及分析
• 4.6 最大开挖长度的计算
• 4.7 本章小结
• 5 在役修复热油管道非稳态计算软件
• 5.1 软件运行环境
• 5.1.1 硬件环境
• 5.1.2 支持软件
• 5.2 软件主体结构
• 5.3 软件功能
• 5.3.1 参数输入模块功能
• 5.3.2 网格划分模块功能
• 5.3.3 模拟计算模块功能
• 5.3.4 结果显示模块功能
• 5.3.5 管理指导模块功能
• 5.4 软件操作界面示例
• 5.5 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
• 详细摘要