[發明專利]一種多爐一注樹枝狀注汽管網分解計算方法

有效

• 申請號: 201611093794.6
• 申請日: 2016-12-02
• 公開（公告）號: CN106650041B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 何金寶;張福興;朱靜;楊清玲;張宇;鄒楊;馮紫微;周軼青;霍艷皎;邵恒玉
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣股份有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/14;G06F119/08
• 代理公司: 11127 北京三友知識產權代理有限公司
• 代理人: 姚亮;沈金輝

1.本發明提供了一種多爐一注樹枝狀注汽管網分解計算方法，該方法包括以下步驟：

S₁：將樹枝狀注汽管網分解為若干單元

沿著樹枝狀注汽管網的注氣方向，以分支管線與主管線的匯合點處作為分解點，將樹枝狀注汽管網分解成若干子單元；所述若干單元依次為第一子單元、第二子單元、直至末端子單元；

在所述若干單元中，末端子單元為一段主管線，其余的子單元均包括一段主管線以及與該段主管線末端相連的分支管線；

S₂：分別計算各子單元的干度和熱損失

分別對所述若干子單元的干度和熱損失進行計算，其中，前一個子單元匯合點處的溫度、壓力、干度和流量為后一個子單元主管線段的起始參數；

S₃：根據步驟S₂的結果獲得整個管網的干度、熱損失分布以及管網終點處的參數；

在所述步驟S₂中，對所述包括一段主管線以及與該段主管線末端相連的分支管線的子單元的干度和熱損失進行計算的步驟包括：

分別計算該段主管線和分支管線的干度和熱損失；

計算該段主管線和分支管線匯合點處的混合干度和壓力值；

輸出匯合點處的溫度、壓力、干度和注汽量；

對于由多段管道連接形成的主管線段或分支管線，采用逐步計算法計算主管線段或分支管線的干度和熱損失，所述逐步計算法包括以下步驟：

以實際注汽管線中的管道連接處為作為節點對管線進行分段；

獲取管線的入口參數和管線的基礎參數；

以管線的入口處為起點，采用迭代計算法逐段計算各段管道出口處的溫度、壓力、蒸汽干度以及熱損失，直到最后一根管道，最終獲得管線出口處的溫度、壓力、干度以及熱損失；

所述以管線的入口處為起點，采用迭代計算法逐段計算各段管道出口處的溫度、壓力、蒸汽干度以及熱損失，直到最后一根管道，最終獲得管線出口處的溫度、壓力、干度以及熱損失的步驟包括：

步驟一：以管線的入口為計算起點，計算第i段管道的相關參數；其中，入口處的管道編號為1，依次類推，管道編號i＝1～n，管線的入口參數即為第1段管道的入口參數，按照管道的連接順序依次計算，i＝1時開始計算；

步驟二：迭代計算第i段管道壓力損失，同時計算第i段管道局部阻力損失；迭代計算第i段管道外表面溫度和熱損失；迭代計算第i段管道末端的蒸汽干度；輸出第i段末端的相關參數，所述相關參數包括溫度、壓力、蒸汽干度、熱損失；

步驟三：按照計算第i段管道的蒸汽干度的方法計算后續管道的相關參數，直到最后一根管道，最后一根管道末端的溫度、壓力、蒸汽干度、熱損失即為管線出口處的相關參數；

所述步驟二的具體計算過程包括：

(1)假定干度降△x_i，壓力降△p_i；

(2)計算第i段管道的出口處壓力p_i、出口處溫度T_i和出口處蒸汽干度x_i：

p_i＝p_i-1-△p_i，

T_i＝195.94p_i^0.225-17.8，

x_i＝x_i-1-△x_i，

上述公式中，p_i為第i段管道的出口處壓力；T_i為第i段管道的出口處溫度；x_i為第i段管道的出口處蒸汽干度；p_i-1為第i-1段管道的出口處壓力；T_i-1為第i-1段管道的出口處溫度；x_i-1為第i-1段管道的出口處蒸汽干度；

(3)計算第i段管道的平均壓力p_avi、平均溫度T_avi和平均蒸汽干度x_avi：

p_avi＝(p_i-1+p_i)/2，

T_avi＝(T_i-1+T_i)/2，

x_avi＝(x_i-1+x_i)/2；

(4)計算第i段管道的蒸汽液相密度ρ_l、蒸汽汽相密度ρ_g以及蒸汽液相粘度μ_l和蒸汽汽相粘度μ_g：

ρ_l＝(0.9967-4.615×10^-5T_avi-3.063×10^-6T_avi²)×10³，

Z_g＝1.012-4.461×10^-4T_avi+2.98×10^-6T_avi²-1.663×10^-8T_avi³，

μ_g＝(0.36T_avi+88.37)×10^-4，

上述公式中，ρ_l為第i段管道的蒸汽液相密度，kg/m³；ρ_g為第i段管道的蒸汽汽相密度，kg/m³；μ_l為第i段管道的蒸汽液相密度，mPa.s；μ_g為第i段管道的蒸汽汽相密度，mPa.s；

(5)計算第i段管道的體積含氣率H_g：

(6)計算第i段管道的平均密度ρ_m和平均粘度μ_m：

ρ_m＝H_gρ_g+(1-H_g)ρ_l，

μ_m＝H_gμ_g+(1-H_g)μ_l；

(7)計算第i段管道的平均流速ν_m：

上述公式中，ν_m為第i段管道的平均流速，m/s；

其中，第i段管道的內截面積A的計算公式為：

A＝πr_i²，

上述公式中，A為管道的內截面積，m²；

(8)計算第i段管道的雷諾數R_e：

上述公式中，R_e為第i段管道的雷諾數；

(9)計算第i段管道的摩擦系數f_m：

f_m的具體取值根據表1的標準選取；

表1 第i段管道的摩擦系數選取標準

表1中，Ra為管壁粗糙度；

(10)計算第i段管道p_i和T_i下的蒸汽汽相密度ρ_gi、蒸汽液相密度ρ_li、體積含氣率H_gi、平均密度ρ_mi以及流速ν_i：

①ρ_gi和ρ_li的計算公式為：

ρ_li＝(0.9967-4.615×10^-5T_i-3.063×10^-6T_i²)×10³，

Z_gi＝1.012-4.461×10^-4T_i+2.98×10^-6T_i²-1.663×10^-8T_i³，

上述公式中，ρ_li為第i段管道的蒸汽液相密度，kg/m³；ρ_gi為第i段管道的蒸汽汽相密度，kg/m³；

②H_gi、ρ_mi以及ν_i的計算公式為：

ρ_mi＝H_giρ_gi+(1-H_gi)ρ_li，

上述公式中，H_gi為第i段管道的體積含氣率；ρ_mi為第i段管道的平均密度；ν_i為第i段管道的流速；

(11)計算第i段管道的局部阻力△p_j：

上述公式中，△p_j為第i段管道局部壓力降，MPa；△p_w為液體單向流的局部壓強損失，Pa；X為馬蒂內利參數；ζ為局部阻力系數；

當管徑擴大時，B₁和ζ的計算公式為：

B₁＝1.0，

當管徑縮小時，B₁和ζ的計算公式為：

B₁＝1.0，

當存在90°彎頭時，B₁和ζ的計算公式為：

ζ＝0.12；

當存在閥門時，B₁和ζ的計算公式為：

閘閥：B₁＝1.5，ζ＝0.2，

球閥：B₁＝2.3，ζ＝10.0，

控制閥：B₁＝1.0，ζ＝5.0s，

在上述涉及B₁和ζ的計算公式中，l為管子彎頭部分的長度；A₂為下游小管道的截面積；A₁為上游大管道的截面積；

(12)計算第i段管道的壓降△p_i'：

△p_i'＝p_i-1-p_i；

其中，ν_i-1通過以下計算過程獲得：

①計算第i-1段管道p_i-1和T_i-1下的蒸汽汽相密度ρ_gi-1和蒸汽液相密度ρ_li-1：

ρ_li-1＝(0.9967-4.615×10^-5T_i-1-3.063×10^-6T_i-1²)×10³，

Z_gi-1＝1.012-4.461×10^-4T_i-1+2.98×10^-6T_i-1²-1.663×10^-8T_i-1³，

上述公式中，ρ_li-1為第i-1段管道的蒸汽液相密度，kg/m³；ρ_gi-1為第i-1段管道的蒸汽汽相密度，kg/m³；

②計算第i-1段管道p_i-1和T_i-1下的體積含氣率H_gi-1、平均密度ρ_mi-1以及流速ν_i-1：

ρ_mi-1＝H_gi-1ρ_gi-1+(1-H_gi-1)ρ_li-1，

上述公式中，H_gi-1為第i-1段管道的體積含氣率；ρ_mi-1為第i-1段管道的平均密度；ν_i-1為第i-1段管道的流速；

(13)判斷計算得到的△p_i'與假定值△p_i，如果在誤差范圍內則進行下步計算，否則取△p_i＝△p_i'返回步驟(2)重新計算；

(14)設定第i段管道的外表面溫度為假定值T_w；

(15)計算第i段管道△z上的單位長度、單位時間的熱損失q：

①管道有保溫層時，采用以下公式計算第i段管道△z上的單位長度、單位時間的熱損失：

在上述公式中，q為第i段管道管道△z上的單位長度、單位時間的熱損失，kcal/(h·m)；

其中，R₃+R₄+R₅＝R，R為第i段管道上的熱阻；

第i段管道管壁熱阻R₃的計算公式為：

上述公式中，R₃為管道的管壁熱阻；λ_p為管道的導熱系數，kcal/(h·m·℃)；r_o為管道外半徑，m；ri為管道內半徑，m；

第i段管道絕熱層熱阻R₄的計算公式為：

在上述公式中，R₄為第i段管道絕熱層熱阻；λ_ins為絕熱層的導熱系數，kcal/(h·m·℃)；r_ins為絕熱層外半徑，m；

有保溫層時，第i段管道保溫層外半徑的計算公式為：

r_ins＝r_o+Pipe(i,20)

D_s＝2r_ins，

上述公式中，r_ins為管道的外半徑，m；r_o為管道外半徑；D_s為保溫層外徑，m；

無保溫層時，第i段管道外半徑的計算公式為：

r_ins＝r_o；

第i段管道對空氣的強迫對流換熱的熱阻R₅的計算公式為：

h_fc＝h_fc'+h_fc，

在上述公式中，h_fc為第i段管道的絕熱層外表面上強迫對流熱系數，kcal/(m²·h·℃)；h_fc'為第i段管道對空氣的對流換熱系數，kcal/(m²·h·℃)；h_fc為第i段管道管外壁至大氣的輻射換熱系數，kcal/(m²·h·℃)；

第i段管道對空氣的對流換熱系數h_fc'的計算公式為：

Re＝ν_aD_s/υ_a；

上述公式中，λ_a為空氣的導熱系數，kcal/(h·m·℃)；Re為雷諾數；ν_a為風速，m/s；υ_a為空氣的運動粘度，m²/s；D_s為保溫層外徑，m；C和n₁根據Re按照表2的標準進行選值；

表2 C和n₁的選取標準

Re	5-80	3]]>	3-5×104]]>	4]]>
C	0.81	0.625	0.197	0.023
1]]>	0.40	0.46	0.6	0.8

管道的空氣導熱系數λ_a的計算公式為：

λ_a＝(9×10^-18×T_a⁶-3×10^-14×T_a⁵+4×10^-11×T_a⁴-2×10^-8×T_a³+2×10^-6×T_a²+0.0077×T_a+2.4313)×10^-2×0.859845，

第i段管道的空氣運動粘度的計算公式為：

υ_a＝(3×10^-16×T_a⁶-9×10^-13×T_a⁵+9×10^-10×T_a⁴-4×10^-7×T_a³+0.0002×T_a²+0.0862×T_a+13.232)×10^-6，

第i段管道管外壁至大氣的輻射換熱系數h_fc的計算公式為：

在上述公式中，ε為管壁外黑度；T_a為空氣平均溫度，℃；T_w為絕熱層外壁溫度，℃；

②管道無保溫層時，采用以下公式計算第i段管道管道△z上的單位長度、單位時間的熱損失：

(16)計算第i段管道絕熱層外表面溫度T_w'

管道有保溫層時，第i段管道絕熱層外表面溫度T_w'的計算公式為：

管道無保溫層時，第i段管道絕熱層外表面溫度T_w'的計算公式為：

(17)判斷計算得到的T_w'和假定值T_w，如果誤差較大則T_w＝T_w'返回步驟(10)，如果滿足則進行下一步計算；

(18)采用以下公式計算第i段管道累計熱損失q_i以及熱流密度Q和累計長度Z：

①第i段管道累計熱損失q_i的計算公式為：

q_i＝q×z×4.186/3600/G，

在上述公式中，q為第i段管道△z上的單位長度單位時間的熱損失，kJ/kg；

②管道有保溫層時，第i段管道熱流密度Q的公式計算為：

管道無保溫層時，第i段管道熱流密度Q的公式計算為：

③累計長度Z為從鍋爐出口出至第i段管道的管道長度；

(19)采用以下公式計算第i段管道的蒸汽干度x_i：

C₁＝G(h_g-h_l)，

其中，第i段管道飽和蒸汽的焓h_g以及飽和水的焓h_l的計算公式為：

h_g＝(12500+1.88T_avi-3.7×10^-6T_avi^3.2)/4.186，

在上述公式中，h_l為飽和水的熱焓，kcal/kg；h_g為飽和蒸汽的熱焓，kcal/kg；

(20)判斷步驟(19)計算出的蒸汽干度x_i值與步驟(2)計算出的蒸汽干度假設值x_i，如果誤差較大，則將步驟(19)計算得到的x_i代入步驟(2)重新計算，如果在誤差范圍內則進行下一步計算；

(21)輸出第i段管道的計算得出的最終相關參數，所述相關參數包括第i段管道出口處的溫度T_i、壓力p_i、蒸汽干度x_i以及熱損失q_i。