多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及管道防护领域，具体涉及多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法及系统。

背景技术

随着国家对天然气的大力开发，我国的天然气产量增长加速，输气管道的负荷逐渐增大，管道中常出现流速超过20m/s的现象，导致管道发生振动，影响正常生产的同时，还形成了安全隐患。

特别是针对多个入口，单一出口的天然气站场管汇系统，这种管汇系统在天然气输气领域应用广泛，全国约有90％的输气站场都采用这种布局形式，而在高流速下这种布局形式发生振动的可能性极高，据统计在川渝地区有大约50％的进站管汇都出现过振动，为了减弱这种振动往往需要降低管道流量，这严重影响了正常生产。

名称为“一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统”的专利申请文本，提供了针对工业管道的振动模拟；然而以上现有技术存在以下弊端：(1)计算过程中并没考虑流速引起的载荷。(2)未明确流体传导给管道的载荷是在哪些点处施加的，如对于埋地管道约束点往往在弯头。(3)未明确约束点处的加速度，特别是对于该类型的管汇系统未指定10m/s～40m/s流速下的加速度。因此以上针对工业管道的振动模拟并不适应复杂天然气管汇系统的振动模拟，并不能实现天然气管汇系统在不同流速下的振幅计算。

发明内容

针对以上现有技术存在的至少一种弊端，本发明目的在于提供多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法及系统，为了基于流速计算管汇系统的振幅，通过对进站管汇的输送压力、管道结构、管道固有频率等方面的配合计算，形成了一种多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法，本发明计算过程中考虑了流速引起的载荷，明确了流体传导给管道的载荷是在哪些点处施加的，同时还明确了约束点处的加速度，适应复杂天然气管汇系统的振动模拟，实现天然气管汇系统在不同流速下的振幅计算。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明提供了多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法，该方法包括：

获取天然气管汇系统的基础数据，根据所述基础数据构建基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型；

对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型进行数学网格划分，得到基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型；

采用有限体积法对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型进行求解计算，得到天然气管汇系统的流速和压力；

根据所述压力，确定天然气管汇系统的约束点和载荷施加点，并计算所述约束点处不同方向上的加速度；

对所述约束点和载荷施加点进行振动频率检测，同时在天然气管汇系统的中心线处进行频率检测，得到天然气管汇系统的固有频率；

根据确定的所述约束点和加速度以及所述固有频率，采用振幅计算模型计算模拟不同流速下天然气管汇系统的振幅。

进一步地，所述基础数据包括管道长度、管道直径、管道壁厚、弯头长度、弯头曲率半径和弯头壁厚等。

进一步地，该方法在对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型进行数学网格划分后，还包括：设置网络的边界条件和初始条件。

进一步地，所述流速为天然气管汇系统内气体的流速；

所述压力为天然气管汇系统内气体传导给外部管壁的压力。

进一步地，所述压力包括在流速突变处弯头、三通、进入管汇处的压力方向和压力大小。

进一步地，所述的根据所述压力，确定天然气管汇系统的约束点和载荷施加点，并计算所述约束点处不同方向的加速度；具体包括：

确定天然气管汇系统的载荷施加点，并得到管道载荷施加点处不同方向上的压力；

确定天然气管汇系统的约束点，所述天然气管汇系统的约束点为天然气管汇系统中汇管的支架和/或天然气管汇系统进入战场后的管道远端；

根据所述载荷施加点处不同方向上的压力，计算所述约束点处不同方向的加速度；所述加速度的计算表达式为：

式中，a为加速度，m/s

进一步地，所述的对所述约束点和载荷施加点进行振动频率检测，是采用高频振动探头进行振动频率检测。

进一步地，所述振幅计算模型的表达式为：

式中：[M]为天然气管汇系统的总质量矩阵，该矩阵取天然气管汇系统的质量分布作为矩阵；[C]为天然气管汇系统的总阻尼矩阵，总阻尼矩阵取值为0；[K]为天然气管汇系统的总刚度矩阵，该矩阵取天然气管汇系统的刚度分布作为矩阵；[f]为干扰力向量，即压力，该处取值为整个天然气管汇系统受到天然气的内压力矩阵；{x}为位移向量，即振幅，为所要求解的目标值；

第二方面，本发明又提供了多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟系统，该系统支持所述的多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法，该系统包括：

获取单元，用于获取天然气管汇系统的基础数据；

物理模型构建单元，用于根据所述基础数据构建基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型；

数学模型形成单元，用于对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型进行数学网格划分，得到基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型；

流速和压力计算单元，用于采用有限体积法对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型进行求解计算，得到天然气管汇系统的流速和压力；

加速度计算单元，用于根据所述压力，确定天然气管汇系统的约束点和载荷施加点，并计算所述约束点处不同方向上的加速度；

固有频率计算单元，用于对所述约束点和载荷施加点进行振动频率检测，同时在天然气管汇系统的中心线处进行频率检测，得到天然气管汇系统的固有频率；

振幅模拟单元，用于根据确定的所述约束点和加速度以及所述固有频率，采用振幅计算模型计算模拟不同流速下天然气管汇系统的振幅。

进一步地，所述加速度计算单元的执行过程为：

确定天然气管汇系统的载荷施加点，并得到管道载荷施加点处不同方向上的压力；

确定天然气管汇系统的约束点，所述天然气管汇系统的约束点为天然气管汇系统中汇管的支架和/或天然气管汇系统进入战场后的管道远端；

根据所述载荷施加点处不同方向上的压力，计算所述约束点处不同方向的加速度；所述加速度的计算表达式为：

式中，a为加速度，m/s

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明为了基于流速计算管汇系统的振幅，通过对进站管汇的输送压力、管道结构、管道固有频率等方面的配合计算，形成了一种多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法，本发明计算过程中考虑了流速引起的载荷，明确了流体传导给管道的载荷是在哪些点处施加的，同时还明确了约束点处的加速度，适应复杂天然气管汇系统的振动模拟，实现天然气管汇系统在不同流速下的振幅计算。

2、本发明在运行阶段：可获得高流速对管道振动的振幅，有助于优化维修周期，降低维修成本；在设计阶段：可以在设计阶段评估该多进口单一出口管汇结构的振动情况，以便及时作出工艺、尺寸方面的调整和决策。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法流程图。

图2为本发明实施例进站天然气管汇系统模型图((a)为三维图，(b)为俯视图)。

图3为本发明实施例进站天然气管汇系统网格划分结果图。

图4为本发明实施例天然气管汇系统在不同进站流速下的流速分布图。

图5为本发明实施例天然气管汇系统在不同进站流速下的压力分布图。

图6为本发明实施例天然气管汇系统中气体传导给管壁的压力及其方向图。

图7为本发明实施例天然气管汇系统约束点的确定图。

图8为本发明实施例天然气管汇系统在各方向的振动幅度图。

图9为本发明多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法，该方法包括：

步骤1，获取天然气管汇系统的基础数据，根据所述基础数据构建基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型；

步骤2，对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型进行数学网格划分，得到基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型；

步骤3，采用有限体积法对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型进行求解计算，得到天然气管汇系统的流速和压力；

步骤4，根据所述压力，确定天然气管汇系统的约束点和载荷施加点，并计算所述约束点处不同方向上的加速度；

步骤5，对所述约束点和载荷施加点进行振动频率检测，同时在天然气管汇系统的中心线处进行频率检测，得到天然气管汇系统的固有频率；

步骤6，根据确定的所述约束点和加速度以及所述固有频率，采用振幅计算模型计算模拟不同流速下天然气管汇系统的振幅。

本实施例中，获取天然气管汇系统的基础数据，根据所述基础数据构建基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型；具体包括：

采用3D建模软件对基于多进口单一出口的管汇系统进行全方位扫描原理是计算机拓扑结构建模，这种建模可以在多种软件上实现，如ANSYS自带软件Space claim、Geom，以及Auto Cad中的三维建模模块。

其中，所述基础数据包括管道长度、管道直径、管道壁厚、弯头长度、弯头曲率半径和弯头壁厚等。

本实施例中，对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型进行数学网格划分，得到基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型；具体包括：

对已建立的基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型，进行数学网格划分，其原理是将物理模型数学化，在不同的物理点处固定计算单元，通过计算单元的有限体积差分法，计算不同单元内的流速v，压力P等参数，从而得到整个数学模型中流速、压力的分布。

本实施例中，该方法在对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型进行数学网格划分后，还包括：设置网络的边界条件和初始条件。具体地，边界条件一般设置为“壁面”，初始条件一般为进站流量和压力。

本实施例中，所述流速为天然气管汇系统内气体的流速；

所述压力为天然气管汇系统内气体传导给外部管壁的压力。

本实施例中，所述压力包括在流速突变处弯头、三通、进入管汇处的压力方向和压力大小。

本实施例中，采用有限体积法对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型进行求解计算，得到天然气管汇系统的流速和压力；具体为：

对整个天然气管汇系统数学模型进行求解计算，其原理的有限体积法，其基本公式如下：

其中压力P，流速v为未知量。其余量均为已知量，关于未知量可以查阅文献《有限体积法基础》得到。该方程可基于ANSYS Fluent内的求解器进行求解，输出数据：整个天然气管汇系统的压力P、流速v的分布，得到天然气管汇系统气体传导给外部管壁的压力。

本实施例中，所述的根据所述压力，确定天然气管汇系统的约束点和载荷施加点，并计算所述约束点处不同方向的加速度；具体包括：

确定天然气管汇系统的载荷施加点，并得到管道载荷施加点处不同方向上的压力；

确定天然气管汇系统的约束点，所述天然气管汇系统的约束点为天然气管汇系统中汇管的支架和/或天然气管汇系统进入战场后的管道远端；天然气管汇系统的约束点一般取在汇管的B、C、D，3个支架以及管汇进入站场后的管道远端，命名为A点。

根据所述载荷施加点处不同方向上的压力，计算所述约束点处不同方向的加速度；所述加速度的计算表达式为：

式中，a为加速度，m/s

其中P

表1管道约束点处不同方向上的加速度

该取值来源于步骤3所获得的：管汇系统气体传导给外部管壁的压力。

表2管道载荷施加点处不同方向上的压力

本实施例中，所述的对所述约束点和载荷施加点进行振动频率检测，是采用高频振动探头进行振动频率检测。步骤5得到的天然气管汇系统的固有频率，如表3所示。

表3管汇系统在不同阶数下的振动频率

本实施例中，步骤6中采用模态分析模块，计算该系统的固有频率，计算在查看管汇的振动幅度。其计算方法为：在Ansys模块中输入a，输入固有频率，通过公式(4)即可计算得到。

所述振幅计算模型的表达式为：

式中：[M]为天然气管汇系统的总质量矩阵，该矩阵取天然气管汇系统的质量分布作为矩阵；[C]为天然气管汇系统的总阻尼矩阵，总阻尼矩阵取值为0；[K]为天然气管汇系统的总刚度矩阵，该矩阵取天然气管汇系统的刚度分布作为矩阵；[f]为干扰力向量，即压力，该处取值为整个天然气管汇系统受到天然气的内压力矩阵；{x}为位移向量，即振幅，为所要求解的目标值；

在Ansys模块中的操作方法为：

①管道模型中选择具体约束所在的面，在Solution information模块(求解信息模块)中添加自由度，自由度一般为3，代表振动的3个阶数；

②再在Solution information模块中添加Tabular data信息(表列数据信息)，在Tabular data所在的表格中填入步骤5得到的加速度a的值；

③再在Solution面板中选择，加入Deformation模块(变形量模块)的查看管汇在x、y、z方向振动的振幅。

具体实施时，本发明基于ANSYS软件，进行了编程和计算。

(1)天然气管汇系统物理建模，形成数学模型。

以输气管道末端和站场汇管的管汇系统作为研究对象，建立了气体对天然气管汇系统数学模型。可见，管汇系统由DN200的埋地管道、DN500的汇管和2m长DN200的站场工艺管道组成，具体如图2所示。

(2)进行网格划分

网格划分结果如图3所示，四面体网格已可满足计算条件。

(3)设置边界条件和初始条件

相应的初始条件和边界条件均来自于集输站场的压力、流量传感器，见表4。

表4边界条件和初始条件

(4)进行流速和压力的求解计算

①管流速分布情况，如图4所示。

②压力分布情况查看，如图5所示。

明确管汇系统气体传导给外部管壁的压力，如图6所示。

(5)确定管汇的约束点，及其加速度

确定管汇的约束点，如图7所示；

基于前期计算的不同流速下的压力云图，计算在约束点处的加速a，获得振动的方向和振幅。12m/s、20m/s、40m/s下流体施加在天然气管汇系统上的加速度如表5所示。

表5流体施加在天然气管汇系统加速度的计算方法

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(6)固有频率的获得

参见表3。

(7)天然气管汇系统振幅的计算

各方向的振动幅度如图8所示，可见随着流速的不断增大，管道的振幅也在不断增大。在x轴方向上从流速12m/s下的最大振动幅度0.2mm，到流速40m/s的最大振动幅度15mm，振动幅度增量达到7400％。在y轴方向上从流速12m/s下的最大振动幅度0.045mm，到流速40m/s的最大振动幅度2.7mm，振动幅度增量达到5900％。在z轴方向上从流速12m/s下的最大振动幅度0.2mm，到流速40m/s的最大振动幅度10.2mm，振动幅度增量达到5000％。

本发明为了基于流速计算管汇系统的振幅，通过对进站管汇的输送压力、管道结构、管道固有频率等方面的配合计算，形成了一种多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法，本发明计算过程中考虑了流速引起的载荷，明确了流体传导给管道的载荷是在哪些点处施加的，同时还明确了约束点处的加速度，适应复杂天然气管汇系统的振动模拟，实现天然气管汇系统在不同流速下的振幅计算。

实施例2

如图9所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟系统，该系统支持实施例1所述的多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法，该系统包括：

获取单元，用于获取天然气管汇系统的基础数据；

物理模型构建单元，用于根据所述基础数据构建基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型；

数学模型形成单元，用于对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统物理模型进行数学网格划分，得到基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型；

流速和压力计算单元，用于采用有限体积法对所述基于多进口单一出口的天然气管汇系统数学模型进行求解计算，得到天然气管汇系统的流速和压力；

加速度计算单元，用于根据所述压力，确定天然气管汇系统的约束点和载荷施加点，并计算所述约束点处不同方向上的加速度；

固有频率计算单元，用于对所述约束点和载荷施加点进行振动频率检测，同时在天然气管汇系统的中心线处进行频率检测，得到天然气管汇系统的固有频率；

振幅模拟单元，用于根据确定的所述约束点和加速度以及所述固有频率，采用振幅计算模型计算模拟不同流速下天然气管汇系统的振幅。

本实施例中，所述加速度计算单元的执行过程为：

确定天然气管汇系统的载荷施加点，并得到管道载荷施加点处不同方向上的压力；

确定天然气管汇系统的约束点，所述天然气管汇系统的约束点为天然气管汇系统中汇管的支架和/或天然气管汇系统进入战场后的管道远端；

根据所述载荷施加点处不同方向上的压力，计算所述约束点处不同方向的加速度；所述加速度的计算表达式为：

式中，a为加速度，m/s

各个单元的执行过程按照实施例1所述的基多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。