多进口单一出口的天然气管汇系统振动模拟方法及系统与流程

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、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：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、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。

10、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。

11、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。

12、进一步地，所述流速为天然气管汇系统内气体的流速；

13、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。

14、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。

15、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：

16、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；

17、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；

18、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：

19、

20、式中，a为加速度，m/s2；p(x,y,z)为作用在约束点处不同方向的压力，mpa；a为作用力的作用面积，m2；m为整个天然气管汇系统的总质量，kg，其可以通过统计管道的长度、直径、密度，通过体积和密度的乘积得到。

21、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。

22、进一步地，所述振幅计算模型的表达式为：

23、

24、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；为流速向量，从管汇约束点的加速度a，通过固有频率换算获得；为加速度向量，从管汇约束点的加速度a获得。

25、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：

26、获取单元，用于获取天然气管汇系统的基础数据；

27、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；

28、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；

29、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；

30、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；

31、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；

32、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。

33、进一步地，所述加速度计算单元的执行过程为：

34、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；

35、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；

36、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：

37、

38、式中，a为加速度，m/s2；p(x,y,z)为作用在约束点处不同方向的压力，mpa；a为作用力的作用面积，m2；m为整个天然气管汇系统的总质量，kg，其可以通过统计管道的长度、直径、密度，通过体积和密度的乘积得到。

39、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

40、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。

41、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。