水联运投产过程中的清管器排气方法与流程

1.本技术涉及管道投产领域，特别涉及一种水联运投产过程中的清管器排气方法。


背景技术：

2.管道投产是正式投入运营之前的重要步骤，在此期间需要进行管道清洗、设备调试和排气等操作，正是这个步骤的实施确保了管道之后能稳定且安全地投入运营。
3.目前国内外在管道投产方面采用的方法有若干种，具体方案需要依据管道的自身条件和所输送的介质来确定。比如，对于输油管道来说，国内外主要采用三种投产方案，分别是：全线水联运投产方案、部分管段充水投产方案和空管投油投产方案。由于我国的油气管道横穿东西、纵贯南北，覆盖的地形十分复杂，因此国内诸多已建成和在建管道具有连续大落差和u型管段结构。对于这种类型的管道，常常采用全线水联运投产方案。
4.其中，全线水联运投产，是指在管道正式投油前，管道全线输水联运，而在连续起伏管道中，由于落差较大，水头(即气液界面)经过管段峰点后以不满流的形式继续向下游流动，到达管段低点时形成u型液段封闭，最终导致管段积气，形成若干积气段，严重阻碍水联运投产进程。因此，在具有连续大落差和u型液体管道的投产领域，亟需一种积气的排气方法。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种水联运投产过程中的清管器排气方法，该方法能够有效排除管道中的积气。所述技术方案如下：
6.根据初始时刻的气液界面位置和下坡段谷点的液体累积量，确定气液混合区的初始流型；以及，在上坡液塞段投放清管器；调用与所述初始流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
7.根据更新后的气液界面位置和清管器位置中的至少一项，确定是否满足流型转换条件；响应于满足流型转换条件，所述气液混合区由所述初始流型转换为新的流型，调用与所述新的流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；响应于不满足流型转换条件，继续调用与所述初始流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
8.重复执行上述确定是否满足流型转换条件以及调用相应的清管器排气模型更新气液界面位置和清管器位置的步骤，直至计算结束。
9.在一种可能的实现方式中，所述流型包括：第一基础流型、第二基础流型、第三基础流型、第四基础流型、第五基础流型；
10.其中，所述第一基础流型是指所述清管器在基本管段中运动经过谷点以后呈现的流型；所述基本管段包括一个上坡段和一个下坡段；
11.所述第二基础流型对应气液界面已经过峰点，且在液体累积过程中，所述清管器未经过所述峰点，且下坡段谷点的液体未完全堵住下坡段的气体；
12.所述第三基础流型对应所述清管器未经过所述峰点，且下坡段谷点的液体完全堵住下坡段的气体；
13.所述第四基础流型对应所述清管器已经过所述峰点，且所述清管器推动气体向下运动并压缩气体；
14.所述第五基础流型对应积气段尾部到达下坡段谷点，且积气段的气泡逐渐破碎进入液体。
15.在一种可能的实现方式中，所述流型还包括：第六组合流型、第七组合流型、第八组合流型和第九组合流型；
16.其中，各个组合流型均对应两个相连接的基础管段；每个组合流型对应的第一个基础管段的上坡段小于目标长度，第二个基础管段的高程小于目标高度；
17.所述第六组合流型和所述第八组合流型，均在第二个峰点后出现气液分层流和液体累积，但并未形成新的液塞；
18.所述第六组合流型中所述清管器未经过第一个峰点，所述第八组合流型中所述清管器已经过第一个峰点；
19.所述第七组合流型和所述第九组合流型，均在第二个峰点后形成新的液塞；
20.所述第七组合流型中所述清管器未经过第一个峰点，所述第九组合流型中所述清管器已经过第一个峰点。
21.在一种可能的实现方式中，所述调用与所述初始流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置，包括：
22.响应于所述初始流型为第一基础流型，调用与所述第一基础流型匹配的清管器排气模型，获取所述清管器在当前时刻的运动速度；
23.根据所述清管器在当前时刻的运动速度、所述清管器在当前时刻的位置、当前时刻与下一时刻的时间差，获取所述清管器在下一时刻的位置；
24.根据所述清管器在当前时刻的运动速度、所述气液界面在当前时刻的位置、当前时刻与下一时刻的时间差，获取所述气液界面在下一时刻的位置。
25.在一种可能的实现方式中，所述响应于满足流型转换条件，所述气液混合区由所述初始流型转换为新的流型，调用与所述新的流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置，包括：
26.响应于所述气液界面已经过峰点，所述气液混合区由所述第一基础流型转换为第二基础流型，调用与所述第二基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
27.其中，所述第二基础流型对应的所述气液界面位置为下坡段谷点。
28.在一种可能的实现方式中，在调用与所述第二基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置后，所述方法还包括：
29.响应于下坡段谷点的液体累积量大于临界值，所述气液混合区由所述第二基础流型转换为第三基础流型，调用与所述第三基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
30.其中，所述第三基础流型对应的气液界面位置为下坡段谷点位置与目标数值之和，所述目标数值为上坡段液塞的高度与上坡段倾角的正弦值之比。
31.在一种可能的实现方式中，在调用与所述第三基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置后，所述方法还包括：
32.响应于所述清管器已经过峰点，所述气液混合区由所述第三基础流型转换为第四基础流型，调用与所述第四基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
33.响应于所述清管器未经过所述峰点，且所述气液界面已经过峰点，所述气液混合区由所述第三基础流型转换为第六组合流型，调用与所述第六组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
34.在一种可能的实现方式中，在调用与所述第四基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置后，所述方法还包括：
35.在下坡段液塞的高度不大于零的情况下，响应于所述气液界面未经过峰点，所述气液混合区由所述第四基础流型转换为第五基础流型，调用与所述第五基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
36.在下坡段液塞的高度不大于零的情况下，响应于所述气液界面已经过峰点，所述气液混合区由所述第四基础流型转换为第八组合流型，调用与所述第八组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
37.在下坡段液塞的高度大于零的情况下，响应于所述气液界面已经过峰点，所述气液混合区由所述第四基础流型转换为第八组合流型，调用与所述第八组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
38.在一种可能的实现方式中，在调用与所述第六组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置后，所述方法还包括：
39.响应于下坡段谷点的液体累积量大于临界值，所述气液混合区由所述第六组合流型转换为第七组合流型，调用与所述第七组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
40.在一种可能的实现方式中，在调用与所述第五基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置后，所述方法还包括：
41.响应于积气段的气泡破碎完毕，所述气液混合区由所述第五基础流型转换为所述第一基础流型，调用与所述第一基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
42.响应于积气段的气泡未破碎完毕且所述气液界面已经过峰点，所述气液混合区由所述第五基础流型转换为所述第八组合流型，调用与所述第八组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
43.在一种可能的实现方式中，在调用与所述第七组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置后，所述方法还包括：
44.响应于所述清管器未经过第一个峰点，且第一积气段已经过所述第一个峰点，所述气液混合区由所述第七组合流型转换为第三基础流型，调用与所述第三基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
45.响应于所述清管器已经过所述第一个峰点，且所述第一积气段已经过所述第一个峰点，所述气液混合区由所述第七组合流型转换为第四基础流型，调用与所述第四基础流
型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
46.响应于所述清管器已经过所述第一个峰点，且所述第一积气段未经过所述第一个峰点，所述气液混合区由所述第七组合流型转换为第九组合流型，调用与所述第九组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
47.在一种可能的实现方式中，在调用与所述第八组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置后，所述方法还包括：
48.响应于下坡段谷点的液体累积量大于临界值，所述气液混合区由所述第八组合流型转换为第九组合流型，调用与所述第九组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；
49.在一种可能的实现方式中，在调用与所述第九组合流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置后，所述方法还包括：
50.响应于所述第一积气段已经过所述第一个峰点，所述气液混合区由所述第九组合流型转换为第四基础流型，调用与所述第四基础流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
51.本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
52.在具有连续大落差和u型液体管道的投产领域，本技术实施例提供的清管器排气方法，该方法能够有效排除管道中的积气。因此，本技术能够有效地解决连续大落差输油管道的水联运投产过程中，因管道内气体导致的排水过程中出现的诸如问题：排水管线大幅震动，甚至摆动等问题；因管道实际压力超出理论计算压力，造成管道流量过低，严重时导致水联运无法正常进行的问题；由于气阻的存在而导致管道破裂，进而出现环境污染等事故的问题。
53.综上所述，本技术实施例可以有效避免由于气阻的存在而导致的管道超压、管线摆动、振动，甚至因管道破裂而出现环境污染等事故的发生；另外，还可以有效节省由于管线停输所带来的时间成本和人力成本，可以有效控制由于爆管等事故产生的维修成本和环境治理成本等。另外，还可以确保具有连续大落差和u型液体管道的管道投产更安全和稳定的进行，并且为投产过程中的人员安全，设备安全以及环境安全提供了更有力的保障。
附图说明
54.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
55.图1是在具有连续大落差和u型液体管道的管道投产过程中形成的积气段的示意图；
56.图2是本技术实施例提供的一种清管器排气方法的流型图；
57.图3是本技术实施例提供的一种基础流型1的示意图；
58.图4是本技术实施例提供的一种清管器的受力示意图；
59.图5是本技术实施例提供的一种基础流型1对应的计算流程图；
60.图6是本技术实施例提供的一种基础流型2的示意图；
61.图7是本技术实施例提供的一种基础流型2对应的计算流程图；
62.图8是本技术实施例提供的一种基础流型3的示意图；
63.图9是本技术实施例提供的一种基础流型3对应的计算流程图；
64.图10是本技术实施例提供的一种基础流型4的示意图；
65.图11是本技术实施例提供的一种清管器的前后分区示意图；
66.图12是本技术实施例提供的一种基础流型4对应的计算流程图；
67.图13是本技术实施例提供的一种基础流型5的示意图；
68.图14是本技术实施例提供的一种基础流型5对应的计算流程图；
69.图15是本技术实施例提供的五种基础流型的转换关系图；
70.图16是本技术实施例提供的一种组合流型6和组合流型7的示意图；
71.图17是本技术实施例提供的一种组合流型8和组合流型9的示意图；
72.图18是本技术实施例提供的一种组合流型6对应的计算流程图；
73.图19是本技术实施例提供的一种组合流型7对应的计算流程图；
74.图20是本技术实施例提供的一种组合流型8对应的计算流程图；
75.图21是本技术实施例提供的一种组合流型9对应的计算流程图；
76.图22是本技术实施例提供的九种流型的转换关系图；
77.图23是本技术实施例提供的一种全流型的清管器排气计算方法的流程图。
具体实施方式
78.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
79.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
80.本技术中术语“第一”“第二”等字样用于对作用和功能基本相同的相同项或相似项进行区分，应理解，“第一”、“第二”、“第n”之间不具有逻辑或时序上的依赖关系，也不对数量和执行顺序进行限定。还应理解，尽管以下描述使用术语第一、第二等来描述各种元素，但这些元素不应受术语的限制。
81.这些术语只是用于将一个元素与另一个元素区别开。例如，在不脱离各种示例的范围的情况下，第一流型能够被称为第二流型，并且类似地，第二流型也能够被称为第一流型。第一流型和第二流型都可以是流型，并且在某些情况下，可以是单独且不同的流型。
82.其中，至少一个是指一个或一个以上，例如，至少一个流型可以是一个流型、两个流型、三个流型等整数个流型。而多个是指两个或者两个以上，例如，多个流型可以是两个流型、三个流型等整数个流型。
83.本技术实施例提供了一种具有连续大落差和u型液体管道的水联运投产中的清管器排气方法。该方法涉及清管器在不同流型下的排气过程，以及基于这些排气过程的模型构建。换一种表达方式，针对具有连续大落差和u型液体管道的投产过程，本技术实施例将清管器技术运用到投产过程的排气方法中。
84.其中，在具有连续大落差和u型液体管道的投产过程中，气阻较多且位置难以判定，且地形起伏较大，不同管段的高程和倾角通常都不一致，且这些管段之间都是相互连接并互相影响的。在投产过程中，具有不同高程的u型管段的上坡段积液之后，会在相应下坡段形成不同大小的背压，且上坡段越高，背压越大；而背压的大小会直接影响清管器在该管段中的运移特性，进而影响清管器的排气效果。若将这些具有不同高程和倾角的u型管段连接在一起，则它们之间还会相互影响。所以，该方法涉及技术难题多，影响因素复杂。通过充分调研，发现对于具有连续大落差和u型液体管道的水联运投产领域，清管器排气方法的研究在国内外尚属空白。
85.需要说明的第一点是，在本技术实施例中高点也被称为峰点，低点也被称为谷点。基础流型一也被称为第一基础流型、基础流型二也被称为第二基础流型、基础流型三也被称为第三基础流型、基础流型四也被称为第四基础流型、基础流型五也被称为第五基础流型、组合流型六也被称为第六组合流型、组合流型七也被称为第七组合流型、组合流型八也被称为第八组合流型、组合流型九也被称为第九组合流型。
86.其中，在具有连续大落差和u型液体管道的水联运投产过程中，通常有三个基本过程：
87.1、液流经过高点后，进入下坡段，液流会以明渠流动方式向低点流去；
88.2、液流到达低点后，逐渐累积形成液塞，同时下坡段中的积气段也形成了；
89.3、随着液流不断冲入，液塞生长，低点位置后上坡段液位升高，低点位置前下坡段背压升高，积气段被压缩。
90.另外，在上坡段液流经过下一个高点后，返回过程1，组成一个基本过程，而下坡段和上坡段构成一个基本管段，若干个基本过程循环往复，便组成了整个水联运投产过程。
91.其中，图1示出了在具有连续大落差和u型液体管道的管道投产过程中形成的积气段。
92.在实际投产过程中，绝大部分的基本管段有着不同高程和长度，并且它们是相互连接相互影响的。基于此，本技术实施例提出了在连续大落差管道的水联运投产过程中，适用于清管器排气方法的五种基本流型和四种组合流型(共计九种流型)以及它们之间的转换关系。基于这些流型，本技术实施例提出了相应的清管器排气计算方法。
93.需要说明的第二点是，由于随着清管器的运移，积气会随之移动，即类似于清管器推着积气走，所以本技术实施例中对于清管器位置的追踪计算，即等同于对清管器排气的计算，故在后文中，仅对清管器位置的追踪计算进行说明(即可作为对清管器排气计算的说明)。
94.另外，对于不同流型下清管器的排气问题，本技术实施例将管道内的介质分为三个区域：纯液相区、气液混合区和纯气相区。对于这三个区域的计算方式有所不同，因此在计算时最重要的就是区域界面的追踪。其中，纯液相区与气液混合区的交界处即是清管器位置，气液混合区和气相区的界限即是气液界面(即水头)，因此，本技术实施例建立了清管器排气模型，以实现清管器的追踪计算以及气液界面的追踪计算。
95.对于清管器排气过程中气液混合区的不同流型，其排气计算方法也不同。因此，清管器排气模型的核心即是划分出清管器排气过程中气液混合区出现的各个流型，然后每个流型分别建立清管器排气模型，最后仅需判断当前时刻出现的流型，并调用相应的清管器
排气模型进行清管器排气计算即可。
96.需要说明的第三点是，在各个流型的计算中，对于清管器的运移特性，本技术实施例均采用同一方法，而对于气液界面的追踪计算以及清管器的追踪计算，则各流型不同，需采用各个流型对应的清管器排气模型进行计算。
97.图2是本技术实施例提供的一种清管器排气方法的流程图。参见图2，本技术实施例提供的方法流程包括：
98.201、根据初始时刻的气液界面位置和下坡段谷点的液体累积量，确定气液混合区的初始流型；以及，在上坡液塞段投放清管器；调用与初始流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
99.本步骤即是确定初始流型以及投放清管器，并从初始流型开始进行清管器排气计算，更新气液界面位置和清管器位置。
100.其中，在具有连续大落差和u型液体管道的水联运投产过程中，若需启用清管器排气方法，则首先需要对气液界面位置进行判断，并且考虑到清管器的安全稳定运行，因此还需在上坡液塞段进行清管器的投放。在此前提下，气液混合区会呈现：基础流型一、基础流型二、基础流型三这三种基础流型。
101.在本技术实施例中，根据气液界面位置和下游低点的液体积累程度，来判断气液混合区所处的初始流型。在确定初始时刻的初始流型后，投放清管器进行排气，而全流型的清管器排气计算也从此初始流型开始。其中，随着气液界面和清管器的运移，九种流型之间会开始相互转换。
102.202、根据更新后的气液界面位置和清管器位置中的至少一项，确定是否满足流型转换条件；响应于满足流型转换条件，气液混合区由初始流型转换为新的流型，调用与新的流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；响应于不满足流型转换条件，继续调用与初始流型匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
103.本步骤即是根据更新后的气液界面位置和清管器位置中的至少一项，结合各流型之间的转换条件，判定是否进行流型之间的转换。若满足转换条件，则转换为新的流型，并调用新的流型对应的计算方法，来更新气液界面位置和清管器位置；若不满足转换条件，则继续调用原流型对应计算方法进行计算。
104.其中，更新后的气液界面位置和清管器位置中的至少一项包括三种情形：更新后的气液界面位置、更新后的清管器位置、更新后的气液界面位置和清管器位置。
105.203、重复执行上述确定是否满足流型转换条件以及调用相应的清管器排气模型更新气液界面位置和清管器位置的步骤，直至计算结束。
106.本步骤即是重复步骤202中的计算过程，直到计算结束。
107.下面对本技术实施例涉及的各种流型及其清管器排气模型进行介绍。
108.基础流型一及其清管器排气模型
109.如图3所示，基础流型一是指清管器在基本管段中运动经过低点以后呈现的流型；换言之，当清管器在某个基本管段中运动经过低点以后，会呈现这种流型。在该种流型下，清管器推动着整个上坡液塞区连同下游的气相区移动。如前文所述，基本管段包括一个上坡段和一个下坡段。
110.其中，在对清管器排气进行计算之前，先对清管器的运移特性进行描述。
111.在本技术实施例中，将清管器假设成有质量的截面对其进行受力分析，其受力分析如图4所示，在管道中运动的清管器在其运动方向上受到上游介质的压力、下游介质的压力、自身重力的分力和管道的摩擦力，结合牛顿定律得出清管器的瞬时运动方程：
[0112][0113]
pa—清管器上游界面液体的压力，单位为pa；
[0114]
pb—清管器下游界面液体的压力，单位为pa；
[0115]
δp—清管器与管壁的摩擦阻力，单位为pa；
[0116]
a—管道截面积，单位为m2；
[0117]
m—清管器的质量，单位为kg；
[0118]
θ—管段倾角，单位为rad；
[0119]vp
—清管器运动速度，单位为m/s；
[0120]
其中，在清管器排气过程中，清管器有可能出现前进、后退和静止三种运动状态，而这三种运动状态的出现与清管器前后压差的大小有关系。当pa与pb之间的差值小于清管器的静摩擦δpd时，清管器静止不动；当p
a-pb》δpd时，清管器正向移动，当p
a-pb≤δpd时，清管器逆向移动。
[0121]
在一种可能的实现方式中，对于清管器的运移速度求解，由于清管器前后压力与其运动速度在方程中互为未知量，故本文采用“假设—检验”的方法进行迭代求解，具体步骤为：
[0122]
1)、根据上一时刻清管器前后的压差判断清管器运动状态。
[0123]
2)、若清管器前后压差小于清管器与管道之间的静摩擦δpd，则当前时刻清管器的运动速度等于0，并将该速度带入方程求解这一时刻清管器前后压力。
[0124]
3)、若清管器前后压差的绝对值大于清管器与管道之间的静摩擦力δpd，则假设一个清管器的运动速度v
pig’＝0.5*(v
max
v
min
)；其中，v
max
和v
min
分别为设定的清管器运动速度上限和下限。
[0125]
4)、利用v
pig’带入公式(2)和(6)中计算清管器前后压力pa和pb。
[0126]
5)、利用计算出的pa和pb带入公式(1)，重新求解清管器速度v
pig
。
[0127]
6)、计算v
pig
与v
pig’的误差；若误差小于等于给定值，则结束计算，输出当前时刻的pa、pb和v
pig
；若误差大于给定值，则另v
pig’＝v
pig
，进行迭代运算，直到误差满足要求为止。
[0128]
其中，pa的计算公式为：
[0129][0130]
ρ—投产油品的密度，单位为kg/m3；
[0131]
g—重力加速度，取9.81m/s2；
[0132]hp
—清管器的高程，单位为m；
[0133]ho
—管道起点高程，单位为m；
[0134]
λ—水力摩阻系数；
[0135]
l
p
—清管器离管道起点的里程，单位为m；
[0136]
d—清管器处管道内径，单位为m；
[0137]
v—清管器上游液体流速；
[0138]
α—惯性项修正系数，αgδvδt为惯性项(δt离散计算时步，δv计算时步内速度变化)；
[0139]
po—出口压力，单位为pa。
[0140]
关于λ的计算，与管道内流体的流态有关，而对于石油管道的投产过程中，本技术实施例认为流体一直处于紊流的水流光滑区，因此根据列宾宗公式：
[0141][0142][0143]
当处于水力光滑区时，a＝0.3164，m＝0.25，带入公式(3)和(4)，得到整个摩阻项为：
[0144][0145]
其中，pb的计算公式为：
[0146][0147]
ρ'—水的密度，取1000kg/m3；
[0148]hl
—气液界面的高度，单位为m；
[0149]hp
—清管器的高度，单位为m；
[0150]vp
—清管器的速度，单位为m/s；
[0151]
ν—水的运动粘度，取1.01*10-6
m2/s；
[0152]
p—气相区的压力，单位为pa；
[0153]
对于基础流型一，如图3所示，上坡液塞段中存在气泡，本技术实施例将该液塞段当做均匀泡状流处理。对于这一段泡状流，摩阻项需要进一步处理：
[0154][0155][0156]
λm—混合摩阻系数；
[0157]
rem—混合雷诺数；
[0158]vm
—混合速度，vm＝(q
l
qg)/a；
[0159]
νm—混合运动粘度，vm＝hl*v
l
(1-hl)*vg；
[0160]
hl—持液率；
[0161]ql
—液体体积流量，单位为m3/s；
[0162]
qg——气体体积流量，单位为m3/s；
[0163]
在计算得到清管器前后压力pa、pb、v
pig
和摩阻项后，由清管器的运动速度可以追踪清管器下一时刻的位置以及气液界面下一时刻的位置：
[0164][0165][0166]
lg—气液界面位置，单位为m；
[0167]
接下来，需要判断下一时刻的流态；如果气液界面没有经过高点，则下一时刻仍然按照基础流型一进行计算；如果下一时刻气液界面已经过了高点，则按照基础流型二进行计算。其中，基础流型一对应的计算流程图如图5所示。
[0168]
基础流型二及其清管器排气模型
[0169]
其中，第二基础流型对应气液界面已经过高点，且在液体累积过程中，清管器未经过高点，且下坡段低点的液体未完全堵住下坡段的气体。如图6所示，当水头到达高点后，会在下坡段形成气液分层流(明渠流动)，相应的液体在下坡段低点累积，此时清管器还未经过高点，仍然在上坡段。即，基础流型二描述的是在液相累积过程中，低点液体还没有完全堵住下坡段的气体时的状态。
[0170]
针对基础流型二，对于清管器前后压力pa和pb的计算方式与基础流型一相同。因此清管器位置的追踪计算也和基础流型一相同。然而在这个清管器排气模型中，气液界面的位置lg一直是在低点位置不变，即：
[0171][0172][0173]
基础流型二是一个液体累积的过程，需要注意低点累积的液体量，当累积的液体量达到一定程度时，液体将下坡段气体完全封住，之后清管器的移动会压缩气体，转换为基础流型三。其中，基础流型二对应的计算流程图如图7所示。
[0174]
基础流型三及其清管器排气模型
[0175]
其中，基础流型三对应清管器未经过高点，且下坡段低点的液体完全堵住下坡段的气体；如图8所示，当低点的积液形成液塞时，液塞将下坡段气体完全封住，上游液体的压力克服不了低点液塞的阻力，因此低点处的液体就会同时向下坡段和上坡段生长。此时，清管器仍未经过高点，并且在清管器继续向前运动时，会压缩这段被液塞封住的气体。其中，气体的压缩与清管器的推进以及低点液塞的生长密不可分，基础流型三正是描述这种状态的。
[0176]
针对基础流型三，液塞已经形成，由于液相的继续积累，液位向着上坡段与下坡段两边同时生长，积气段被压缩，清管器后方的积气段压力会变化，故pb的计算式需要更新为：
[0177][0178]
而清管器位置与气液界面位置可由以下公式描述：
[0179]
[0180][0181][0182][0183]
h1—下坡段液塞的高度，单位为m；
[0184]
h2—上坡段液塞的高度，单位为m；
[0185]
θ1—下坡段倾角，单位为rad；
[0186]
θ2—上坡段倾角，单位为rad；
[0187]
pg—积气段的气体压力，单位为pa；
[0188]
当清管器越过高点之后，会转换为基础流型四。其中，基础流型三对应的计算流程图如图9所示。
[0189]
基础流型四及其清管器排气模型
[0190]
其中，第四基础流型对应清管器已经过高点，且清管器推动气体向下运动并压缩气体；当清管器翻越过高点之后，清管器会推动气体向下运动进一步压缩气体，而随着下坡积气段被不断压缩，压力增大到一定程度后，会使得清管器前端压力高于后端压力，从而致使清管器减速，甚至反向运动。故在此流型下，如图10所示，清管器会经历一系列加速、减速运动最后趋于稳定。此时，清管器前端与气体之前会出现一个多相流的液塞区，如图11所示。
[0191]
其中，a区为清管器上游的液相区，即清管器流动过后投放的油品流动的区域，这一段液体的压降计算与前几个模型相同。b区为清管器后的液相流动区域，清管器推动一小段液体向前移动，这一小段液体主要是由于惯性作用聚集在清管器前端并且可以起到一定的润滑作用；因此在计算时，这一段液体的压力即是清管器下游压力pb。由两相界面稳定可知，液塞的压力等于气相压力，因此在该流型中pb＝pg。c区是清管器下游的层流区域，也是积气段的区域，这一部分气体的量是已知的，可以根据气体的量和积气段的体积计算气体的压力。
[0192]
在基础流型四中，对于清管器位置和气液界面位置的追踪计算，采用与基础流型三相同的计算方式，即参照公式(14)至(17)，不同的是pb的计算方式。
[0193]
需要说明的是，当h
1t 1
《＝0时，说明气体末端已经到达低点，转换为流型五。其中，基础流型四对应的计算流程图如图12所示。
[0194]
基础流型五及其清管器排气模型
[0195]
其中，第五基础流型对应积气段尾部到达下坡段谷点，且积气段的气泡逐渐破碎进入液体。如图13所示，当积气段尾部到达低点后，尾部的气相会以气泡或者小积气段的形式向上坡段运移，此过程称为积气段的破碎。本技术实施例假设气泡以小气泡的方式均匀的分散在液体中，形成均匀泡状流。此时清管器在下坡段向前运移，推动积气段的破碎。
[0196]
此时，上坡段的压降计算与基础流型一相似，可以由公式(7)和(8)计算得到，而清管器前后的流体分区与基础流型四相同。清管器前后压力的计算以及清管器的位置追踪也与基础流型四相同，不同的是在上坡段摩阻项会以泡状流的公式进行计算。其中，基础流型
五对应的计算流程图如图14所示。
[0197]
在一种可能的实现方式中，为了使得上述五种基础流型之间的计算具有连续性和逻辑性，本技术实施例还给出了上述五种基础流型之间的转换关系。
[0198]
如图15所示，假设投放清管器的时刻处于基础流型一，则清管器推动液塞移动。在水头经过高点之后，会在下坡段形成分层流；随后，液体在低点累积，此时处于基础流型二。当累积的液体量(比如液体体积)大于临界值时，形成液塞，下坡段的气体被液塞封住，清管器的移动会推动液体的流动，进而液塞生长，气体被压缩，此时处于基础流型三。清管器经过高点以后向下俯冲，在经历一系列加速、减速过程后趋于稳定，此时处于基础流型四。随着清管器的推进，积气段向下移动，当积气段尾部到达低点后，其尾部位于低点后上坡段的部分在浮力的作用下发生破碎，会以气泡的形式在上坡段中运移，与上坡段液体混合形成均匀泡状流。当积气段破碎完毕之后，清管器随之通过了低点，此时又转换为基础流型一，至此完成了一次流型循环。
[0199]
另外，在上述流型循环中，均是在基础管段的基础上搭建的，而在实际工程中，有着不同高程和长度的基础管段会相互连接和相互影响。所以还需要基于以上五种基础流型，形成以下四种组合流型。
[0200]
其中，在以上五种基础流型中，基础流型三和基础流型四都存在气体憋压的情况，而这种情况需要被压缩的气体后面有足够的背压支持。然而对于连续大落差管道，可能会出现在气体憋压的过程中，水头又经过了第二个高点，此时液体的背压就会消失，气体无法再继续压缩，此时这一段被封存的气体会随液体共同移动，在水头经过第二个峰点后又会出现液体累积与液塞生长。为了描述这种情况，本技术实施例提出了组合流型来描述该过程。
[0201]
其中，组合流型包含组合流型六、组合流型七、组合流型八和组合流型九。
[0202]
如图16和图17所示，这四种组合流型都是在基础流型上演变而来，其与基础流型不同之处在于：这些流型是在两个相连接的基础管段中进行流型分析的，充分考虑了上游基础管段对下游基础管段的影响。这四种组合流型的共同特点是，由于第二个基础管段的高程较低，第一个基础管段的上坡段很短，无法提供足够背压，使得第一个基础管段下坡积气段无法得到充分的压缩，在水头经过第一个高点后，在第二个基础管段形成了液体累积或者液塞。
[0203]
换言之，各个组合流型均对应两个相连接的基础管段；每个组合流型对应的第一个基础管段的上坡段小于目标长度，第二个基础管段的高程小于目标高度；其中，组合流型六和组合流型八，均在第二个高点后出现气液分层流和液体累积，但并未形成新的液塞；不同的是，组合流型六中清管器未经过第一个高点，而组合流型八中清管器已经过第一个高点；对于组合流型七和组合流型九，均在第二个高点后形成新的液塞；不同的是，组合流型七中清管器未经过第一个高点，而组合流型九中清管器已经过第一个高点。
[0204]
在一种可能的实现方式中，各个组合流型对应的清管器排气模型如下：
[0205]
针对组合流型六和组合流型八，本技术实施例假设清管器后积气段的长度和压力都不变，则组合流型六和组合流型八的压力分布计算、气液界面位置追踪和清管器位置追踪与基础流型二相似。组合流型六和组合流型八的区别在于清管器的位置，组合流型六中清管器并未经过第一个高点，而组合流型八中清管器已经过第一个高点。其中，组合流型六
和组合流型八对应的计算流程图分别如图18和图20所示。
[0206]
针对组合流型七和组合流型九，本技术实施例假设清管器后积气段的长度和压力都不变，则组合流型七和组合流型九的压力分布计算、气液界面位置追踪和清管器位置追踪与基础流型三相似。组合流型七和组合流型九的区别在于清管器的位置，组合流型七中清管器并未经过第一个高点，而组合流型九中清管器已经过第一个高点。其中，组合流型七和组合流型九对应的计算流程图分别如图19和图21所示。
[0207]
在一种可能的实现方式中，为了使得以上九种流型之间的计算具有连续性和逻辑性，本技术实施例给出了上述九种流型之间的转换关系。如图22所示，九种流型之间会相互演变和转换。其中，组合流型是基础流型在第一个基础管段中背压不足，积气段无法得到充分压缩的情况下，水头经过第一个高点后，从而在第二个基础管段中形成新的积气段转变而来的；而组合流型中，若第一个积气段和第二个积气段在清管器推进过程中汇合，则会合并成一个积气段，此时又转变为基础流型。当然，基础流型和组合流型各自之间也会相互转换。
[0208]
综上所述，本技术实施例提供了在具有连续大落差和u型液体管道的水联运投产过程中的清管器排气方法。其中，在具有连续大落差和u型液体管道的投产领域，本技术实施例提供的清管器排气方法，该方法能够有效排除管道中的积气。因此，本技术能够有效地解决连续大落差输油管道的水联运投产过程中，因管道内气体导致的排水过程中出现的诸如问题：排水管线大幅震动，甚至摆动等问题；因管道实际压力超出理论计算压力，造成管道流量过低，严重时导致水联运无法正常进行的问题；由于气阻的存在而导致管道破裂，进而出现环境污染等事故的问题。
[0209]
综上所述，本技术实施例可以有效避免由于气阻的存在而导致的管道超压、管线摆动、振动，甚至因管道破裂而出现环境污染等事故的发生；另外，还可以有效节省由于管线停输所带来的时间成本和人力成本，可以有效控制由于爆管等事故产生的维修成本和环境治理成本等。另外，还可以确保具有连续大落差和u型液体管道的管道投产更安全和稳定的进行，并且为投产过程中的人员安全，设备安全以及环境安全提供了更有力的保障。
[0210]
图23是本技术实施例提供的一种在具有连续大落差和u型液体管道的投产领域，全流型对应的清管器排气方法流程图。其中，图23汇总了上述图5、图7、图9、图12、图14、图17至图21中示出的计算流程。如图23所示，该方法流程包括如下步骤：
[0211]
(a)、响应于初始流型为基础流型一，调用与基础流型一匹配的清管器排气模型，获取清管器在当前时刻的运动速度；根据清管器在当前时刻的运动速度、清管器在当前时刻的位置、当前时刻与下一时刻的时间差，获取清管器在下一时刻的位置；根据清管器在当前时刻的运动速度、气液界面在当前时刻的位置、当前时刻与下一时刻的时间差，获取气液界面在下一时刻的位置。
[0212]
(b)、响应于气液界面已经过高点，气液混合区由基础流型一转换为基础流型二，调用与基础流型二匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；其中，基础流型二对应的气液界面位置为下坡段低点。
[0213]
(c)、响应于下坡段低点的液体累积量大于临界值，气液混合区由基础流型二转换为基础流型三，调用与基础流型三匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置；其中，基础流型三对应的气液界面位置为下坡段低点位置与目标数值之和，目标数值为
上坡段液塞的高度与上坡段倾角的正弦值之比。
[0214]
(d)、响应于清管器已经过高点，气液混合区由基础流型三转换为基础流型四，调用与基础流型四匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0215]
(e)、响应于清管器未经过高点，且气液界面已经过高点，气液混合区由基础流型三转换为组合流型六，调用与组合流型六匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0216]
(f)、在下坡段液塞的高度不大于零的情况下，响应于气液界面未经过高点，气液混合区由基础流型四转换为基础流型五，调用与基础流型五匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0217]
(g)、在下坡段液塞的高度不大于零的情况下，响应于气液界面已经过高点，气液混合区由基础流型四转换为组合流型八，调用与组合流型八匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0218]
(h)、在下坡段液塞的高度大于零的情况下，响应于气液界面已经过高点，气液混合区由基础流型四转换为组合流型八，调用与组合流型八匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0219]
(i)、响应于下坡段低点的液体累积量大于临界值，气液混合区由组合流型六转换为组合流型七，调用与组合流型七匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0220]
(j)、响应于积气段的气泡破碎完毕，气液混合区由基础流型五转换为基础流型一，调用与基础流型一匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0221]
(k)、响应于积气段的气泡未破碎完毕且气液界面已经过高点，气液混合区由基础流型五转换为组合流型八，调用与组合流型八匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0222]
(l)、响应于清管器未经过第一个高点，且第一积气段已经过第一个高点，气液混合区由组合流型七转换为基础流型三，调用与基础流型三匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0223]
(m)、响应于清管器已经过第一个高点，且第一积气段已经过第一个高点，气液混合区由组合流型七转换为基础流型四，调用与基础流型四匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0224]
(n)、响应于清管器已经过第一个高点，且第一积气段未经过第一个高点，气液混合区由组合流型七转换为组合流型九，调用与组合流型九匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0225]
(o)、响应于下坡段低点的液体累积量大于临界值，气液混合区由组合流型八转换为组合流型九，调用与组合流型九匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0226]
(p)、响应于第一积气段已经过第一个高点，气液混合区由组合流型九转换为基础流型四，调用与基础流型四匹配的清管器排气模型，更新气液界面位置和清管器位置。
[0227]
在具有连续大落差和u型液体管道的投产领域，本技术实施例提供的清管器排气方法，该方法能够有效排除管道中的积气。因此，本技术能够有效地解决连续大落差输油管
道的水联运投产过程中，因管道内气体导致的排水过程中出现的诸如问题：排水管线大幅震动，甚至摆动等问题；因管道实际压力超出理论计算压力，造成管道流量过低，严重时导致水联运无法正常进行的问题；由于气阻的存在而导致管道破裂，进而出现环境污染等事故的问题。
[0228]
综上所述，本技术实施例可以有效避免由于气阻的存在而导致的管道超压、管线摆动、振动，甚至因管道破裂而出现环境污染等事故的发生；另外，还可以有效节省由于管线停输所带来的时间成本和人力成本，可以有效控制由于爆管等事故产生的维修成本和环境治理成本等。另外，还可以确保具有连续大落差和u型液体管道的管道投产更安全和稳定的进行，并且为投产过程中的人员安全，设备安全以及环境安全提供了更有力的保障。
[0229]
以上所述仅为本技术的可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。