﻿ 通用型FPSO关键管网系统水锤分析及防护
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (1): 72-77    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.01.014 PDF

Research on water hammer protection of general FPSO ballast water system
YANG Hao-jie, YUAN Hong-tao, DOU Pei-lin
School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
Abstract: In the deepwater general purpose FPSO project, the pressure produced by water hammer will do harm to the pipeline system and seriously affect the progress of the project. Using AFT Impulse to build a general FPSO ballast water system model, the transient analysis of the system is carried out to obtain the water hammer simulation results under different valve closing conditions. By comparing the simulation results, a relatively reasonable valve closing scheme is obtained to ensure the safety of the pipeline system.
Key words: general purpose FPSO engineering     water hammer     AFT Impulse     ballast water system     transient analysis
0 引　言

AFT Impulse是一款复杂的水锤建模与分析软件，采用特征线法进行管路系统的水锤分析[7]，相对于Flowmaster这款基于对系统模拟仿真运算时间较长的软件来说，AFT Impulse则更加侧重于流体分析的开发理念，可以简单快速进行仿真，更加适用于工程设计。使用AFT Impulse可以对大部分管道系统进行瞬态分析模拟。了解管道系统瞬态压力极限，在必要时，通过增加抑制水锤压力设备，确保系统安分析全运行。

1 水锤微分方程

1）水流为流速分布均匀，流体各点密度相同的一维流动；

2） 在任何时刻管内充满着连续流体，且不包括水柱拉断情况；

3）在瞬变流中采用与稳定流相同的摩擦阻力。

 $\frac{1}{\rho }\frac{{\partial P}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial t}} + g\sin \alpha + \frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}} = 0 。$ (1)

 $\frac{{{a^2}}}{g}\frac{{\partial v}}{{\partial x}} + \frac{{\partial P}}{{\partial t}} = 0 。$ (2)

 $\frac{1}{\rho }\frac{{\partial P}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial t}} + g\sin \alpha + \frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}} = {L_{\text{1}}} ，$ (3)
 $\frac{1}{\rho }\frac{{\partial P}}{{\partial t}} + {a^2}\frac{{\partial v}}{{\partial x}} = {L_2}。$ (4)

${L_{\text{1}}}$ ${L_{\text{2}}}$ 用参数 $\lambda$ 进行合并：

 ${L_1} + \lambda {L_2} = 0 ，$ (5)
 $\frac{1}{\rho }\frac{{\partial P}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial t}} + g\sin \alpha + \frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}} + \lambda \left( {\frac{1}{\rho }\frac{{\partial P}}{{\partial t}} + {a^2}\frac{{\partial v}}{{\partial x}}} \right) = 0。$ (6)

 $\frac{\lambda }{\rho }\left( {\frac{{\partial P}}{{\partial t}}{\text{ + }}\frac{1}{\lambda }\frac{{\partial P}}{{\partial x}}} \right){\text{ + }}\left( {\frac{{\partial v}}{{\partial t}}{\text{ + }}\lambda {a^2}\frac{{\partial v}}{{\partial x}}} \right){\text{ + }}\frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}}{\text{ + }}g\sin \alpha = 0 ，$ (7)

$\dfrac{{{\rm{d}}x}}{{{\rm{d}}t}} = \dfrac{{\text{1}}}{\lambda } = \lambda {a^2}$ ，可以得出 $\lambda = \pm \dfrac{{\text{1}}}{a}$ 以及 $\dfrac{{{\rm{d}}x}}{{{\rm{d}}t}} = \pm {a^2}$ ，将其代入式（7），得

 $\pm \frac{1}{{a\rho }}\left( {\frac{{\partial P}}{{\partial t}} + \frac{{{\rm{d}}x}}{{{\rm{d}}t}}\frac{{\partial P}}{{\partial x}}} \right) + \left( {\frac{{\partial v}}{{\partial t}} + \frac{{{\rm{d}}x}}{{{\rm{d}}t}}\frac{{\partial v}}{{\partial x}}} \right) + \frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}} + g\sin \alpha = 0 ，$ (8)

 $\frac{{{\rm{d}}P}}{{{\rm{d}}t}} = \frac{{\partial P}}{{\partial x}}\frac{{{\rm{d}}x}}{{{\rm{d}}t}} + \frac{{\partial P}}{{\partial t}} ，$ (9)
 $\frac{{{\rm{d}}v}}{{{\rm{d}}t}} = \frac{{\partial v}}{{\partial x}}\frac{{{\rm{d}}x}}{{{\rm{d}}t}} + \frac{{\partial v}}{{\partial t}}。$ (10)

 $\left. \begin{gathered} \frac{1}{{a\rho }}\frac{{{\rm{d}}P}}{{{\rm{d}}t}} + \frac{{{\rm{d}}V}}{{{\rm{d}}t}} + \frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}} + g\sin \alpha = 0 \hfill \\ \frac{{{\rm{d}}x}}{{{\rm{d}}t}} = + a \hfill \\ \end{gathered} \right\}{C^ + } ，$ (11)
 $\left. \begin{gathered} - \frac{{\text{1}}}{{a\rho }}\frac{{{\rm{d}}P}}{{{\rm{d}}t}} + \frac{{{\rm{d}}V}}{{{\rm{d}}t}} + \frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}}{\text{ + }}g\sin \alpha = 0 \hfill \\ \frac{{{\rm{d}}x}}{{{\rm{d}}t}} = - a \hfill \\ \end{gathered} \right\}{C^ - } 。$ (12)

 $\frac{1}{\rho }{\rm{d}}P + a{\rm{d}}v + \frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}}{\rm{d}}x + g\sin \alpha {\rm{d}}x = 0 ，$ (13)

 $\frac{1}{\rho }{\rm{d}}P + a{\rm{d}}v + \frac{{fv\left| v \right|}}{{2D}}{\rm{d}}x + gdz = 0 ，$ (14)

 ${\rm{d}}P + \frac{a}{A}{\rm{d}}m + \frac{{fm\left| m \right|}}{{2D\rho {A^2}}}{\rm{d}}x + \rho g{\rm{d}}z = 0。$ (15)

 图 1 特征网格 Fig. 1 Characteristic grid
 $\int_{{P_A}}^{{P_P}} {{\rm{d}}P} + \frac{a}{A}\int_{{m_A}}^{{m_P}} {{\rm{d}}m} + \frac{f}{{2D\rho {A^2}}}\int_{{x_A}}^{{x_P}} {m\left| m \right|{\rm{d}}x} + \rho g\int_{{Z_A}}^{{Z_P}} {{\rm{d}}z} = 0。$ (16)

 $\begin{split} &（{P}_{P}-{P}_{A}）+\frac{a}{A}\left({m}_{P}-{m}_{A}\right)+\\ &\quad \frac{f}{2D\rho {A}^{2}}\left[{m}_{P}\left|{m}_{A}\right|\left({x}_{P}-{x}_{A}\right)\right]+\rho g\left({z}_{P}-{z}_{A}\right)=0 。\end{split}$ (17)

 $\begin{gathered} B = \frac{a}{A}，\hfill \\ R = \frac{{f\Delta x}}{{2D\rho {A^2}}} 。\hfill\\ \end{gathered}$

 ${P_P}{\text{ = }}{P_A} - B\left( {{m_P} - {m_A}} \right) - R{m_P}\left| {{m_A}} \right| - \rho g\left( {{z_P} - {z_A}} \right) = 0 ，$ (18)
 ${P_P}{\text{ = }}{P_B} + B\left( {{m_P} - {m_B}} \right) + R{m_P}\left| {{m_B}} \right| + \rho g\left( {{z_P} - {z_B}} \right) = 0 。$ (19)

2 实例分析 2.1 模型分析

 图 2 从海底门到右舷7舱室的模型 Fig. 2 Model of 7 cabins from undersea door to starboard side

2.2 模型主要参数设置

 图 3 泵的曲线图 Fig. 3 Curve of pump

1）刚性管的最大压力值不能超过管系设计承载压力值的1.33倍，且超压值持续时间要满足2个要求：无论什么时候都不能超过10 h，每年累计时间不能超过100 h。

2）刚性管的最大压力值不能超过管系设计承载压力值的1.2倍，且超压值持续时间要满足2个要求：无论什么时候都不能超过50 h，每年累计时间不能超过500 h。

3 仿真结果分析比较 3.1 直线关闭不同关阀时间系统水锤分析

1) 在系统阀门突然关闭时，管路内存在非常明显的水锤现象，使管路中的水锤压力值超过正常工作压力的数倍，会对管路系统造成危害；

2) 较长管路和在阀门入口处的管路中极易产生水锤现象；

3) 延长关阀时间可有效降低管路中最大水锤压力值，即延长关阀时间是一种相对有效的抑制水锤的方式。

3.2 两阶段关阀水锤分析

 图 4 两阶段关闭，快关3 s，缓慢关闭7 s Fig. 4 Two-stage shutdown, fast closing 3 s, slow closing 7 s

 图 5 两阶段关闭，快关3 s，缓慢关闭12 s Fig. 5 Two-stage shutdown, fast closing 3 s, slow closing 12 s

3.3 系统水锤其他抑制措施

 图 6 直线关阀10 s关阀，阀前加入缓气罐 Fig. 6 Close the valve in a straight line for 10 s, and add a buffer tank in front of the valve

 图 7 两阶段关阀10 s关阀，阀前加入缓气罐 Fig. 7 Close the valve in two stages for 10 s, and add a buffer tank in front of the valve

4 结　语

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