日儀線瞬態(tài)工況模擬分析與研究

田 遠劉 靚李 楨

1.中國石化管道儲運公司運銷處 （江蘇 徐州 221006）

2.中國石化管道儲運公司 華東管道設計研究院 （江蘇 徐州 221006）

輸油管道的密閉輸油流程使全線成為一個統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，管道沿線某點的流動參數(shù)變化會在管內產生瞬變壓力脈動。該壓力脈動引起管道的瞬變流動，輸油管道的瞬態(tài)工況即瞬變流動中某個時刻的運行狀態(tài)。沿管道傳播的瞬變壓力有時導致壓力劇烈變化，甚至會破壞管道的正常運行，因此對密閉輸送的輸油管道的瞬態(tài)工況進行模擬仿真研究與分析對輸油管的安全運行有著重要的意義。

1 瞬態(tài)工況的簡介

從水力學或流體力學角度考慮，管道內液體的流動狀態(tài)可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩大類。當流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)時，其中間的不穩(wěn)定流態(tài)稱為過渡過程或瞬變流。在實際的輸油生產過程中，管內的流動參數(shù)不會保持絕對的穩(wěn)定?？梢哉f，在生產實際中，瞬態(tài)工況是普遍存在的，而穩(wěn)定流動只是流動過程的特殊狀態(tài)。管道瞬變流動中，瞬變壓力的大小和沿管道的傳播規(guī)律與流量的變化量、流量變化的持續(xù)時間、管道長度、穩(wěn)態(tài)時的水力坡降和調節(jié)、保護措施等有關[1]。

1.1 輸油管道產生瞬態(tài)工況的原因

輸油管道產生瞬態(tài)工況時，流量變化量越大，變化時間越短，產生的瞬變壓力波動越劇烈。引起管道系統(tǒng)流量突然變化的因素很多，主要可以分為2類:一類是有計劃的調整輸量或切換流程；另一類是事故引起的流量變化[1]。

人為干預下的流量變化，即有計劃地調整輸量（如啟/停中間泵站、泵站啟/停泵、泵機組調速），有計劃地改變輸送流程（如管道首、末站切罐、管道分支線路的啟、停）等都會引起管內的流量波動。正常輸油時，若輸送2種性質不同的油品，則相鄰油品接觸時也會造成瞬變流動。

當輸油遇到突發(fā)事故狀況時引起流量的突然變化。如泵站突然停電造成某中間站甩泵，調節(jié)閥動作失靈誤關閉、干線截斷閥關閉等都會造成管道的流量減??；管道打孔也會引起流量變化。如果壓力變化引起的瞬變壓力超過管道允許的工作條件，就需要對管道系統(tǒng)采取相應的調節(jié)與保護措施。

1.2 瞬態(tài)工況模擬仿真研究的意義

隨著輸油管道的不斷建設和相互連接成網，輸油管網的調度管理工作日漸繁瑣，輸油管道的工況變化也越來越頻繁，個別異常工況的出現(xiàn)將會影響輸油管道的安全運行。對于日儀線這種大管徑、大輸量的輸油管道，準確了解管道工況的瞬時變化情況，能夠有效地幫助和指導輸油管道調度部門制訂調整方案，提高管道系統(tǒng)的調度管理水平[2,3]。

輸油管道的瞬態(tài)工況仿真是通過SPS（Stoner Pipeline Simulator）軟件對管輸系統(tǒng)瞬態(tài)工況進行模擬，能模擬輸油管道在遇到事故工況時管網運行參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，從而有效地保障調度管理和及時發(fā)現(xiàn)并處理突發(fā)事故。

2 日儀線瞬態(tài)工況模擬分析與研究

通過SPS管道仿真軟件對日儀線發(fā)生事故工況，即中間站甩泵的瞬態(tài)工況進行模擬分析與研究，而瞬態(tài)工況模擬的重點是水擊工況。通過水擊工況的模擬，提出管道在密閉輸送中瞬變流動過程的控制方法。

2.1 日儀線基本資料

日照-儀征管道總長度為390km，管道沿線的設計壓力見表1。

按GB 50253-2003《輸油管道工程設計規(guī)范》規(guī)定，輸油管道全年計算天數(shù)為350d。根據(jù)GB 50350-2005《油氣集輸設計規(guī)范》和全線土質分布情況，且日照-儀征進口原油管道所經地區(qū)河流較多、熱損失較大，該設計管道沿線各管段總傳熱系數(shù)均取 2.0W/（m2·℃）[4]。

表1 日照-儀征設計壓力

2.2 瞬態(tài)工況模擬分析與研究

按照遠期輸量3600×104t/a對日儀線中間站甩泵的瞬態(tài)工況進行模擬分析與研究，當中間泵站全站停輸后，若整個管道系統(tǒng)壓力未超過設計壓力值，系統(tǒng)輸量極限即為該中間泵站停輸后最大的越站輸量；若整個管道系統(tǒng)某點壓力超過設計值，應在該點設置壓力保護措施，降低系統(tǒng)輸量和壓力。根據(jù)經驗，水力分析需要分析事故工況發(fā)生20min內管道系統(tǒng)的壓力流量變化。

2.2.1 東海輸油站甩泵

（1）東海站甩泵時水力坡降圖如圖1。

（2）東海站甩泵時各進出站壓力及溫度見表2。

表2 東海站甩泵時各進出站壓力及溫度

（3）結果分析。由圖1和表2可看出，當該工況發(fā)生時，日照輸油站出站壓力在20min內升高到高壓泄壓閥設定壓力（8.3MPa），泄放流量如圖2。東海輸油站進站壓力升高至4.64MPa左右，出站壓力降低。淮安輸油站及觀音輸油站出站壓力降低，全線輸量降低至3950m3/h左右，即東海輸油站壓力越站時全線最大輸量在3960m3/h左右。由于時間較短，溫度場未建立新平衡。

2.2.2 淮安輸油站甩泵

（1）淮安站甩泵時水力坡降圖如圖3。

（2）淮安站甩泵時進出站壓力及溫度見表3。

表3 淮安站甩泵時各進出站壓力及溫度

（3）結果分析。由圖3和表3可以看出，當該工況發(fā)生時，東海輸油站出站壓力在20min內升高到高壓泄壓閥設定壓力（8.3MPa），泄放流量如圖4。淮安輸油站進站壓力升高至4.7MPa左右，出站壓力降低。觀音輸油站出站壓力降低，全線輸量降低至3950m3/h左右，即淮安輸油站壓力越站時全線最大輸量在3950m3/h左右。由于時間較短，溫度場未建立新平衡。

2.2.3 觀音輸油站甩泵

（1）觀音站甩泵時水力坡降圖如圖5。

（2）觀音站甩泵時進出站壓力及溫度見表4。

（3）結果分析。由圖5和表4可以看出，當該工況發(fā)生時，淮安輸油站出站壓力在20min內升高到高壓泄壓閥設定壓力（8.3MPa），泄放流量如圖6。觀音輸油站進站壓力升高至4.5MPa左右，出站壓力降低。全線輸量降低至3980m3/h左右，即淮安輸油站壓力越站時全線最大輸量在3980m3/h左右。由于時間較短，溫度場未建立新平衡。

3 結論

通過SPS軟件對日儀原油管線瞬態(tài)工況進行模擬分析與研究，可以預先發(fā)現(xiàn)生產運行的難點和瓶頸，得出管輸系統(tǒng)在非正常工況下的瞬變壓力，從而能科學地進行調度指揮工作，提高管道的抗風險能力，加強管道的安全運行，提高管道的綜合效益。不過SPS軟件模擬的精確性受到泵參數(shù)、原油摩阻特性等影響，從而為了提高模擬數(shù)據(jù)的精確性，需要通過運行工況和現(xiàn)場數(shù)據(jù)、利用經驗調整泵特性、進一步測出原油黏度隨壓力變化的曲線[5]。

[1]楊莜蘅.輸油管道設計與管理[M].北京:石油大學出版社,2006.

[2]張其敏.原油管道工況仿真[J].天然氣與石油，2002,20(4):7-9.

[3]楊毅，呂曉華，魏凱，等.輸氣管道的典型瞬態(tài)工況分析[J].天然氣工業(yè)，2011，31(7):71-73.

[4]劉祎飛,李可，張琳，等.基于SPS的輸油管道工藝分析[J].天然氣與石油，2012,30(2):11-13.

[5]李佩,趙宏濤，藏國軍，等.SPS管道仿真系統(tǒng)在靖邊-咸陽管道的應用[J].油氣儲運，2010,29(11):832-834,838.