水錘的模擬綜合法及防患措施

柳耀琦

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

水錘的模擬綜合法及防患措施

柳耀琦

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

以某項(xiàng)目原油長(zhǎng)輸管線為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)解綜合法公式估算的快捷性和AFT Impulse軟件計(jì)算的精確性。首先用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式快速估算出水錘的最大壓升，并利用工程經(jīng)驗(yàn)快速辨識(shí)和篩選可能發(fā)生較嚴(yán)重水錘事故的管線，然后利用水錘軟件進(jìn)行精確模擬和計(jì)算，并制定合理的水錘防患措施。

水錘；數(shù)解綜合法；電算法；AFT Impulse；水擊泄壓閥； SCADA系統(tǒng)

在泵站管路組成的輸送系統(tǒng)中，從某一穩(wěn)定水力狀態(tài)過(guò)渡到另一穩(wěn)定水力狀態(tài)中所發(fā)生的非穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程稱為管路系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程，俗稱水錘現(xiàn)象。水錘現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間雖然短暫，但它會(huì)造成嚴(yán)重的工程事故。因此對(duì)水錘現(xiàn)象進(jìn)行充分分析并判斷其危害程度，進(jìn)而采取有針對(duì)性的防患措施，具有重要的實(shí)際意義。

本文以連接某儲(chǔ)備庫(kù)的各段原油長(zhǎng)輸管線為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)解綜合法和電算法各自的優(yōu)勢(shì)和工程應(yīng)用價(jià)值，最終根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定出一套切實(shí)可行的水錘防患措施。水錘計(jì)算綜合法的工程化應(yīng)用的具體研究?jī)?nèi)容包括：

（1）前期利用水錘理論預(yù)判及數(shù)解綜合法進(jìn)行初步估算；

（2）AFT Impulse軟件模擬和計(jì)算；（3）比較與驗(yàn)證估算值與計(jì)算值；

（4）根據(jù)計(jì)算報(bào)告制定有針對(duì)性的水錘防護(hù)措施。

1 水錘計(jì)算綜合法的工程化應(yīng)用項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目分別從首站和港口首站將原油送至中轉(zhuǎn)站減壓后，由中轉(zhuǎn)站新建一根3 km DN 700原油管線送至某儲(chǔ)備庫(kù)存儲(chǔ)。同時(shí)原油可通過(guò)DN 700管線接至中轉(zhuǎn)站分輸后，輸送至石化廠、煉化廠、港口首站，管道敷設(shè)地勢(shì)平緩。原油進(jìn)、出庫(kù)途徑各分為三個(gè)工況，詳見(jiàn)表1～6。

工況一：首站通過(guò)已建的湛茂線DN 500原油管道輸送至中轉(zhuǎn)站，原油通過(guò)已有湛茂線輸送至中轉(zhuǎn)站正常邊界壓力為2.87 MPa，經(jīng)中轉(zhuǎn)站內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥減壓至0.55 MPa后出中轉(zhuǎn)站，利用新建3 km DN 700的輸油管道進(jìn)儲(chǔ)備庫(kù)；

工況二：進(jìn)口原油通過(guò) “港口首站—廉江段DN 800輸油管道輸至中轉(zhuǎn)站，通過(guò)3 km DN 700的管道進(jìn)庫(kù)；

工況三：進(jìn)庫(kù)流程同工況二，設(shè)計(jì)流量增至3 900 m3/h；

工況四：通過(guò)DN 700管道送至中轉(zhuǎn)站后，由DN 500湛茂線往石化廠輸油；

工況五：原油通過(guò)本項(xiàng)目新建DN 700輸油管道送至中轉(zhuǎn)站后，利用DN 700管道向煉化廠輸油；

工況六：原油通過(guò)DN 700輸油管道送至中轉(zhuǎn)站，利用DN 800管道反輸至港口首站。

1.2 分析過(guò)程與方法

首先采用數(shù)解綜合法的理論公式快速計(jì)算出水錘的最大壓升，并利用工程經(jīng)驗(yàn)快速辨識(shí)和篩選可能發(fā)生較嚴(yán)重水錘事故的管線。然后利用水錘軟件進(jìn)行精確模擬和計(jì)算，以計(jì)算值驗(yàn)證預(yù)判結(jié)果。最終根據(jù)計(jì)算結(jié)論制定出一套有針對(duì)性的水錘防患措施。

1.2.1 工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)判水錘嚴(yán)重性

根據(jù)水錘理論和工程經(jīng)驗(yàn)[1]所總結(jié)的水錘誘發(fā)因素和條件，對(duì)本項(xiàng)目長(zhǎng)輸管線發(fā)生水錘可能性和嚴(yán)重性進(jìn)行預(yù)判，詳見(jiàn)表7。

表1 首站向儲(chǔ)備庫(kù)輸油工況工藝參數(shù)表Tab.1 Parameters table of station transport oil to depot

表3 港口首站向儲(chǔ)備庫(kù)輸油工況工藝參數(shù)表Tab.3 Parameters table of port station transport oil to depot

表4 儲(chǔ)備庫(kù)向石化廠輸油工況工藝參數(shù)表Tab.4 Parameters table of depot transport oil to petrochemical plant

表5 儲(chǔ)備庫(kù)向煉化廠輸油工況工藝參數(shù)表Tab.5 Parameters table of depot transport oil to refineries

表6 儲(chǔ)備庫(kù)反輸至港口首站工況工藝參數(shù)表Tab.6 Parameters table of depot transport oil to port station

表7 經(jīng)驗(yàn)值與工程值的比較與預(yù)判一覽表[2]Tab.7 Compared with expericence value for anticipation[2]

表7中有6項(xiàng)水錘誘發(fā)因素，本工程長(zhǎng)輸管道共占有4項(xiàng)，有些數(shù)值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)驗(yàn)值，必須考慮水錘壓升，因此長(zhǎng)輸管線將作為重點(diǎn)進(jìn)行水錘計(jì)算。

1.2.2 數(shù)解綜合估算法

根據(jù)《煉油廠全廠性工藝及熱力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中管線發(fā)生水錘產(chǎn)生最大的瞬時(shí)壓升公式，其結(jié)果可以幫助我們預(yù)測(cè)管線發(fā)生水錘時(shí)的危害程度，并粗略地估算瞬時(shí)壓升。

式中 t—管道末端閥的關(guān)閉時(shí)間，s；

Lh—傳播水錘波的管道長(zhǎng)度，m；

U—水錘波在液體中的傳播速度，m/s；

式中 K—液體的體積彈性模數(shù)（Pa），對(duì)于油品可取1.35×109Pa；

E—管材在操作溫度下的彈性模量（Pa）；取1.924×1011Pa；

ρ—液體密度，kg/m3；

di—管子內(nèi)徑，m；

δ—管子壁厚，m。

① 防止直接水錘的控制流速，可按下式計(jì)算：

② 防止間接水錘的控制流速，可按下式計(jì)算：

式中 VC—控制流速，m/s；

ΔP—管子允許的水錘增壓，MPa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，六種工況均屬于直接水錘。算得水錘增壓ΔP，當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，泵揚(yáng)程會(huì)升到死壓頭，估算管線發(fā)生水錘時(shí)疊加后的最大操作壓力，見(jiàn)表8。

表8 各工況估算值與預(yù)判一覽表Tab.8 List of estimation and anticipation for various scenario

工況一、二、三、六壓力估算值已超過(guò)管道設(shè)計(jì)壓力，工況四、五最大操作壓力接近設(shè)計(jì)壓力。為驗(yàn)證估算值，進(jìn)行軟件模擬及計(jì)算。

1.2.3 軟件模擬及分析法

（1）系統(tǒng)建模

首先根據(jù)邊界條件與流程圖，利用AFT Impulse軟件建立模型。

（2）穩(wěn)態(tài)分析

系統(tǒng)模型建立后，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況下的工藝參數(shù)進(jìn)行校核，譬如根據(jù)調(diào)節(jié)閥所設(shè)定的流量或壓力值推算閥門(mén)的Cv值；根據(jù)泵的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、效率等參數(shù)校核工作曲線。

（3）瞬態(tài)分析

用穩(wěn)態(tài)工況下的工藝參數(shù)對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行校核后，輸入瞬態(tài)事件及觸發(fā)瞬態(tài)事件發(fā)生的條件來(lái)模擬水錘現(xiàn)象。針對(duì)該段長(zhǎng)輸管線我們?cè)诠r管理器中設(shè)置兩個(gè)瞬態(tài)工況：第一為緊急切斷閥突然關(guān)閉，第二個(gè)工況為泵突然掉電停輸。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

以工況一為例，從圖2可知，當(dāng)儲(chǔ)備庫(kù)進(jìn)油線緊急切斷閥30 s內(nèi)關(guān)閉，所產(chǎn)生水錘的瞬時(shí)壓力最大值發(fā)生在P6段管線，達(dá)到近5.68 MPa。

圖2 管道壓力與時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.2 The change of pipeline pressure with time

從圖3可知，當(dāng)首站輸油泵掉電停泵時(shí)，泵出口壓力迅速下降并未引起壓力升高。

圖3 管道壓力與時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.3 The change of pipeline pressure with time

1.2.4 計(jì)算值與預(yù)判值的驗(yàn)證和結(jié)論

采用水錘軟件AFT Impulse對(duì)六個(gè)工況管道的水錘模擬計(jì)算結(jié)果，與公式估算值進(jìn)行對(duì)比，詳見(jiàn)表9。

表9 各工況公式估算值與軟件計(jì)算值對(duì)比表Tab.9 comparison of calculation and estimation for each condition

2 水錘防患措施的應(yīng)用

2.1 水錘防范的一般措施

針對(duì)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，從預(yù)防、控制、減小和消除水錘危害三方面優(yōu)選安全可靠、技術(shù)方案合理、投資經(jīng)濟(jì)的水錘防范措施。首先從設(shè)計(jì)（如介質(zhì)流速、泵揚(yáng)程的優(yōu)化、管道路由的選擇和布置、設(shè)備選型及管道材質(zhì)的選擇）應(yīng)盡量避免緩和水錘，同時(shí)利用SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)管路流量、壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，將異常情況提前報(bào)警，按照設(shè)定的控制和連鎖值控制相應(yīng)設(shè)備，提前干預(yù)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)。

王繼忠等[4]利用軟件模擬了事故停泵后，管路系統(tǒng)發(fā)生水錘后泵特征量和水力包絡(luò)線的變化圖，經(jīng)過(guò)多次模擬和嘗試，證實(shí)減小和消除水錘危害需要采取多種水錘防護(hù)手段和措施綜合防范。李偉帥等[5-11]提出吸收、緩沖、減小水錘壓力的措施，具體歸納為：（1）設(shè)空氣罐或壓力罐；（2）設(shè)空氣閥（例如空氣閥及復(fù)合型空氣閥的選用；（3）雙向調(diào)壓塔；（4）單向調(diào)壓塔；（5）溢流式調(diào)壓塔；（6）大口徑膨脹V接頭；（7）水錘泄壓閥；（8）壓力水箱。

水錘產(chǎn)生的最大瞬時(shí)壓升值是管道系統(tǒng)正常操作壓力的幾倍，若依靠提高管道系統(tǒng)的壓力等級(jí)來(lái)提高設(shè)計(jì)壓力，顯然是不經(jīng)濟(jì)的。長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)通常采用設(shè)置水擊泄壓閥對(duì)管道進(jìn)行超壓保護(hù)。水擊泄壓閥可以減小水錘壓升，避免管道超壓導(dǎo)致破裂事故。泄壓閥進(jìn)口側(cè)連通受保護(hù)管線，出口側(cè)連通泄壓總管至泄壓罐。使用前，預(yù)先向閥門(mén)柱塞內(nèi)充入確定量的氮?dú)?，氮?dú)鈮毫φ檬怪c密封環(huán)緊貼，正常時(shí)無(wú)介質(zhì)通過(guò)。當(dāng)水錘壓力達(dá)到閥門(mén)開(kāi)啟的設(shè)定值時(shí)，介質(zhì)頂開(kāi)柱塞泄壓；當(dāng)水錘壓力衰減小于設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)緩慢平穩(wěn)關(guān)閉至初始狀態(tài)。

合理設(shè)置泄壓閥開(kāi)啟壓力值并通過(guò)在AFT軟件計(jì)算泄放量和泄放時(shí)間。按照經(jīng)驗(yàn)將整定壓力設(shè)為1.35 MPa。用AFT軟件模擬P6段管線壓力和時(shí)間的變化，當(dāng)水錘壓力激增至1.35 MPa時(shí)，泄放閥起跳泄壓，管系壓力控制在設(shè)計(jì)壓力1.60 MPa以下，然后逐漸平穩(wěn)。水錘泄壓閥的設(shè)置可有效起到控制水錘的作用，詳見(jiàn)圖4。

圖4 設(shè)置水錘泄壓閥后管道壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The change of pipeline pressure with time after setting water hammer pressure relief valve

2.2 水錘產(chǎn)生的泄放量與泄放時(shí)間

從圖5，圖6可以看出在40 s時(shí)低壓水錘泄壓閥開(kāi)啟后，原油泄放至罐內(nèi)，當(dāng)150 s時(shí)停止泄放，泄放時(shí)間為110 s，泄放量約為280 m3/h，累計(jì)泄放總量為4.7 m3。

圖5 泄放量與泄放時(shí)間的關(guān)系圖Fig.5 The change of pipeline pressure with time after setting water hammer pressure relief valve

圖6 泄放累計(jì)量與泄放時(shí)間的關(guān)系圖Fig.6 The change of discharge capacity with time

3 結(jié)論

本文總結(jié)了一套非穩(wěn)態(tài)流體模擬和水錘計(jì)算的綜合方法，并根據(jù)模擬和計(jì)算結(jié)果采取有針對(duì)性的水錘防患措施。得到如下結(jié)論：

（1）五個(gè)工況的預(yù)判結(jié)果與軟件結(jié)果近似，且判斷超壓的結(jié)論吻合，證明公式估算的結(jié)果具有可信度和參考價(jià)值。可在項(xiàng)目前期，當(dāng)軟件建模所需的各項(xiàng)輸入數(shù)據(jù)不全時(shí)快速進(jìn)行估算，便于設(shè)計(jì)人員評(píng)估和篩選可能發(fā)生嚴(yán)重水錘的管道，以待下階段進(jìn)行精確模擬和計(jì)算。

（2）AFT Impulse水錘軟件可以對(duì)復(fù)雜管路模型的非穩(wěn)態(tài)流體進(jìn)行模擬并輸出圖形和計(jì)算報(bào)告，結(jié)果精確直觀。

（3）在長(zhǎng)輸管道上設(shè)置水擊泄壓閥可以在不提高管道設(shè)計(jì)壓力的情況下，對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行泄壓保護(hù)，是最有效的水錘防患措施之一。其與SCADA系統(tǒng)組成了長(zhǎng)輸管線主要的水錘防患措施。

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Simulation and Precaution of Water Hammer

Liu Yaoqi
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai, 200120）

With one long oil transportation pipeline as studying objective, the swiftness of the equation from numerical synthesis method and the accuracy of Impulse software for simulation of water hammer were estimated.First, empirical data was input to the equation to estimate the maximum pressure rise of water hammer.With engineering experiences the pipeline in which the most serious water hammer may occur was then fast classified.Finally, water hammer was simulated and calculated by using software, and the proper protection methods were determined.

Water hammer; the numerical synthesis method; electric algorithm; AFT Impulse; water hammer pressure relief valve; SCADA system

TE 8

：A

：2095-817X（2015）04-006-006

2015-06-05

柳耀琦（1982—），男，工程師，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)與研究。