基于SPS的成品油庫汽車發(fā)油系統(tǒng)水擊瞬態(tài)分析

姜連華，李惠杰，許立娟，高 偉，李邵杰

（1. 中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司，河北 任丘 062552； 2. 華北油田公司基建工程部，河北 任丘 062552）

基于SPS的成品油庫汽車發(fā)油系統(tǒng)水擊瞬態(tài)分析

姜連華1，李惠杰2，許立娟1，高 偉1，李邵杰1

（1. 中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司，河北 任丘 062552； 2. 華北油田公司基建工程部，河北 任丘 062552）

成品油庫工藝系統(tǒng)的水擊破壞往往不被人們所重視，以某成品油庫為例，應(yīng)用SPS軟件建立了油庫汽車發(fā)油系統(tǒng)物理模型和控制關(guān)系，數(shù)值模擬了變頻泵機(jī)組不同發(fā)油工況，管線水擊壓力的變化情況。研究表明：當(dāng)6鶴管中同時有1～2鶴管發(fā)油結(jié)束，工藝系統(tǒng)產(chǎn)生的水擊壓力較?。划?dāng)6鶴管中同時有3～4個鶴管發(fā)油結(jié)束，發(fā)油系統(tǒng)水擊壓力增大明顯，最大水擊壓力可達(dá)1.15 MPa；當(dāng)6鶴管同時發(fā)油結(jié)束，閥門關(guān)閉瞬間，水擊壓力超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，雖然持續(xù)時間較短，但系統(tǒng)長期從事類似的操作，會對管線、閥門、尤其是儀表設(shè)備造成一定的破壞，適當(dāng)增加泄壓工藝是防止水擊破壞的有效措施。

SPS軟件；成品油庫；發(fā)油系統(tǒng)；水擊

成品油庫內(nèi)的工藝管線與長輸管道相比，管徑小、距離短，且尚未做到全密閉輸送，因此，成品油庫在運(yùn)行過程中所形成的水擊往往不被人們重視。

隨著成品油庫自動化水平的不斷提高，精密儀表、緊急切斷工藝的不斷應(yīng)用，對水擊危害的防治也越來越受到人們的廣泛關(guān)注，尤其在成品油庫發(fā)油系統(tǒng)中，閥門的突然啟閉會導(dǎo)致管道中流體的流速瞬時加劇，形成水擊。實(shí)驗(yàn)表明［1，2］，管道發(fā)生水力瞬變所引起的壓力升降具有較高的頻率，且該壓力變化幅值可達(dá)到正常管壓的幾倍、幾十倍甚至上百倍。因此，對于工程設(shè)計(jì)單位來說，模擬水擊工況，制定合理有效的防護(hù)措施，將水擊壓力控制在正范圍內(nèi)，對后期運(yùn)行來說具有重要的實(shí)際意義。這里以某成品油庫為例，利用 SPS軟件建立發(fā)油系統(tǒng)物理模型和邏輯控制關(guān)系，數(shù)值模擬了發(fā)油系統(tǒng)油品切換及緊急切斷時的水擊工況，所得成果可為預(yù)防水擊破壞和優(yōu)化泄壓流程提供一定的理論指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本油庫汽車發(fā)油系統(tǒng)采用多泵對多鶴位分組調(diào)頻工藝，即控制系統(tǒng)通過識別作業(yè)鶴管的數(shù)量，控制啟泵數(shù)及整個并聯(lián)泵機(jī)組的運(yùn)行頻率；下面以柴油裝車為例，來分析汽車裝車結(jié)束，數(shù)控電液閥突然關(guān)斷時的管線水擊壓力變化情況。這里采用世界通用的SPS管道水擊分析軟件進(jìn)行瞬態(tài)模擬計(jì)算；電液閥關(guān)斷時間按10 s計(jì)，假設(shè)柴油最多可同時運(yùn)行6個鶴管，SPS建立的物理模型見圖1。

圖1 汽車發(fā)油系統(tǒng)物理模型Fig.1 Physical model of automobile oil system

1.2 數(shù)學(xué)模型［3］

數(shù)控電液閥在突然關(guān)閉過程中，由于閥芯面積減小，流量降低，導(dǎo)致閥兩側(cè)壓力不斷變化。根據(jù)瞬變流動理論，建立閥門關(guān)閉過程的水擊控制方程如下：

連續(xù)性方程：

運(yùn)動方程：根據(jù)裝車結(jié)束時間的不同，汽車發(fā)油系統(tǒng)也存在 6種不同的水擊工況，詳見下面分析。

2.1 水擊工況1、2

當(dāng)6路鶴管中的1路鶴管發(fā)油結(jié)束，剩余5路正常發(fā)油時，此時控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)頻指令，泵機(jī)組降頻，輸出流量變?yōu)?00 m3/h；發(fā)油結(jié)束瞬間泵機(jī)組調(diào)頻過程中管線壓力變化見圖2，3，穩(wěn)定后的水力迫降見圖4。

式中：V — 流速，m/s；

P — 壓力，MPa；

D — 管道內(nèi)徑，m；

α — 管道與水平方向夾角。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

圖2 發(fā)油系統(tǒng)正常運(yùn)行時的管道系統(tǒng)水力迫降圖Fig.2 The normal operation of the hydraulic system of oil pipeline landing system

圖3 單路電液閥關(guān)閉時發(fā)油系統(tǒng)水力迫降變化圖Fig.3 Single channel electro-hydraulic valve closed hydraulic oil system landing Fig.

6鶴管正常發(fā)油時的水力坡降見圖2，此時泵機(jī)組出口匯管流程600 m3/h；單個鶴管流量100 m3/h，系統(tǒng)運(yùn)行壓力遠(yuǎn)低于管線設(shè)計(jì)壓力。

6路鶴管在某一時刻存在同時運(yùn)行的工程，則

圖4 單路電液閥關(guān)閉后系統(tǒng)重新穩(wěn)定的水力坡降圖Fig.4 The new stable hydraulic gradient map single electro-hydraulic valve closed system

研究表明：當(dāng)6路鶴管中的1路鶴管發(fā)油結(jié)束，電液閥關(guān)段瞬間，管線出現(xiàn)壓力波動，但波動幅度較小，水擊壓力遠(yuǎn)低于管道允許的最大承壓，此工況對儀表等設(shè)備影響較小。

當(dāng)6路鶴管中的2路鶴管同時發(fā)油結(jié)束，泵機(jī)組降頻輸出流量400 m3/h，關(guān)閥瞬間，水擊壓力波動與1路鶴管發(fā)油結(jié)束壓力波動相比，略有增長，但波動幅度仍不大，對儀表等設(shè)備影響較小，此處不再扼要。

2.2 水擊工況3、4

當(dāng)6路鶴管中的3路鶴管同時發(fā)油結(jié)束時，剩余3路正常發(fā)油，此時泵機(jī)組降頻，系統(tǒng)輸出流量為300 m3/h，發(fā)油結(jié)束瞬間泵機(jī)組調(diào)頻過程中管線壓力變化見圖5，穩(wěn)定后的水力迫降見圖6。

圖5 3臺電液閥同時關(guān)閉時發(fā)油系統(tǒng)水力迫降變化圖Fig.5 3 Teclast valve closed at the same time when the hydraulic oil system landing Fig.

圖6 3臺電液閥關(guān)閉后系統(tǒng)重新穩(wěn)定的水力坡降圖Fig.6 3 Teclast liquid valve closed system stable hydraulic gradient map

研究表明：當(dāng)6路鶴管中的3路鶴管同時發(fā)油結(jié)束，3臺電液閥關(guān)段瞬間，發(fā)油管線出現(xiàn)較大壓力波動（最大水擊壓力約0.9 MPa），雖然水擊壓力仍不超過管道允許的最大承壓，但長時間類似的壓力波動會對精密儀表的精度造成一定的影響。

當(dāng)6路鶴管同時有4路發(fā)油結(jié)束，剩余2路正常發(fā)油時，此時泵機(jī)組降頻，系統(tǒng)輸出流量為200 m3/h，電液閥關(guān)段瞬間，管內(nèi)水擊壓力波動增大，最大水擊壓力可達(dá)到1.15 MPa，雖然不超過管道允許的最大承壓，但水擊壓力對發(fā)油系統(tǒng)的影響已經(jīng)相當(dāng)明顯。

2.3 水擊工況5、6

當(dāng)6路鶴管中的7路鶴管同時發(fā)油結(jié)束時，剩余1路正常發(fā)油，此時泵機(jī)組降頻，系統(tǒng)輸出流量為100 m3/h，發(fā)油結(jié)束瞬間泵機(jī)組調(diào)頻過程中管線壓力變化見圖7。

圖7 5臺電液閥同時關(guān)閉時發(fā)油系統(tǒng)水力迫降變化圖Fig.7 5 Teclast valve closed at the same time when the hydraulic oil system landing Fig

圖8 6臺電液閥同時關(guān)閉瞬間發(fā)油系統(tǒng)水力迫降變化圖Fig.8 6 Teclast valve closed at the same time instant oil hydraulic landing Fig.

圖9 6臺電液閥同時關(guān)閉4 s后發(fā)油系統(tǒng)水力迫降變化圖Fig.9 6 Teclast valve oil hydraulic system diagram and close the landing changes after 4 S

研究表明：當(dāng)6路鶴管中的5路鶴管同時發(fā)油結(jié)束，電液閥關(guān)段瞬間，管內(nèi)水擊壓力波動幅度繼續(xù)增大（最大水力壓力1.42 MPa），已逐漸接近管道最大承壓值，且水力壓力波動時間較長，對儀表等設(shè)備的影響的越發(fā)嚴(yán)重。

當(dāng)6路鶴管同時發(fā)油結(jié)束，泵機(jī)組停運(yùn)，系統(tǒng)輸出流量為0 m3/h，此時，電液閥突然關(guān)閉，泵機(jī)組連鎖停運(yùn)過程中的管線壓力變化見圖8、9、10。

圖10 6臺電液閥同時關(guān)閉10 s后發(fā)油系統(tǒng)水力迫降變化圖Fig.10 6 Teclast valve and close the oil hydraulic system diagram 10s changes after landing

研究表明：當(dāng)6路鶴管同時發(fā)油結(jié)束，電液閥關(guān)段瞬間，管內(nèi)水擊壓力迅速增大，超過管道允許的最大承壓，雖然超壓持續(xù)時間只有5 s，但每次最后一個鶴管發(fā)油結(jié)束后，都會出現(xiàn)上述工況，長期以往會對管線、閥門、尤其是儀表設(shè)備造成一定的不可修改性破壞；因此，建議設(shè)計(jì)單位對重要設(shè)備兩端增加卸壓流程，以減少由水擊壓力過大對工藝系統(tǒng)造成的破壞。

3 結(jié)論及建議

通過對成品油庫汽車發(fā)油系統(tǒng)進(jìn)行水擊模擬分析可知：當(dāng)發(fā)油系統(tǒng)采用變頻泵機(jī)組時，只要整個系統(tǒng)在最終運(yùn)行結(jié)束前，通過調(diào)頻來控制流量和壓力，管線內(nèi)雖然壓力波動較大，但不會超過工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力；只有當(dāng)泵機(jī)組最終停運(yùn)時，此時工藝系統(tǒng)的水擊壓力會瞬時超過設(shè)計(jì)壓力，盡管超壓持續(xù)時間較短，但系統(tǒng)長期從事類似的操作，會對管線、閥門、尤其是儀表設(shè)備造成一定的破壞（尤其是一泵一鶴管的發(fā)油系統(tǒng)），因此，建議增加泄壓工藝或調(diào)整泵的控制措施，來消除或降低水擊壓力。

［1］杜明俊，商峰，熊新強(qiáng)，等.基于 SPS 的成品油管道水擊超前保護(hù)工藝分析［J］. 當(dāng)代化工， 2013，42（10）: 1387-1391.

［2］李樹慧. 水擊方程的完善與計(jì)算方法［D］. 鄭州: 鄭州大學(xué)，2006-05.

［3］劉洪明，杜明俊，李惠杰， 等. 基于SPS 的成品油庫汽車發(fā)油系統(tǒng)火災(zāi)事故 ESD 過程控制研究［J］. 當(dāng)代化工， 2014，43（9）: 1830-1832.

［4］趙會軍，李俊玲，劉凱， 等. 油庫發(fā)油系統(tǒng)水擊控制關(guān)斷方案［J］.油氣儲運(yùn)，2009， 28（10）: 22-25.

Water Hammer Transient Analysis of the Oil Tank Vehicle Oil Dispensing System Based on SPS

JIANG Lian-hua1，LI Hui-jie2，XV li-juan1，GAO-wei1，LI Shao-jie1
（1. China Petroleum Engineering Co.， Ltd. North China Company，Hebei Renqiu 062552，China；2. Huabei Oilfield Company Capital Construction Engineering Department，Hebei Renqiu 062552，China）

The water hammer damage of refined oil dispensing system in oil depots is always ignored. In this paper，taking a refined oil depot as an example， physical model and control relationships of vehicle dispensing oil system was established by SPS software. Under different oil dispensing condition of variable frequency pump， numerical simulation of pipeline water hammer pressure change was carried out. The results show that： when 1～2 crane tubes among the 6 crane tubes stop oil filling， the water hammer pressure produced in the process system is smaller； when 3～4 crane tubes among the 6 crane tubes stop oil filling， the water hammer pressure produced in the process system increases significantly， the maximum water hammer pressure is up to 1.15 MPa； when 6 crane tubes all stop oil filling，the valve is closed instantly， the water hammer pressure exceeds the design pressure， although the time is short， but the long-term similar operations will cause pipes， valves， especially instrument equipments damage， it's pointed out that it is appropriate to add the discharge pressure process to prevent water hammer damage.

SPS software； Oil depot； Oil system； Water hammer

TE 624

A

1671-0460（2015）12-2872-04

2015-07-28

姜連華（1964-），男，河北任丘人，高級工程師，主要從事油庫工程建設(shè)及管理工作。E-mail：dmj260750009@163.com。