基于SPS的負(fù)壓汽化過程控制與分析

于雙 馬貴陽 劉靜

1遼寧石油化工大學(xué)

2中國(guó)石化銷售有限公司華南分公司調(diào)控中心

長(zhǎng)輸管道中的介質(zhì)大多是單相流，而大落差的長(zhǎng)輸管道較為特殊，其高點(diǎn)易出現(xiàn)負(fù)壓汽化情況，那么此時(shí)研究范疇便不再是單相流而是氣液兩相流。水擊過程中氣液兩相流動(dòng)瞬態(tài)過程的研究是長(zhǎng)輸管道一個(gè)重要部分。管道運(yùn)行過程中難免有設(shè)備故障或誤操作等工況，停泵或關(guān)閥等事故會(huì)向上游傳遞增壓波、向下游傳遞減壓波。對(duì)于承受負(fù)壓波的高點(diǎn)則可能使流體壓力降到飽和蒸汽壓，油品中的輕組分逸出即油品汽化。此氣相會(huì)與原液相油品形成分層流或以氣泡形式存于液相油品中形成氣泡流。氣泡流中的氣泡會(huì)隨液流運(yùn)動(dòng)，在管道高點(diǎn)聚集，當(dāng)其占據(jù)體積足夠大時(shí)會(huì)將上下游流體分隔開，形成液柱分離。管道內(nèi)氣體空間會(huì)越來越大，壓力若上升使氣泡潰滅，液柱分離消失，兩液柱碰撞又會(huì)產(chǎn)生極大的高壓使管道破裂[1-3]；故在實(shí)際工程中分析管道的負(fù)壓汽化問題具有重要意義，可為制定應(yīng)對(duì)方案提供有效依據(jù)。

SPS（Stoner Pipeline Simulator）是國(guó)際上公認(rèn)的一款輸油管道水力計(jì)算軟件。這款軟件的優(yōu)勢(shì)在于其瞬態(tài)模擬方面，能夠?qū)斢凸艿腊l(fā)生事故時(shí)的瞬態(tài)工況進(jìn)行模擬分析，使用者可以較為直觀地了解輸油管道在事故發(fā)生時(shí)的運(yùn)行參數(shù)變化，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際起指導(dǎo)作用[4-7]。應(yīng)用SPS軟件對(duì)某大落差管道上游停泵及泵站停輸引起的下游負(fù)壓汽化現(xiàn)象進(jìn)行模擬分析，并給出解決方案及建議。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 不穩(wěn)定流動(dòng)管流基本方程

對(duì)于不考慮能量變化的一維管流基本方程為

式中：x為沿流體流動(dòng)方向管道上的位置，即空間變量，m；t為時(shí)間變量，s； v為 x斷面的平均流速，m/s；D為管道內(nèi)徑，m；a為壓力波傳播速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；λ為摩擦系數(shù)；H為x斷面的平均能量壓頭，由式 p=ρg( )H-Z換算得到，m； ρ為流體平均密度，kg/m3；Z為計(jì)算點(diǎn)的高程，m。

式（2）中管內(nèi)液體壓力波傳播速度a的方程式為

式中：a為壓力波傳播速度，m/s；K為液體的體積彈性系數(shù)，Pa； ρ為液體密度，kg/m3；E為管材的彈性模量，Pa；D為管內(nèi)徑，m；δ為管壁厚度，m；Ψ為管子的約束系數(shù)，取決于管子的約束條件：一端固定，另一端自由伸縮，Ψ=1-；管子無軸向位移，Ψ=1-μ2；管子軸向可自由伸縮，Ψ=1（μ為管材的泊松系數(shù)）。

SPS軟件及各商用軟件均以此基本方程為計(jì)算基礎(chǔ)。

1.2 SPS軟件的邊界條件和基本算法

SPS軟件支持液柱分離的模擬，應(yīng)用集中空穴模型對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其基本思路是：在常壓下流體不含自由氣體，不考慮低壓下氣體的釋放與吸收。由該模型計(jì)算可知，氣穴的體積變化是流出流入固定截面的流量變化形成的[8-9]，即

式中：dV為管段體積變化量，m3；dt為時(shí)間變量，s；Q2為流出截面的流量，m3/s；Q1為流入截面的流量，m3/s。

當(dāng)絕對(duì)壓力低于液體飽和蒸汽壓時(shí)說明液柱分離，且取此點(diǎn)的壓力為飽和蒸汽壓，判別式為

式中：HP為判別點(diǎn)的壓頭，m；Hatm為當(dāng)?shù)卮髿鈮赫鬯愕囊褐叨龋琺；Z為判別點(diǎn)的高程，m；HV為液體飽和蒸汽壓力折算的液柱高度，m。

在整個(gè)計(jì)算過程中壓力波速是恒定不變的。SPS軟件主要控制方式有兩種：流量控制和壓力控制。模擬的管道模型進(jìn)出口均采取壓力控制，分輸端采取流量控制，輸送方式采用常溫密閉順序輸送，輸送油品為柴油，首站出站溫度取45℃。

1.3 汽化模型

對(duì)于單相流一般都用流動(dòng)方程求解，但當(dāng)高點(diǎn)壓力低于某油品的飽和蒸汽壓時(shí)，油品汽化，單相流變成兩相流，而且，隨著汽化量的增加，流體的飽和蒸汽壓在變化。目前，人們對(duì)此問題的研究還在進(jìn)一步深入，特別是對(duì)油品的汽化量等還沒有準(zhǔn)確的求解方法。但就目前而言，一般采取兩種方法來計(jì)算汽化量，一是根據(jù)氣泡均勻分布模型，二是根據(jù)集中空穴模型來計(jì)算[10]。

SPS軟件使用集中空穴模型來進(jìn)行汽化分析，雖然與工程實(shí)際有一定差異，但總體比較保守，可以用于工程分析。利用SPS軟件對(duì)某大落差管道汽化過程進(jìn)行分析，說明其對(duì)工程的指導(dǎo)和不足。

2 某成品油大落差管道的事故模擬

2.1 管道的整體工藝情況

管道全線長(zhǎng)753 km，沿線共設(shè)計(jì)9座工藝站場(chǎng)：首站BS，中間站FND，F(xiàn)N、GN分輸站，YS、MZ分輸站，JS、YX分輸站，末站CP。其中FN、GN、MZ、YX上游均存在危險(xiǎn)高點(diǎn)。對(duì)管道做單一輸送0#柴油時(shí)出現(xiàn)事故造成高點(diǎn)汽化進(jìn)行分析，柴油平均密度為0.83 t/m3，計(jì)算中飽和蒸汽壓取常溫20℃下0.037 1 MPa。利用SPS軟件建立與該成品油管道實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)輸量下的穩(wěn)態(tài)水力模型，如表1所示。水力模型進(jìn)出站壓力與現(xiàn)場(chǎng)工況相比，誤差最大為5.1%，在允許范圍內(nèi)，為下一步瞬態(tài)仿真奠定了基礎(chǔ)。

表1 設(shè)計(jì)輸量下穩(wěn)態(tài)工況水力計(jì)算結(jié)果Tab.1 Hydraulic calculation results of steady state conditions under design throaghput

2.2 部分停泵事故工況及應(yīng)對(duì)方案

當(dāng)不可越站的中間站FND 1臺(tái)大泵停泵后，下游出現(xiàn)多處汽化情況，雖有小部分可自行吸收，但大部分汽化蒸汽不會(huì)經(jīng)管道自行調(diào)節(jié)后全部被吸收，故需調(diào)節(jié)避免造成損失。事故站的油泵參數(shù)見表2。

表2 FND事故站的油泵參數(shù)Tab.2 Oil pump parameters of FND accident station

停泵工況的模擬結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 水力坡降曲線Fig.1 Hydraulic gradient curve

圖2 液體汽化程度曲線Fig.2 Liquid evaporation level curve

圖3 汽化管段的進(jìn)出口流量Fig.3 Inlet and outlet flow of evaporation pipe

由圖1～圖3可知，F(xiàn)ND停1臺(tái)泵后減壓波傳遞至下游造成四處高點(diǎn)汽化。圖1示出4 h后當(dāng)減壓波傳遞至管末端時(shí)各高點(diǎn)的欠壓情況。圖2中液體汽化數(shù)值等于1時(shí)為滿流狀態(tài)，其值越小說明汽化越嚴(yán)重。圖3示出高點(diǎn)汽化所發(fā)生的管段的出入流量。根據(jù)SPS軟件所選用的集中空穴模型原理可知，其流量差值為空穴體積，本文計(jì)算的汽化體積量即根據(jù)此方法得到，雖然不夠精確但有一定的參考價(jià)值。由于此模型視壓力波速不變，波速由管材、管徑、油品物性等確定，經(jīng)公式（3）即可計(jì)算出，且各管段的管徑確定，可得壓力波在兩站間傳播所需的時(shí)間，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壓力波的傳播速度及時(shí)間Tab.3 Propagation speed and time of pressure wave

由以上計(jì)算值與模擬結(jié)果分析可知，F(xiàn)N在FND停輸1 min后接收到減壓波，進(jìn)出站壓力迅速下降，而15 s后FN上游高點(diǎn)壓力降至該油品當(dāng)前狀態(tài)下飽和蒸汽壓，油品開始汽化，此時(shí)FN出站壓力降低0.1 MPa。此高點(diǎn)汽化后的油品沒有被完全重新吸收。47 min后GN上游高點(diǎn)處出現(xiàn)汽化，15 min后又重新被吸收。1 h后MZ上游高點(diǎn)出現(xiàn)汽化，汽化持續(xù)時(shí)間為1 h15 min，2 h56 min后JS上游出現(xiàn)汽化，4 h后YX上游高點(diǎn)出現(xiàn)汽化，10 h后全線穩(wěn)定但仍有圖2所示四處汽化未消除，新輸量降為894 m3/h。

有效汽蝕余量公式[11]如下

式中：Δha為有效汽蝕量，Pa； ps為液流在泵進(jìn)口處的壓力，Pa；cs為液流在泵進(jìn)口處的速度，m/s； pv為操作溫度下液流的蒸汽壓力，Pa；ρ為液體密度，kg/m3。泵必需的汽蝕余量Δhr如表4所示，當(dāng)Δha=Δhr時(shí)泵可能會(huì)產(chǎn)生汽蝕。

表4 各站汽蝕余量參數(shù)Tab.4 NPSH parameters of each station

在不采取泵入口的低壓保護(hù)情況下，模擬過程中GN的1#小泵的進(jìn)泵壓力由1.162 MPa降到0.035 MPa，小于進(jìn)泵壓力最小值0.15 MPa，經(jīng)計(jì)算得 Δha=-1.19 m＜Δhr=15 m，此時(shí)低于泵的汽蝕余量運(yùn)行時(shí)間達(dá)10 min。同理可分析得JS和YX分別有1臺(tái)泵受影響均出現(xiàn)其有效汽蝕余量低于泵的汽蝕余量情況。在模擬中也可看出泵發(fā)生汽蝕與泵附近高點(diǎn)汽化幾乎同時(shí)發(fā)生，上游存在汽化點(diǎn)會(huì)影響下游的泵。

根據(jù)管道系統(tǒng)控制條件，可采取兩種控制措施：開啟備用泵；采取預(yù)定的SCADA系統(tǒng)超前保護(hù)降量運(yùn)行。

2.2.1 開啟備用泵

本成品油管道系統(tǒng)采用集散控制體系，調(diào)度中心的集調(diào)控制和泵站的分散控制，通過SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控全線的運(yùn)行工況。當(dāng)主輸泵的入口壓力低于0.2 MPa時(shí)會(huì)引起報(bào)警，低于0.15 MPa時(shí)會(huì)啟動(dòng)連鎖保護(hù)程序并采取停泵保護(hù)措施。進(jìn)泵壓力過低會(huì)導(dǎo)致此泵的汽蝕余量低于其有效汽蝕余量，甚至發(fā)生汽蝕情況，故在采取保護(hù)措施時(shí)應(yīng)合理避免進(jìn)泵壓力過低現(xiàn)象。根據(jù)主輸泵故障控制原則，對(duì)于輸油泵站單臺(tái)外輸泵意外停泵的工況，收到報(bào)警信息時(shí)采取的首要措施是緊急啟動(dòng)備用泵；當(dāng)備用泵無法啟動(dòng)或者啟動(dòng)后會(huì)引起其他問題時(shí)需采取更完善的方案。以下方案即按照以上原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以接收到報(bào)警信號(hào)停泵2、2.5、2.8、3、4、5 min為例，利用SPS軟件做了啟用備用泵的模擬分析。由表5可知，停泵事故發(fā)生后越早采取保護(hù)措施越容易解決問題，不穩(wěn)定期間產(chǎn)生的汽化量越小，汽化時(shí)間越短，對(duì)上游泵影響越小。

表5 不同啟泵時(shí)間的各項(xiàng)參數(shù)變化值Tab.5 Change values of various parameters for different pump start-up times

以3 min為界限，當(dāng)此工況發(fā)生后3 min內(nèi)將備用泵啟動(dòng)對(duì)上游泵不會(huì)有威脅，一旦3 min內(nèi)沒有完成啟用備用泵動(dòng)作，上游的FND 1#泵入口壓力將會(huì)低于0.15 MPa。啟泵動(dòng)作會(huì)向上游傳遞減壓波，向下游傳遞增壓波，啟泵向上游傳遞的減壓波作用是來抵消事故停泵向上游傳遞的增壓波，但波會(huì)隨時(shí)間增加而衰減且極快[12]，故采取啟泵措施越晚兩波抵消后的負(fù)壓力差值越大。例如，當(dāng)事故發(fā)生5 min后完成啟泵，使上游泵入口壓力低于0.15 MPa（圖4），這必然導(dǎo)致此泵停輸。于是，在3 min以后完成啟泵情況中，必須另外加以控制。以5 min為例，5 min內(nèi)只有FN上游高點(diǎn)壓力降低到飽和蒸汽壓以下；當(dāng)5 min內(nèi)完成啟泵后，同時(shí)將FND出站壓力降低3.42 MPa，增大首站出站壓力0.74 MPa，1 min后恢復(fù)FND出站壓力值11.42 MPa，40 min時(shí)恢復(fù)首站出站壓力值。執(zhí)行此控制命令達(dá)到在各設(shè)備安全運(yùn)行的情況下遏制汽化的目的，但這樣必然會(huì)使FN上游高點(diǎn)處低壓狀態(tài)持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，所以一旦FND出現(xiàn)意外停泵情況，在3 min內(nèi)完成啟泵才會(huì)達(dá)到理想效果。

圖4 FND 1#泵入口壓力Fig.4 FND 1#pump inlet pressure

2.2.2 降量輸送

最佳方案是3 min內(nèi)完成啟動(dòng)備用泵，若有意外情況備用泵無法及時(shí)啟動(dòng)，則可根據(jù)上述5 min啟泵方案采取相應(yīng)時(shí)間的保護(hù)措施，或者也可采取關(guān)閉各分輸站下載閥來降低輸量的方案。分別在FND停泵3、4、5 min時(shí)采取同時(shí)關(guān)閉三處下載閥，關(guān)閉下載閥產(chǎn)生的增壓波逐漸抵消掉停泵產(chǎn)生的減壓波，使FN上游高點(diǎn)壓力回升，汽化情況消失。采取關(guān)閉下載閥措施的模擬結(jié)果見表6。由表6可知，越早采取此措施汽化量越小，時(shí)間越短。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于不容易造成壓力的急劇變動(dòng)，可以很好地控制，但缺點(diǎn)在于應(yīng)用此方案不能盡快地消除汽化現(xiàn)象而造成較大的汽化量。

表6 采取關(guān)閉下載閥措施的模擬結(jié)果Tab.6 Simulation results of taking measures to close download valve

為了能更快速有效地解決汽化問題，可利用下游停泵產(chǎn)生的增壓波向上游傳遞來抵消FND停泵向下游傳遞的減壓波，以此來保證管道安全運(yùn)行。本文對(duì)FND停泵后3、4、5 min采取下游停泵措施進(jìn)行模擬，同樣以不破壞管道其他位置壓力平衡為原則，且保證輸量不低于管道最低輸量和各泵進(jìn)泵壓力不超過限定值，制定一套可以消除由FND停泵造成的FN上游高點(diǎn)汽化：檢測(cè)到FND停輸信號(hào)T=0 min；若3 min時(shí)采取措施，則在T=3 min時(shí)緊急停輸FN 1臺(tái)大泵；T=4 min時(shí)緊急停輸GN 1臺(tái)大泵；T=5 min時(shí)緊急停輸JS 1大1小2臺(tái)泵；T=6 min時(shí)緊急停輸YX 1臺(tái)大泵。4、5 min時(shí)采取措施同樣依據(jù)上面的步驟，間隔1 min停輸上述5臺(tái)泵，共花費(fèi)3 min完成各泵停輸。采取下游停泵措施的模擬結(jié)果見表7。由表7可知，采取措施越早影響越小，采取此方案可更高效地解決問題。

表7 采取下游停泵措施的模擬結(jié)果Tab.7 Simulation results of taking measures to stop downstream pumps

2.3 泵站停輸事故工況

當(dāng)FND意外出現(xiàn)停輸工況（意外停電、關(guān)閉閥門）時(shí)，由于此站為不可越站泵站，需立即采取全線停輸措施。原設(shè)計(jì)文件所采取的停輸措施：檢測(cè)到FND停輸信號(hào) T=0；T=0.5 min時(shí)發(fā)送BS首站應(yīng)急停輸程序； T=1 min時(shí)發(fā)送FN應(yīng)急停輸程序；T=2 min時(shí)發(fā)送GN應(yīng)急停輸程序；T=3 min時(shí)發(fā)送MZ應(yīng)急停輸程序；T=4 min時(shí)發(fā)送YS應(yīng)急停輸程序；T=5 min時(shí)發(fā)送CP應(yīng)急停輸程序；T=6 min時(shí)發(fā)送YX應(yīng)急停輸程序；T=7 min時(shí)發(fā)送JS應(yīng)急停輸程序。按此方案模擬后，MZ上游出現(xiàn)兩處負(fù)壓汽化，其中一處不能消除，直至停輸完成汽化的油品也沒有被吸收。YS-MZ2管段產(chǎn)生的汽化量為54.16 m3，汽化段長(zhǎng)度為8 km，不能通過管道的自動(dòng)調(diào)節(jié)而被吸收；YS-MZ3管段產(chǎn)生的汽化量為10 m3，汽化段長(zhǎng)度為5 km，短時(shí)間出現(xiàn)后被油品吸收。圖5為停輸過程中的壓力包絡(luò)線。這個(gè)方案顯然不是最優(yōu)方案，沒有在操作完成后遵循全線無超壓點(diǎn)也無汽化點(diǎn)的控制原則，為此，應(yīng)對(duì)此方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 壓力包絡(luò)線Fig.5 Pressure envelope

以壓力波在各站間的傳播時(shí)間（表3）為依據(jù)來制定方案，優(yōu)化后的控制程序?yàn)椋簷z測(cè)到FND停輸信號(hào)T=1 min；T=1.5 min時(shí)BS首站停輸；T=2 min時(shí)FN停輸；T=3 min時(shí)GN、JS停輸，關(guān)閉GN和MZ下載閥，增大末站進(jìn)站壓力；T=4 min時(shí)YS、YX停輸，關(guān)閉YX下載閥；T=5 min時(shí)關(guān)閉末站進(jìn)站閥。優(yōu)化后的停輸程序能保證管道的穩(wěn)定運(yùn)行，期間無超壓點(diǎn)及低壓汽化點(diǎn)（圖6、圖7），由此證明此方案安全可靠。

圖6 停輸完成時(shí)的流量及水力坡降線Fig.6 Flow and hydraulic gradient curve when shut down is completed

圖7 全線壓力包絡(luò)線Fig.7 Pressure envelope of whole line

3 結(jié)論

（1）當(dāng)大落差管道由于某種工況出現(xiàn)局部負(fù)壓汽化情況時(shí)，爭(zhēng)取在最短時(shí)間內(nèi)采取應(yīng)對(duì)措施，可有效地降低管道中油品汽化風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在不能保證合理時(shí)間內(nèi)及時(shí)采取措施情況下，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求采取關(guān)閥或停泵等合理方案。

（3）需要全線停輸時(shí)，應(yīng)以停輸過程中無超壓或汽化點(diǎn)為前提，在最短時(shí)間內(nèi)完成停輸，為后續(xù)線路的搶修及其他工作爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

（4）SPS軟件的流量模型不夠合理，汽化后是分層流還是氣泡流還需進(jìn)一步分析，而非完全液柱分離。并且，此軟件汽化段長(zhǎng)度模型也不夠精確，不能計(jì)算出低于5 km的汽化段長(zhǎng)度，在模擬過程中低于5 km的長(zhǎng)度均按5 km計(jì)算，故其汽化段長(zhǎng)度模型還需進(jìn)一步完善。

（5）輸油管道中油品汽化和油氣吸收也與時(shí)間有關(guān)，目前，對(duì)管道中汽化及氣體吸收體積與時(shí)間的關(guān)系也需開展研究，以便對(duì)大落差輸油管道控制更加精確。

殼牌尋求退出LNG項(xiàng)目，印尼難以留住投資

路透社周五（2019年5月3日）援引業(yè)內(nèi)消息人士的話報(bào)道稱，殼牌正尋求出售其在印尼的一個(gè)液化天然氣（LNG）項(xiàng)目的少數(shù)股權(quán)，希望能用其在這個(gè)價(jià)值150億美元項(xiàng)目中的35%股份獲取10億美元。

殼牌今年早些時(shí)候表示，其已經(jīng)完成了2016年啟動(dòng)的300億美元資產(chǎn)剝離計(jì)劃，該計(jì)劃旨在為2015年收購(gòu)的BG集團(tuán)提供資金。

殼牌是全球最大的超冷燃料交易商，而液化天然氣是殼牌的核心業(yè)務(wù)。液化天然氣是殼牌2019年第一季度業(yè)績(jī)好于預(yù)期的一個(gè)關(guān)鍵助力，該公司首席財(cái)務(wù)官烏爾（Jessica Uhl）昨日（2019年5月2日）在第一季度財(cái)報(bào)電話會(huì)議上表示，“總體而言，我們對(duì)自己的投資組合感到滿意，而且我們?cè)谟∧?、坦桑尼亞以及澳大利亞也有進(jìn)一步的機(jī)會(huì)”。

然而，印尼的阿巴迪液化天然氣（Abadi LNG）項(xiàng)目已被推遲至少兩年，印尼政府已指示該項(xiàng)目開發(fā)商將最初提出的浮動(dòng)液化天然氣平臺(tái)方案改為陸上液化天然氣開發(fā)。日本的Inpex公司是該項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)商和大股東，持有該項(xiàng)目65%的股份，而殼牌擁有另外35%的股份。

殼牌可能退出印尼，同時(shí)也表明，作為東南亞最大經(jīng)濟(jì)體之一的印尼政府，盡管在改變相關(guān)的監(jiān)管規(guī)定，但還是難以留住能源投資。

陸倩 摘譯自https://oilprice.com/Latest-Energy-News/World-News