原油管道不滿流工況分析及應(yīng)對(duì)策略研究

馮云 楊金威 馬妍欣 甘亦凡 孟繁琦 張?zhí)煲?/p>

摘 ?????要：通過(guò)SPS軟件的水力坡降圖確定了管道翻越點(diǎn)的位置以及發(fā)生不滿流工況的管段，并通過(guò)讀取末站壓力得出了可避免不滿流工況的下站來(lái)油進(jìn)站壓力設(shè)定值，制定了不滿流工況的應(yīng)對(duì)策略。測(cè)算了不同管徑對(duì)不滿流工況的影響，得出了可避免不滿流工況的最大管徑。為驗(yàn)證SPS模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，用公式法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)SPS模擬結(jié)果精度較高，滿足工程要求，可用于不滿流工況應(yīng)對(duì)策略研究。運(yùn)用SPS軟件可以高效地確定翻越點(diǎn)及產(chǎn)生不滿流工況管段的位置，準(zhǔn)確地計(jì)算出下游進(jìn)站壓力設(shè)定值，還可以模擬不同參數(shù)對(duì)不滿流工況的影響，對(duì)原油管道安全高效運(yùn)行具有重要意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：SPS;翻越點(diǎn);不滿流;應(yīng)對(duì)策略

中圖分類號(hào)：TE 832 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）08-1763-05

Abstract： Through using the hydraulic gradient diagram of SPS software， the position of pipeline crossing-over point and the slack line flow pipeline section were determined. Through reading the pressure value of the terminal station， the setting value of inlet pressure which can avoid the slack line flow condition at next station was obtained， and the corresponding strategy was formulated. The influence of different pipe diameters on slack line flow conditions was investigated， and the maximum pipe diameter which can avoid the slack line flow was calculated. In order to verify the accuracy of SPS simulation results， SPS simulation results were compared with the results calculated by formula method. It was found that the simulation results of SPS had high accuracy and satisfied the engineering demand. It can be used to research the corresponding strategy of slack line flow conditions. The crossing-over point and slack line flow pipeline section can be determined efficiently and the setting value of inlet pressure can be calculated accurately by using SPS. It can also simulate the effect of different parameters on the slack line flow condition， which is of great significance to the safe and efficient operation of crude oil pipelines.Key words： SPS; Crossing-over point; Slack line flow; Corresponding strategy

位于地形起伏較大地區(qū)建設(shè)的長(zhǎng)距離原油管道，管道會(huì)隨高程變化上下起伏，經(jīng)常有高程變化較大的管段，尤其是長(zhǎng)陡下坡管段，液流在翻越高峰點(diǎn)后，存在較多的剩余水頭，容易在下坡管段產(chǎn)生真空不滿流工況。不滿流工況可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)管段事故反應(yīng)變慢、產(chǎn)生巨大增壓使管道壓力超限、引發(fā)管段產(chǎn)生氣蝕和強(qiáng)烈的振動(dòng)造成管道破壞、加劇管道內(nèi)壁的腐蝕等，可見不滿流工況對(duì)管道安全高效運(yùn)行有很大的危害[1]。因此，研究不滿流工況的應(yīng)對(duì)策略對(duì)管道的安全運(yùn)行有著重要的意義。Stoner Pipeline Simulator/（SPS）是一種先進(jìn)的流體仿真應(yīng)用程序，可以模擬任何現(xiàn)有的或規(guī)劃設(shè)計(jì)中的管道，可對(duì)正?；蚍钦l件下諸如管路破裂、設(shè)備故障或其它異常工況等進(jìn)行模擬，可對(duì)各種不同控制策略的結(jié)果做出預(yù)測(cè)。本文通過(guò)運(yùn)用SPS水力坡降圖高效準(zhǔn)確地確定了翻越點(diǎn)及發(fā)生不滿流工況管段的位置，并模擬得出了不同管道參數(shù)對(duì)不滿流工況的影響，給出了不同的應(yīng)對(duì)方案，對(duì)工程實(shí)際具有良好的指導(dǎo)作用[2]。

2.2 ?翻越點(diǎn)定義

當(dāng)要將一定數(shù)量的油品通過(guò)管道上的某高點(diǎn)時(shí)所需的壓頭比輸送到終點(diǎn)所需的壓頭大，且管道內(nèi)原油自該高點(diǎn)至終點(diǎn)所得的位能可能大于為克服流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力所需的能量，那么此髙點(diǎn)就為原油管輸過(guò)程中的翻越點(diǎn)[5]。

2.3 ?翻越點(diǎn)及不滿流管段的確定

做管道里-高程變化圖，在接近管道末端的縱斷面線的上方，按其縱橫坐標(biāo)的比例作水力坡降線，將水力坡降線向下平移，直到與縱斷面線相切為止。若水力坡降線在與管道終點(diǎn)相交之前，與管道縱斷面線上的某點(diǎn)相切，則存在翻越點(diǎn)，該點(diǎn)即為翻越點(diǎn)，翻越點(diǎn)多為接近管道末端的某髙點(diǎn)[6]。

圖2所示為起點(diǎn)壓力為2 300 kPa時(shí)的SPS水力坡降圖（STANDARD.FLOW為流量、ELEVATION為管道高程、HEAD為水力坡降），水頭線與高程線于A點(diǎn)（30.8 km，570.2 m）相切。

根據(jù)圖3、圖4壓力變化圖可以看出此時(shí)高點(diǎn)壓力為0 kPa，末站壓力為1 160 kPa（圖5），末點(diǎn)壓力折算水頭137.62 m，已知高程差產(chǎn)生的位能為223.12 m，故下坡段摩阻為223.12 m-137.62 m = 85.5 m。位能遠(yuǎn)大于克服流動(dòng)時(shí)摩擦阻力所需的能量，故A點(diǎn)即為翻越點(diǎn)，在該點(diǎn)后的管段將產(chǎn)生不滿流工況[7]。

3 ?基于SPS仿真的應(yīng)對(duì)策略研究

3.1 ?可避免不滿流工況的進(jìn)站壓力設(shè)定值模擬

因管道沿線壓力不得低于0.2 MPa，故設(shè)置起點(diǎn)壓力為2 500 kPa，水力坡降如圖5所示。沿線壓力變化如圖6所示，此時(shí)管道高點(diǎn)壓力值為200 kPa，折算水頭為23.74 m。原油在高點(diǎn)位置已經(jīng)具有23.73 m的水頭，再加上223.12 m位能，若末站來(lái)油進(jìn)站設(shè)定值按照最小進(jìn)站壓力0.5 MPa（折算為水頭59.32 m）設(shè)置則原油在下坡管段更容易發(fā)生真空不滿流。

在現(xiàn)場(chǎng)管理過(guò)程中，對(duì)不同工況下的來(lái)油設(shè)定值均可根據(jù)讀取的末點(diǎn)壓力值進(jìn)行設(shè)置以避免不滿流工況的產(chǎn)生，通過(guò)SPS仿真讀取來(lái)油進(jìn)站壓力設(shè)定值不僅簡(jiǎn)單方便易于操作，還可避免計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

3.2 ?可避免不滿流工況的管徑模擬研究

根據(jù)達(dá)西水力摩阻公式可知，管道的水力摩阻與管徑成反比，與流速的平方成正比，綜合起來(lái)，水力摩阻與管徑的5次方成反比[8]。管徑越小摩阻損失越大，在工程中可以采取在下坡段采用小管徑管道的措施，當(dāng)管道摩阻損失等于位能的增量時(shí)便可避免不滿流工況的產(chǎn)生。故在SPS軟件中將末站壓力控制為0.5 MPa（如圖10所示），起點(diǎn)流量控制為2 554.2 m3/h測(cè)試滿足工況要求的管徑，該管徑即為可避免不滿流工況的最大管徑[9]。如圖8、圖9所示，將管徑改為 時(shí)，沿線翻越點(diǎn)均可通過(guò)，原油輸送到末站時(shí)壓力值剛好為0.5 MPa，故將下坡段管徑設(shè)置為 時(shí)可避免不滿流工況的產(chǎn)生。但是采用小管徑管段會(huì)對(duì)管道清管等操作帶來(lái)不便，所以在工程上并不推薦采用縮小管徑的方式作為不滿流工況的應(yīng)對(duì)策略[10]。

4 ?公式法對(duì)比

為驗(yàn)證SPS軟件模擬的準(zhǔn)確性，本文采用公式法計(jì)算避免不滿流工況應(yīng)設(shè)的末點(diǎn)壓力以及可避免不滿流工況的最大管徑，將其結(jié)果與SPS軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

4.2 ?可避免不滿流工況的末站壓力設(shè)定值計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，20攝氏度時(shí)黏度為20 mm2/s，高點(diǎn)A到末點(diǎn)B的距離為L(zhǎng)1=27 km，高程差△Z=-223.12 m，帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得hf=86.10 m。局部磨阻取1%沿程磨阻0.86 m水頭進(jìn)行計(jì)算。取高點(diǎn)壓力為管道允許最低壓力0.2 MPa，列A-B兩點(diǎn)間伯努利方程[12]：

帶入數(shù)據(jù)Z1=570.2 m，P1=0.2 MPa，Z2=347.08 m，滿流時(shí)v1=v2，hz=hf+0.1hf，計(jì)算得P2=1.348 MPa，即將末站進(jìn)站壓力設(shè)置為1.348 MPa即可避免不滿流工況的產(chǎn)生。SPS模擬結(jié)果與公式法計(jì)算結(jié)果誤差僅為0.02%，可見SPS模擬結(jié)果滿足精度要求，可以作為不滿流工況研究的輔助軟件。

4.3 ?可避免不滿流工況的最大管徑反算

管徑越小摩阻損失越大，在工程中可以采取在下坡段采用小管徑管道的措施，當(dāng)管道摩阻損失等于位能時(shí)便可避免不滿流工況的產(chǎn)生。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，反算末站設(shè)置為允許進(jìn)站壓力0.5 MPa時(shí)可避免不滿流工況的的管徑[13]：

將數(shù)據(jù)Z1=570.2 m，P1=0.2 MPa，Z2=347.08 m，P2=0.5 MPa，帶入伯努利方程計(jì)算得此時(shí)hz=187.53 m，將hz=187.53 m帶入列賓宗公式計(jì)算得d=0.650 m，即高點(diǎn)壓力為0.2 MPa，末站進(jìn)站壓力設(shè)置為0.5 MPa時(shí)，下游管段選取管徑小于0.650 m的管道可避免不滿流工況的產(chǎn)生。根據(jù)管道規(guī)格，660 mm×9.5mm的管道滿足要求，與SPS仿真結(jié)果一致。

5 ?結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)在SPS中輸入里高程等管道基礎(chǔ)參數(shù)的條件下自動(dòng)生成沿程水力坡降線，通過(guò)調(diào)節(jié)起點(diǎn)壓力上下平移水頭線的位置，從而可以更加方便準(zhǔn)確地確定翻越點(diǎn)及不滿流工況產(chǎn)生的位置。通過(guò)公式法計(jì)算結(jié)果與SPS軟件模擬結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)SPS模擬結(jié)果準(zhǔn)確度較高，可以作為現(xiàn)場(chǎng)輔助管理軟件。將其運(yùn)用在不滿流工況的研究中可以更加方便直觀地確定翻越點(diǎn)及可能發(fā)生不滿流工況管段的位置，通過(guò)SPS仿真模擬讀取原油輸送到末站時(shí)的壓力值從而制定末站來(lái)油進(jìn)站壓力設(shè)定方案可以避免不滿流工況的產(chǎn)生，還可以通過(guò)模擬測(cè)算得出不同管徑對(duì)管道不滿流工況的影響，給出可避免不滿流工況的允許管徑，從而輔助現(xiàn)場(chǎng)工作人員高效地管理運(yùn)行。

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