成品油管道水擊超前保護(hù)邏輯功能分析及改進(jìn)措施

張洪奎，李彥剛，陳井軍

(中國(guó)石化銷(xiāo)售股份有限公司 華中分公司，湖北 武漢 430023)

成品油長(zhǎng)輸管道順序輸送汽油、柴油等多種油品，具有線路長(zhǎng)、落差大、輸送工藝復(fù)雜、水利工況多樣等特點(diǎn)。在運(yùn)行操作過(guò)程中容易出現(xiàn)閥門(mén)意外開(kāi)啟或關(guān)閉及油泵機(jī)組意外停運(yùn)等異常情況，會(huì)引起水擊現(xiàn)象[1]。水擊也稱(chēng)為水錘，因管道內(nèi)流速發(fā)生變化，引起壓力的升高或降低，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、管道破裂等重大安全事故。如前蘇聯(lián)奧木斯克-索庫(kù)爾輕油輸油管線[2]，有一中間輸油站因電源故障，導(dǎo)致全部停泵，而上站按常量正常供油，突然停電，輸油站至上站管線某處因反向流水擊產(chǎn)生的壓力與輸油壓力疊加造成壓力過(guò)高從而引起管線爆裂。長(zhǎng)輸管線在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮水擊的影響，設(shè)計(jì)壓力調(diào)節(jié)及水擊控制系統(tǒng)來(lái)避免安全事故。

1 長(zhǎng)輸管道典型水擊

成品油長(zhǎng)輸管道水擊產(chǎn)生的因素很多，基本上可以分為兩類(lèi)： 一類(lèi)是有計(jì)劃的調(diào)整輸量或切換流程導(dǎo)致的水擊；另一類(lèi)是事故引起的水擊。調(diào)整輸量或切換流程等都會(huì)引起管道內(nèi)壓力波動(dòng)，對(duì)此可人為采取措施，在啟、停泵過(guò)程中，靠泵出口閥或控制閥來(lái)抑制啟、停泵產(chǎn)生的水擊，使水擊壓力波動(dòng)處于允許范圍內(nèi)[3]。事故引起的水擊，如泵站停電、泵機(jī)組意外停運(yùn)、干線閥門(mén)關(guān)閉等引起的流量變化都會(huì)造成管道水擊，水擊的劇烈程度，取決于流量變化的情況。如果水擊的壓力超過(guò)管道設(shè)計(jì)壓力就需要對(duì)管道控制系統(tǒng)采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)和保護(hù)措施。

首站停電導(dǎo)致泵機(jī)組停運(yùn)或干線閥門(mén)意外關(guān)閉，向下游站場(chǎng)傳遞減壓波，此時(shí)采取全線立即停輸?shù)拇胧员苊夤艿纼?nèi)壓力低于液體的飽和蒸氣壓[4]。中間泵站停電或泵機(jī)組停運(yùn)，電動(dòng)閥均有斷電保位的特性，上游站場(chǎng)持續(xù)供油，中間泵站向上下游站場(chǎng)傳遞的減壓波會(huì)被上游站場(chǎng)的增壓波抵消掉，不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)管道允許工作壓力的水擊[5]。有大翻越點(diǎn)的管道則要根據(jù)水力計(jì)算的結(jié)果設(shè)置相應(yīng)保護(hù)措施。

2 水擊超前保護(hù)邏輯

水擊超前保護(hù)是當(dāng)發(fā)生正水擊時(shí)，通過(guò)自控系統(tǒng)的控制閥或機(jī)泵發(fā)出一個(gè)負(fù)水擊波，以攔截向上游傳播的正水擊波，使全線壓力保持在允許范圍內(nèi)。

2.1 RTU閥室誤關(guān)水擊保護(hù)邏輯

輸油管道站間RTU閥室的執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有快速關(guān)斷的功能，RTU閥室執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤關(guān)是輸油站常見(jiàn)事故。執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉后，導(dǎo)致管道產(chǎn)生水擊波，向上游站場(chǎng)傳遞增壓波，向下游站場(chǎng)傳遞減壓波，上游站場(chǎng)出站區(qū)域的壓力信號(hào)“三取二”表決后傳送至邏輯控制器。邏輯控制器啟動(dòng)相應(yīng)水擊邏輯，通過(guò)關(guān)小出站控制閥一定開(kāi)度將泵組壓力截在站內(nèi)，同時(shí)通過(guò)關(guān)小泵組區(qū)出口閥一定開(kāi)度降低泵組的揚(yáng)程。因此，將泵組外輸?shù)膲毫刂圃谡緝?nèi)，避免水擊波的疊加，實(shí)現(xiàn)水擊保護(hù)。但是該邏輯僅能在壓力波到達(dá)上下游站場(chǎng)的時(shí)候才能動(dòng)作，不能真正的實(shí)現(xiàn)水擊的超前保護(hù)，而且此時(shí)上游站場(chǎng)的水擊波已經(jīng)反復(fù)疊加，存在管道爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 站內(nèi)干線閥門(mén)誤關(guān)水擊保護(hù)邏輯

站內(nèi)干線閥門(mén)誤關(guān)分為中間泵站干線閥門(mén)誤關(guān)及末站干線閥門(mén)誤關(guān)兩種情況。中間泵站干線閥門(mén)誤關(guān)保護(hù)邏輯如圖1所示，進(jìn)、出站區(qū)6臺(tái)壓力變送器獲取管道壓力信號(hào),分別構(gòu)成2套“三取二”冗余表決結(jié)構(gòu)，進(jìn)出站管道壓力值高于設(shè)定值并持續(xù)X秒,干線閥門(mén)處于非全開(kāi)狀態(tài)，都可觸發(fā)水擊保護(hù)邏輯。首先將出站控制閥MOV307關(guān)小一定開(kāi)度，若管道壓力差值持續(xù)增大，則執(zhí)行全線停輸邏輯。

圖1 中間泵站干線閥門(mén)意外關(guān)閉水擊保護(hù)邏輯

末站干線閥門(mén)誤關(guān)保護(hù)邏輯如圖2所示，進(jìn)站管道壓力迅速升高，高于設(shè)定值并持續(xù)X秒，此時(shí)將末站及相鄰上游站場(chǎng)控制閥MOV407，MOV307關(guān)小一定開(kāi)度，若末站進(jìn)站管道壓力繼續(xù)升高并持續(xù)X秒，則執(zhí)行全線停輸邏輯。

圖2 末站干線閥門(mén)意外關(guān)閉水擊保護(hù)邏輯

成品油管道中間泵站均設(shè)置有全越站流程，可實(shí)現(xiàn)緊急情況下的管道油品不進(jìn)站直接越過(guò)本站輸送至下站，站內(nèi)干線閥門(mén)誤關(guān)的水擊保護(hù)邏輯中，只有壓力調(diào)節(jié)和全線停輸顯然不是最優(yōu)的控制邏輯。同樣，末站干線閥門(mén)誤關(guān)的水擊保護(hù)邏輯中，也只有壓力調(diào)節(jié)和全線停輸，管道末站干線閥門(mén)誤關(guān)可執(zhí)行除末站外的管道的分段輸送，避免全線停輸?shù)仁鹿使r。

3 水擊超前保護(hù)邏輯優(yōu)化

3.1 RTU閥室誤動(dòng)作水擊保護(hù)邏輯優(yōu)化

成品油管道長(zhǎng)輸管道的RTU閥室與輸油泵站間一般為光纜通信或租用鏈路，通信保障情況良好。RTU閥室電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作信號(hào)可以實(shí)時(shí)傳輸至泵站的邏輯控制器，且閥室內(nèi)裝有壓力變送器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)前后的壓力，為實(shí)現(xiàn)水擊超前保護(hù)提供良好的條件。修改原有保護(hù)邏輯并將RTU閥室執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩端管道壓力信號(hào)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作信號(hào)接入邏輯控制器，RTU閥室執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩端壓差超過(guò)某個(gè)數(shù)值時(shí)，且在有限的時(shí)間段內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)MOV103非全開(kāi)狀態(tài)，則判斷RTU閥室執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作。此時(shí)，RTU閥室的上下游站場(chǎng)水擊超前保護(hù)邏輯同時(shí)觸發(fā)，上站進(jìn)行調(diào)壓及順序停泵，下站執(zhí)行關(guān)閉進(jìn)站執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯，保障管道內(nèi)壓力，避免形成液柱分離的情況。但考慮通信異常的情況及水擊波傳輸?shù)臅r(shí)間，同時(shí)為了保證輸油工況的穩(wěn)定，在控制邏輯上加延時(shí)，避免湍流狀態(tài)下導(dǎo)致水擊保護(hù)邏輯觸發(fā)。

經(jīng)水力分析后，優(yōu)化原水擊保護(hù)邏輯，分為RTU閥室通信正常及中斷兩種情況，通信正常情況下，RTU閥室執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩端壓差值超過(guò)YMPa持續(xù)X秒，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)非全開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)判斷RTU閥室執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作。優(yōu)化后的保護(hù)邏輯如圖3所示。

圖3 通信正常情況下優(yōu)化后水擊保護(hù)邏輯示意

通信中斷情況下，將原有觸發(fā)邏輯增加延時(shí)，RTU閥室上游站場(chǎng)出站壓力信號(hào)經(jīng)“三取二”冗余表決后傳送給邏輯控制器，邏輯控制器輸出信號(hào)關(guān)閉出站開(kāi)關(guān)閥MOV301，關(guān)小控制閥MOV307開(kāi)度，并順序停泵，RTU閥室下游站場(chǎng)進(jìn)站信號(hào)經(jīng)“三取二”冗余表決后傳送給邏輯控制器，邏輯控制器輸出信號(hào)關(guān)閉進(jìn)站開(kāi)關(guān)閥MOV401，優(yōu)化后的邏輯如圖4所示。

圖4 通信中斷情況下優(yōu)化后的水擊保護(hù)邏輯示意

3.2 干線閥門(mén)誤關(guān)水擊保護(hù)邏輯優(yōu)化

站內(nèi)干線閥門(mén)誤關(guān)水擊保護(hù)邏輯優(yōu)化分為中間泵站干線閥門(mén)誤關(guān)及末站干線閥門(mén)誤關(guān)兩種情況。

中間泵站干線閥門(mén)誤關(guān)水擊保護(hù)邏輯優(yōu)化如圖5所示,在原有壓力調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，增加開(kāi)啟本站全越站流程的邏輯，即在水擊發(fā)生時(shí)開(kāi)啟全越流程閥門(mén)，后續(xù)油品經(jīng)該流程出站，避免全線停輸。

圖5 中間泵站干線閥門(mén)意外關(guān)閉水擊保護(hù)邏輯

管道末站干線閥門(mén)誤關(guān)水擊保護(hù)邏輯優(yōu)化如圖6所示,在原有壓力調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，增加停上游站場(chǎng)運(yùn)行輸油泵的邏輯，即在水擊發(fā)生時(shí)停上游站場(chǎng)運(yùn)行輸油泵，關(guān)閉上游站場(chǎng)出站閥門(mén)及末站進(jìn)站閥門(mén)，避免全線停輸。同時(shí)增加上游站場(chǎng)與末站邏輯控制器之間的Message指令通信狀態(tài)的判斷，避免通信異常情況下的水擊保護(hù)邏輯的誤觸發(fā)。末站與上游站場(chǎng)之間通信異常時(shí)，執(zhí)行RTU閥室通信中斷情況下的水擊保護(hù)邏輯。

圖6 末站干線閥門(mén)意外關(guān)閉水擊保護(hù)邏輯

4 水擊保護(hù)失效分析及改進(jìn)措施

對(duì)水擊保護(hù)系統(tǒng)失效率采用馬爾科夫模型(Markov Model)[6]進(jìn)行平均危險(xiǎn)失效率(PFD)與安全失效率(PFS)的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 PFD與PFS計(jì)算結(jié)果

從各元件PFD對(duì)水擊超前保護(hù)系統(tǒng)失效的影響看，傳感器及邏輯控制器占的比例較小，分別為3.26%和1.49%，執(zhí)行器所占比例最大，為95.25%。執(zhí)行器將是造成水擊超前保護(hù)系統(tǒng)失效的最大隱患。增加設(shè)備可靠性主要有三方面的措施： 改變功能測(cè)試周期、改進(jìn)系統(tǒng)冗余表決結(jié)構(gòu)與提高單個(gè)設(shè)備可靠性。改進(jìn)系統(tǒng)冗余表決結(jié)構(gòu)與提高單個(gè)設(shè)備可靠性成本較高，一般不采用，可采用改變執(zhí)行器功能測(cè)試周期的方法來(lái)提高可靠性。

經(jīng)驗(yàn)證將執(zhí)行器的功能測(cè)試周期由1年縮短為3個(gè)月，執(zhí)行器失效率將降低至原失效率的20%，提高可靠性。在水擊超前保護(hù)系統(tǒng)因故無(wú)法響應(yīng)或響應(yīng)不及時(shí)的情況下，成品油管道在泵站及末站均設(shè)置泄壓罐以消除水擊對(duì)外管道及站內(nèi)設(shè)備影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)長(zhǎng)輸管道輸油泵站水擊超前保護(hù)系統(tǒng)的干線閥門(mén)及RTU閥室執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作的水擊超前保護(hù)邏輯改進(jìn)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行失效分析，找到薄弱環(huán)節(jié)為執(zhí)行器，通過(guò)縮短功能測(cè)試周期提高了執(zhí)行器的可靠性。