基于仿真模擬的水擊泄放量研究

陳小華 徐德騰 李旺 黃建新 秦鵬 鄭鴻浩

摘? ? ? 要：介紹了水擊保護系統(tǒng)以及泄壓系統(tǒng)的開啟邏輯，分析了目前泄壓系統(tǒng)中影響水擊泄放量的主要因素。采用工藝管道水擊仿真的方法探討了不同水擊工況對泄放量的影響。以西南某管道泵站為例，創(chuàng)新性地引入超前保護失效的極限工況，計算顯示極限工況下當上游泵站持續(xù)輸送油品時下游站場進站泄壓系統(tǒng)持續(xù)進行泄放，下游站場進站壓力始終在泄壓閥開啟壓力值上下波動，在站場人員關閉泄壓閥手動閥門前，泄壓罐不足以容納極限工況下的水擊泄放量。

關? 鍵? 詞：水擊仿真;泄壓系統(tǒng);泄放量

中圖分類號：TE978? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2552-04

Research on Surge Release Volume Based on Simulation

CHEN Xiao-hua1， XU De-teng1， LI Wang1， HUANG Jian-xin1， QIN Peng1， ZHENG Hong-hao2

（1. PetroChina Southwest Pipeline Company， Chengdu 610094， China;

2. School of Petroleum Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）

Abstract： The water hammer protection system and the opening logic of the pressure relief system were introduced， and the main factors affecting release volume in the pressure relief system were analyzed. The method of pipeline simulation was used to investigate the influence of different water hammer conditions on the release volume. Taking a pipeline pump station in Southwest of China as an example， under the limit condition of advance protection failure， the simulation calculation was carried out. The results showed that， under the limit condition of water hammer， when the upstream pump station continued to deliver oil and the surge relief valve of downstream station continued to work， the inlet pressure oscillated near the pressure of surge release valve working pressure. Before the staff closed the manual valve， the tank was not enough to accommodate the release volume under the limit condition of water hammer.

Key words： Water hammer simulation; Surge release system; Release volume

20世紀80年代以前，我國設計的長距離輸油管道大多通過“旁接油罐”的方式來調節(jié)管道流量波動和緩沖壓力波動。旁接油罐的容量一般按管道的1～1.5 h輸送量確定，當管道發(fā)生壓力波動時運行人員有足夠的時間可進行調整。20世紀80年代以后，國內長輸管道大多采用密閉輸送管道，密閉輸送相較于旁接油罐輸送動能損失小、油品蒸發(fā)損耗少，但密閉輸送全線為一個統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，全線各個站場進出站壓力互相聯(lián)系，一旦管道某處出現(xiàn)較大的壓力波動全線壓力都將受到影響，因此密閉輸送管道為了保證管道的平穩(wěn)運行，設計了水擊防護系統(tǒng)來保證全線的壓力安全。水擊防護系統(tǒng)中的泄壓系統(tǒng)代替了“旁接油罐”輸送流程中旁接罐的緩沖作用。當管線因故障出現(xiàn)超壓工況時，泄壓系統(tǒng)可以通過泄放油品來降低壓力，泄放的油品經過泄放管道流向泄壓罐，泄壓罐的容量決定著站場抵御超壓工況能力的大小 [1-4]。

泄壓系統(tǒng)在石化行業(yè)已經得到了廣泛的應用，國內泄壓系統(tǒng)的相關研究主要集中于泄壓閥的特性以及相關的計算，但對于水擊泄放量的計算較少，且針對的水擊工況較為安全，都沒有考慮泵站持續(xù)輸送油品的極端工況[5-7]。這種工況計算的水擊泄放量過小，當出現(xiàn)極端工況時可能會導致泄放過程中發(fā)生“冒罐”事故。為保證站場泄壓系統(tǒng)的泄放安全，基于OLGA軟件結合實際生產對水擊泄放量進行研究，為生產實踐中泄壓罐的容量選擇提供指導。

1? 水擊保護系統(tǒng)

國內采用密閉輸送的長距離輸油管道大多都設置了超前保護系統(tǒng)和泄壓系統(tǒng)進行水擊保護。管道超前保護系統(tǒng)主要采取壓力控制模式，采用停泵和保護調節(jié)的方法對各泵站進、出站壓力和末站進站壓力進行控制。當末站或干線閥門誤關閉、中間泵站突然停泵等工況下發(fā)生水擊事故時，遠程數據采集與監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）向全線安全保護PLC發(fā)出水擊信號，PLC自動向相關站場SCS下達水擊保護執(zhí)行指令，通過保護性調節(jié)或順序停掉相關泵站輸油泵等方法向下游發(fā)出減壓波，防止管線相對薄弱地段超壓。通過SCADA控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動調節(jié)進出站壓力、順序停泵、水擊事故判定等保護和調節(jié)功能，在監(jiān)測到水擊事故發(fā)生時進行超前保護并進行控制，可以有效地保護輸油設備和工藝管道，保證管道全線安全運行。

泄壓系統(tǒng)作為管道水擊防護系統(tǒng)的最后一道防線，主要由泄壓閥、泄壓罐以及相連接的管道組成。泄壓閥作為泄壓系統(tǒng)中的核心設備不具有主動開啟的功能，只有在管道壓力超過泄壓閥設定值后才會打開泄放油品。當管道內壓力值超過泄壓閥設定值，泄壓閥開啟泄放油品。

1.1? 泄壓閥

泄壓閥根據工作原理可分為氮氣式泄壓閥和先導式泄壓閥。先導式泄壓閥由于導閥過濾器易被雜質堵塞，通常應用于成品油管道。氮氣式泄壓閥相較于先導式泄壓閥對油品要求低，常應用于原油管道，具有流通能力大、響應迅速、實用性強等特點，但成本比先導式泄壓閥高，同時氮氣式泄壓閥還可以通過缸蓋上的調速閥控制閥門啟閉速度，從而達到閥門“快開慢關”的效果，來降低關閥過程中的壓力震蕩，避免關閥過程中造成二次水擊，但氮氣瓶壓力易受環(huán)境影響，造成泄壓設定值的變化，易引發(fā)微超不泄或偷泄不止[8-10]。

1.2? 泄壓罐

輸油站場中的泄壓罐通常為常壓拱頂罐。超壓泄放過程中，大量油品涌入泄壓罐內，同時油品的進入壓縮罐內氣相空間體積，造成罐內壓力上升，為保證泄壓罐壓力安全和液位安全，每個泄壓罐都配備有全天候呼吸閥和高低液位報警器。不同管線的泄壓罐容量也不同，但目前國內沒有關于泄壓罐容量選擇的明確規(guī)定，只有《輸油管道設計規(guī)范》（GB 50523—2014）中規(guī)定站場泄壓罐設置及容量應根據瞬態(tài)水擊分析確定。哈薩克斯坦則根據輸油管直徑對泄壓罐容量有明確的規(guī)定，如表1所示[11]。

2? 水擊泄放量影響分析

長輸管道中水擊引起的壓力可通過下式計算：

。

式中：ΔH —水擊產生的水頭，m;

Δc —流體速度變化，m·s-1;

a —聲音在流體中傳播的速度， m·s-1;

g —重力加速度，m·s-2。

從水擊壓力計算的公式可以看出，決定水擊壓力的大小是流體輸送的速度，因此液體管道全線因沿線閥室突然關斷造成的水擊壓力理論上是相等的，但壓力波在傳遞過程中有能量損失，閥室離站場距離越遠能量損失越大，到達站場后的水擊壓力損失越大。水擊工況造成的壓力越大泄壓系統(tǒng)降壓所需的泄放量越大。通常管道的超前保護系統(tǒng)在發(fā)生水擊時會制造減壓波來削弱水擊壓力，這時泄壓系統(tǒng)降壓所需的泄放量會大大減少。為探討水擊工況對水擊泄放量的影響，基于多相流模擬軟件OLGA建立仿真模型對不同水擊工況分別進行分析。

2.1? 超前保護下的泄放量計算

利用OLGA軟件模擬建立西南某原油管道仿真模型。該管道主要輸送沙特輕質原油，油品密度為0.856 g·cm-3，A站為整條管線的首站，B站和C站為加壓泵站（圖1）。A站與B站相距116 km，與C站相距152 km（圖2）。

利用OLGA軟件模擬B站在超前保護系統(tǒng)下，因閥門故障引起的超壓工況。

1）管道參數：管道輸送管徑813 mm，年輸量1 300萬t·a-1，B泵站泄壓閥直徑300 mm，泄壓閥開啟壓力7.7 MPa，泄壓罐容量200 m3×2。

2）水擊工況：B泵站進站閥門關斷（關閥時間180 s）。

3）超前保護系統(tǒng)：B站進站閥門在第100 s開始關閥，第280 s完全關閉，B站進站閥門離開全開位30 s內停運A站所有給油泵和輸油主泵，同時停運B站所有外輸泵站;A站執(zhí)行停泵后150 s，停運C站所有輸油主泵。

4）模擬結果：當B站進站閥門離開全開位30 s后，超前保護系統(tǒng)工作，B站和A站通過輸油泵停輸分別產生一個減壓波向下游傳播，B站進站壓力在停泵后由4.57 MPa迅速下降至4.14 MPa（圖3）。當閥門完全關閉后，閥門處產生一個增壓波向上游方向傳播。當進站閥門完全關閉后，進站壓力停止下降并在增壓波和減壓波的作用下發(fā)生波動然后趨于平穩(wěn)。在此過程中，水擊壓力引起的增壓波與停泵造成的減壓波互相抵消使得B站進站壓力保持在泄壓閥開啟壓力之下，泄壓系統(tǒng)沒有工作，水擊泄放量為0。

從模擬結果中可以看出，超前保護系統(tǒng)在閥門沒有完全關閉時通過停泵使B站進站壓力大幅度下降，當閥門完全關閉后，B站的進站壓力只是發(fā)生上下波動，管道沒有出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。

2.2? 超前保護失效下的泄放量計算

從超前保護下的超壓工況模擬中可以看出，超前保護對水擊壓力有很大的削弱作用。在超前保護的作用下，泄壓系統(tǒng)很少工作，這與現(xiàn)場反映的實際情況相符。在站場日常運行中，泄壓系統(tǒng)是作為水擊保護系統(tǒng)的最后一道防線，當超前保護失效時泄壓系統(tǒng)必須保證管道的壓力安全，因此必須計算極限工況下泄壓系統(tǒng)的泄放能力。

1）管道參數：輸送管徑813 mm，輸量1 300萬t·a-1，B泵站泄壓閥直徑300 mm，泄壓閥開啟壓力7.7 MPa，泄壓罐容量200 m3×2，上站泵停車壓力13.8 MPa。

2）水擊工況：B站進站閥門突然關斷（關閥時間40 s）。

3）超前保護系統(tǒng)：管道全線超前保護失效，B站閥門關斷后全線無法順序停泵;A站出站泄壓系統(tǒng)失效。

4）模擬結果：B站進站閥在第100 s開始關閉第140 s秒完全關閉，水擊壓力作用下B站進站壓力迅速上升至5.3 MPa。由于全線超前保護系統(tǒng)失效，B站關閉信號發(fā)出后，SCADA系統(tǒng)無法做出反應，全線無法順序停泵，A站輸油泵持續(xù)輸送油品，使得B站上游管道出現(xiàn)“憋壓”現(xiàn)象，A站和B站之間的管道壓力持續(xù)上升。B站進站閥門關閉480 s后，B站進站壓力上升至泄壓閥開啟壓力7.7 MPa（圖4）。

當增壓波傳遞至A站后，A站出站壓力在水擊壓力的作用下迅速上升至7.3 MPa，由于A站輸油泵持續(xù)輸送油品同時A站出站泄壓系統(tǒng)失效，A站出站壓力持續(xù)上升，B站泄壓閥開啟后A站壓力停止上升并開始下降最后趨于穩(wěn)定，此過程中A站出站壓力最高上升至10.3 MPa，沒有達到A站輸油泵停輸壓力（13.8 MPa）（圖5）。由于超前保護系統(tǒng)失效且A站壓力沒有達到輸油泵停車壓力，且A站輸油泵為定速泵，A站輸油泵仍以1 800 m3·h-1的輸量持續(xù)輸送油品。

由于B站進站閥門關閉后A站仍持續(xù)輸送油品，導致A、B站間管道內油品被壓縮，管道內壓力持續(xù)上升。B站泄壓罐為常壓罐，當B站進站泄壓閥開啟后巨大的壓差導致B站泄放流量最高達到3 210 m3·h-1，之后開始下降，最后泄放流量在? ? ? 1 800 m3·h-1上下波動（圖6）。B站泄壓系統(tǒng)的高流量泄放使得累計泄放量在泄壓閥開啟后320 s達到200 m3，672 s后達到400 m3。

從模擬結果中可以看出，超前保護系統(tǒng)和A站出站泄壓系統(tǒng)失效時，B站泄壓閥開啟后11 min將兩個200 m3泄壓罐完全充滿，而這個時間不足以讓現(xiàn)場做出失效判斷、應急處置請示并通知全線手動停泵，因此超前保護失效下泄壓罐必定會出現(xiàn)“冒罐”事故。為保證站場的壓力安全，在選擇泄壓罐容量時應將極限工況下人員事故應急反應時間考慮進去，要保證發(fā)生極限工況時站場人員有足夠的時間在發(fā)現(xiàn)泄壓閥開啟后向上級申請指示并通知全線手動停泵。

3? 結 論

1）超前保護系統(tǒng)對水擊壓力有非常大的削弱，削弱后的水擊壓力通常不會達到泄壓閥開啟壓力;而超前保護系統(tǒng)失效下，站場泄壓系統(tǒng)會持續(xù)泄放油品，水擊泄放量過大導致泄壓罐存在“冒罐”風險。

2）計算水擊泄放量時應根據管道的最大年輸量，以極限工況（超前保護失效）中泄壓閥開啟后，站場人員向上級申請指示并通知全線手動停泵時間內的泄放量為最大水擊泄放量，依據最大水擊泄放量選擇泄壓罐容量。

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