靖惠輸油管道密閉輸送的水擊分析及保護(hù)

陳佳羽，田愛(ài)紅，王立濤，王端瑞，趙 馨

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三輸油處，寧夏銀川 750006）

原油管道“密閉輸送”工藝輸送成本低，油氣損耗小，便于實(shí)現(xiàn)全線的統(tǒng)一管理和控制，是當(dāng)前輸油系統(tǒng)建設(shè)的趨勢(shì)。但也正是由于它的密閉性和連續(xù)性，一旦發(fā)生如閥門(mén)誤關(guān)斷、輸油泵停運(yùn)、管線泄漏等事故，管道內(nèi)部將產(chǎn)生嚴(yán)重的水擊現(xiàn)象。因此，“密閉輸送”工藝的實(shí)現(xiàn)要求場(chǎng)站具備高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)和完善的水擊保護(hù)措施。

長(zhǎng)慶油田第三輸油處靖惠輸油管道三座主要的輸油站運(yùn)行十余年，均采用“旁接油罐”形式進(jìn)行原油輸送。為實(shí)現(xiàn)降本增效，推進(jìn)輸油工作高質(zhì)量發(fā)展，現(xiàn)已制定“密閉輸送”改造方案，但此方案僅提出了工藝流程倒改的方法，在“密閉輸送”改造投用前，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)管道水擊事故工況進(jìn)行模擬分析，論證極端工況下水擊事故的危害程度，針對(duì)水擊保護(hù)系統(tǒng)和自動(dòng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投用現(xiàn)狀提出建議，做出改進(jìn)，最大程度上避免水擊事故的發(fā)生，使新工藝得以安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1 密閉輸送水擊分析

1.1 管道概況

靖惠輸油管道2003 年9 月投產(chǎn)，始于陜西省靖邊縣周河鄉(xiāng)，止于寧夏鹽池縣惠安堡鎮(zhèn)。由一條輸油主干線和兩條插輸支線組成，主干線全長(zhǎng)216.65 km，設(shè)計(jì)輸油量250×104t/a，規(guī)格φ377×6 mm，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa。全線共設(shè)截?cái)嚅y室12 座；輸油站五座。

1.2 全越站密閉輸送水擊風(fēng)險(xiǎn)

（1）在全越站流程運(yùn)行下，中間站接收首站來(lái)油直接外輸，不加壓、不加熱、不計(jì)量，將導(dǎo)致部分管段的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)失效，一旦發(fā)生泄漏事故，無(wú)法對(duì)其及時(shí)進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位、控制措施的實(shí)施。建議在密閉輸送方案正式投用前，對(duì)失效管段裝設(shè)數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置，恢復(fù)泄漏檢測(cè)和定位的功能。

（2）全越站運(yùn)行時(shí)，中間站進(jìn)站調(diào)壓閥是全開(kāi)的，因中間站進(jìn)站無(wú)法調(diào)壓，前半段管線翻越點(diǎn)后原油流動(dòng)很容易在管道內(nèi)產(chǎn)生不滿(mǎn)流的現(xiàn)象，使得翻越點(diǎn)后管段長(zhǎng)期遭受輕度水擊振蕩的破壞，造成管道的老化和腐蝕，成為一個(gè)不可忽視的安全隱患。建議對(duì)全越站流程進(jìn)行系統(tǒng)的水力計(jì)算、熱力計(jì)算，從而確定安全運(yùn)行工藝參數(shù)的控制范圍，并嚴(yán)格執(zhí)行，將水擊造成的負(fù)面影響降到最低。

（3）當(dāng)首站來(lái)油與儲(chǔ)罐來(lái)油混輸時(shí)，由于儲(chǔ)罐來(lái)油已經(jīng)加壓加熱，與首站來(lái)油壓力、排量不一致，容易導(dǎo)致管線超壓、高低壓泄放閥誤動(dòng)作的危險(xiǎn)?？刂拼胧罕M量保證首站出站排量穩(wěn)定，中間站出站最好不要與儲(chǔ)罐來(lái)油混輸，避免水擊波的產(chǎn)生[2]。

1.3 水擊事故工況仿真模擬分析

本節(jié)內(nèi)容利用管網(wǎng)仿真軟件，對(duì)靖惠輸油管道全越站輸送時(shí)中間站進(jìn)站閥門(mén)因信號(hào)錯(cuò)誤或故障而突然關(guān)閉的異常事故工況進(jìn)行模擬，以全越站首站-中間站管段為研究對(duì)象，預(yù)測(cè)在最大輸量的極端工況下，管道水擊事故發(fā)生的嚴(yán)重程度，校核該段管道對(duì)于水擊的承受能力，為靖惠輸油管道密閉輸送水擊保護(hù)措施的改進(jìn)提供依據(jù)。

1.3.1 穩(wěn)態(tài)模型建立 根據(jù)模擬結(jié)果在輸量403 m3/h，出站壓力3.65 MPa 下，沿線壓力在高程最低點(diǎn)“溝底”（43 km，1 370 m），達(dá)到5.15 MPa 的高壓，處于管線安全壓力范圍內(nèi)；壓力最低點(diǎn)在中間站進(jìn)站處，1.79 MPa。全線正常運(yùn)行，流量波動(dòng)穩(wěn)定。模型基本符合實(shí)際情況。

1.3.2 關(guān)閥水擊事故工況動(dòng)態(tài)仿真模擬

1.3.2.1 中間站進(jìn)站閥突然關(guān)閉，首站停泵事故工況由模擬結(jié)果可知，整個(gè)水擊過(guò)程持續(xù)時(shí)間約16 min，由中間站關(guān)閥至首站水擊增壓波傳播時(shí)間約為110 s，傳播速度約為1.03 km/s。各點(diǎn)壓力變化均呈水擊規(guī)律上下波動(dòng)。沿線最大壓力點(diǎn)（溝底）的變化較為平緩，最大壓力5.15 MPa，可觀察到所有節(jié)點(diǎn)壓力變化均在管道安全壓力范圍內(nèi)，無(wú)超壓狀況出現(xiàn)。

1.3.2.2 中間站進(jìn)站閥突然關(guān)閉，首站不停泵事故工況由模擬結(jié)果可知，整個(gè)水擊過(guò)程持續(xù)時(shí)間約26 min，因首站外輸泵加壓，與中間站關(guān)閥傳來(lái)的增壓波相對(duì)，起到抑制增壓波的傳播作用，故而增壓波傳播時(shí)間與停泵工況模型相比長(zhǎng)一些，約為230 s，傳播速度約為0.49 km/s。沿線最大壓力點(diǎn)（溝底）的壓力隨水擊振蕩和首站出站的加壓不斷上升，最大壓力6.8 MPa，超出設(shè)計(jì)壓力，有破管危險(xiǎn)。

1.3.3 動(dòng)態(tài)仿真模擬結(jié)論 模擬結(jié)果充分表明，在60 s關(guān)閥且正常停泵的事故工況下，發(fā)生的水擊現(xiàn)象對(duì)管道影響不大，未出現(xiàn)超壓現(xiàn)象；而在60 s 關(guān)閥不停泵的事故工況下，發(fā)現(xiàn)由于低點(diǎn)原因，“溝底”、1#閥室、2#閥室出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，有管線破裂危險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)生異常關(guān)閥水擊事故時(shí)，必須立刻停泵，同時(shí)由于水擊對(duì)管道流量流速變化的敏感性，對(duì)于管道重要閥門(mén)的關(guān)閥時(shí)間，要盡可能設(shè)置的長(zhǎng)一點(diǎn)。所以說(shuō)，當(dāng)水擊發(fā)生時(shí)，對(duì)于水擊的控制和保護(hù)一定要及時(shí)，高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)和完善的水擊保護(hù)措施非常重要。

2 水擊保護(hù)措施及建議

2.1 水擊超前保護(hù)

水擊超前保護(hù)的機(jī)理是利用中央控制系統(tǒng)提前設(shè)定好的程序，對(duì)管道工藝參數(shù)進(jìn)行分析，檢測(cè)到水擊現(xiàn)象的發(fā)生，在水擊波到來(lái)之前，對(duì)其予以遏制。根據(jù)上文的水擊模擬結(jié)果，水擊波在靖惠輸油管道中的傳播速度大致在1 km/s，三座輸油站間距均在113 km 左右，這意味著在該管道上實(shí)現(xiàn)水擊超前保護(hù)要在110 s 內(nèi)完成。根據(jù)水擊發(fā)生的原因，建議靖惠輸油管道水擊超前保護(hù)指令應(yīng)在以下條件下觸發(fā)：（1）各站進(jìn)出站閥門(mén)故障關(guān)閉開(kāi)度持續(xù)減?。唬?）干線閥室截?cái)嚅y前后壓差超過(guò)規(guī)定范圍；（3）各站進(jìn)出站壓力達(dá)到或超過(guò)管道設(shè)計(jì)的安全壓力；（4）首站外輸泵動(dòng)力中斷突然停運(yùn)。

2.2 壓力安全聯(lián)鎖保護(hù)

靖惠輸油管道SCADA 系統(tǒng)里設(shè)定了全線水擊聯(lián)鎖及泄放保護(hù)、站內(nèi)輸油泵啟停、儲(chǔ)罐高低液位故障等聯(lián)鎖內(nèi)容，并出臺(tái)了聯(lián)鎖管理制度。目前聯(lián)鎖報(bào)警和控制措施觸發(fā)正常，能一定程度上對(duì)站內(nèi)設(shè)備、管段水擊現(xiàn)象的發(fā)生做出保護(hù)。但水擊保護(hù)方案未設(shè)置截?cái)嚅y關(guān)閉工況的聯(lián)鎖保護(hù)，需要進(jìn)一步完善。

2.3 全線緊急停車(chē)系統(tǒng)（ESD 系統(tǒng)）

全線緊急停車(chē)系統(tǒng)（ESD 系統(tǒng)）一般裝設(shè)于各場(chǎng)站的控制系統(tǒng)之中，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)設(shè)備、ESD 閥門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直接干預(yù)。在發(fā)生場(chǎng)站火災(zāi)、管線破裂、原油泄漏、劇烈水擊等危急情況時(shí)，ESD 系統(tǒng)啟動(dòng)，控制全線緊急停車(chē)，達(dá)到安全保護(hù)的目的。ESD 系統(tǒng)是水擊保護(hù)的最后一道防線，當(dāng)超前保護(hù)、泄壓保護(hù)均無(wú)法對(duì)水擊產(chǎn)生有效的抑制時(shí)，ESD 系統(tǒng)會(huì)對(duì)全線執(zhí)行緊急停車(chē)的操作[3，4]。對(duì)于密閉輸送管道，ESD 的裝設(shè)很有必要。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際工作中，應(yīng)該對(duì)水擊的發(fā)生時(shí)刻保持警惕，生產(chǎn)運(yùn)行中必須控制排量壓力處在規(guī)定范圍，設(shè)備啟停時(shí)要嚴(yán)格按操作規(guī)程執(zhí)行，將水擊發(fā)生的源頭徹底切斷，再結(jié)合技術(shù)性的保護(hù)措施，達(dá)到萬(wàn)無(wú)一失的平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)管道高質(zhì)量安全輸送。