摘 要 本文對(duì)長(zhǎng)慶油田吳西線原油長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目中可能出現(xiàn)水擊的原因進(jìn)行了分析，并闡述了水擊可能造成的危害，著重的解釋了原油長(zhǎng)輸管道水擊防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞 原油；水擊；自動(dòng)控制；泄放閥

中圖分類號(hào) TQ055 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)062-0164-02

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

長(zhǎng)慶油田吳西線原油長(zhǎng)輸管道，起點(diǎn)吳起縣，終點(diǎn)西峰市，全線長(zhǎng)188公里，共有4座輸油站場(chǎng)，均在原有管線輸油站場(chǎng)中擴(kuò)建，以便于管理。依次是PS1（首站）、PS2（中間站1）、PS3（中間站2）、PS4（末站）。PS1至PS2管線管徑為Φ273，長(zhǎng)度78公里，設(shè)計(jì)最大輸量為200 m3/h，設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa，PS2至PS4管線管徑為Φ377，長(zhǎng)度110公里，設(shè)計(jì)最大輸量為，400 m3/h，設(shè)計(jì)壓力為8 MPa。長(zhǎng)慶油田吳西線原油管道所有泵站泵機(jī)組的連接形式為并聯(lián)，輸油泵為離心泵。

2 水擊的產(chǎn)生

2.1 水擊的定義

原油在管線中流動(dòng)時(shí)，液體斷面上各點(diǎn)流速和壓強(qiáng)保持一定，不隨時(shí)間變化的叫穩(wěn)定流，反之叫不穩(wěn)定流。在實(shí)際的輸油過程中各點(diǎn)流速和壓強(qiáng)不隨時(shí)間變化的較少，如果在一般情況下變化很小，可以基本上認(rèn)為是在穩(wěn)定狀態(tài)的。當(dāng)輸油的穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞，壓力發(fā)生順便時(shí)，流速和壓強(qiáng)發(fā)生極具變化，叫做

水擊。

2.2 水擊產(chǎn)生的主要原因

2.2.1 有計(jì)劃的調(diào)整管道的輸量

全線輸量將由380 m3/h逐步增長(zhǎng)到500 m3/h，當(dāng)輸量突然提升泵的排量時(shí)，管線的流量也突然增加，就會(huì)從PS1主泵的出口開始產(chǎn)生增壓波，并向PS2傳遞，油品進(jìn)入PS2主泵，從PS2主泵的出口增壓波得到加強(qiáng)，并向下游傳遞。同樣當(dāng)需要減少管線的輸量時(shí)，就會(huì)從PS1主泵的出口開始產(chǎn)生減壓波，并向下游傳遞。

當(dāng)改變某一站閥門的閥門開度時(shí)，會(huì)造成全線的壓力波動(dòng)。如減小PS4的進(jìn)站閥門的開度，就會(huì)從閥門處產(chǎn)生一個(gè)減壓波，并下游傳遞，從閥門處產(chǎn)生一個(gè)增壓波，并上游傳遞。在某中間輸油站的啟動(dòng)和停輸時(shí)，產(chǎn)生水擊。泵站泵機(jī)組的連接形式為并聯(lián)，配置為兩用一備，當(dāng)兩臺(tái)泵中的一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，需要開啟備用泵，并關(guān)閉運(yùn)行的故障泵，在泵機(jī)組的切換過程中會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)。

2.2.2 管道的某些操作程序

首末站的倒換油罐，輸送過程中會(huì)產(chǎn)生水擊。全線的首站PS1和末站PS4設(shè)有幾具儲(chǔ)罐，所以，在PS1的一個(gè)油罐的油快輸完時(shí)，要倒到另一個(gè)罐輸油，可能產(chǎn)生水擊。同理，在PS2收油時(shí)，一個(gè)罐快滿時(shí)，要將原油切入另一個(gè)儲(chǔ)罐，可能產(chǎn)生水擊。在PS1和PS2輸送過程中的儲(chǔ)罐切換時(shí)，要在匯管處切換，開啟另一儲(chǔ)罐匯管處閥門，關(guān)閉前一儲(chǔ)罐的匯管閥門。在匯管切換時(shí)，可能產(chǎn)生水擊。

2.2.3 管道操作過程的事故狀態(tài)

泵機(jī)組出現(xiàn)機(jī)械故障，泵機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)作用使泵機(jī)組停車，一些程序的誤操作使閥門誤操作，中間泵站的突然停電，還有管道發(fā)生泄露和管道破裂等都會(huì)使管道產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)。

3 水擊的危害

3.1 水擊可能發(fā)生超壓

水擊增壓波造成管道超壓引起強(qiáng)度破壞。當(dāng)管道產(chǎn)生水擊時(shí)，水擊波會(huì)以1000 m/s的速度沿管道傳播。水擊波增加的的壓力疊加在管道穩(wěn)定剩余壓力上，構(gòu)成液體壓強(qiáng)。當(dāng)疊加后的液體壓強(qiáng)超過管道的最大允許工作壓力，就有可能引起強(qiáng)度破壞。水擊增壓波沿管道傳播過程中，凡是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)動(dòng)水壓力接近管道臨界承壓能力的位置，有可能造成管道超壓，造成強(qiáng)度破壞。

3.2 水擊可能發(fā)生液柱分離的危害

水擊減壓波使管內(nèi)壓力降低至真空壓力，使管道失穩(wěn)產(chǎn)生變形，或分離后的液柱相遇產(chǎn)生的高壓力造成強(qiáng)度破壞。全線的最高點(diǎn)在PS2與PS4之間，此處也是全線的翻越點(diǎn)，在出現(xiàn)水擊時(shí)，此處可能出現(xiàn)液柱分離現(xiàn)象。

3.3 水擊使中間泵站的泵產(chǎn)生氣蝕

減壓波傳遞到下游泵站時(shí)，會(huì)使下游泵站吸入端壓力下降，影響下游泵機(jī)組工作。

4 水擊防護(hù)措施

4.1 自動(dòng)控制

對(duì)于密閉輸送的管道，壓力調(diào)節(jié)和和水擊控制是保證輸油主泵正常工作和管道安全運(yùn)行必不可少的措施。在吳西線項(xiàng)目中在每個(gè)泵站出站都設(shè)有調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)水擊過程中管道系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)，防止進(jìn)站壓力過低和出站壓力過高。在中間下載站進(jìn)站、分輸管線、末站進(jìn)站處也設(shè)有調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)進(jìn)站或分輸壓力。一旦管道發(fā)生水擊時(shí)，通過提前改變出站的壓力設(shè)定值，起到控制水擊的作用。泵站出站的調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)方式有兩種：節(jié)流調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。中間下載站進(jìn)站及末站進(jìn)站調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)方式為節(jié)流調(diào)節(jié)。

在每個(gè)泵站設(shè)有3個(gè)壓力控制器，分別設(shè)置在進(jìn)站、主泵出口、出站位置。泵出口壓力控制器通過調(diào)節(jié)液力耦合器來控制泵的轉(zhuǎn)速，起到調(diào)節(jié)壓力的作用。出站壓力控制器通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，起到調(diào)節(jié)壓力的作用。泵出口壓力控制器的設(shè)定壓力要低于出站壓力控制器的設(shè)定壓力。在正常操作條件下，出站調(diào)節(jié)閥是全開狀態(tài)的，因?yàn)楸贸隹诘膲毫κ堑陀诔稣緣毫刂破鞯脑O(shè)定壓力，并且進(jìn)站壓力是高于進(jìn)站壓力控制器的設(shè)定壓力。

當(dāng)管道發(fā)生劇烈擾動(dòng)時(shí)，壓力超過了控制器的設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將通過減小調(diào)節(jié)閥的開度來降低出站壓力。當(dāng)進(jìn)站壓力超過進(jìn)站壓力控制器的設(shè)定值時(shí)，進(jìn)站壓力控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)正作用信號(hào)，傳遞到低值選擇器；當(dāng)出站壓力超過出站壓力控制器的設(shè)定值時(shí)，出站壓力控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)反作用信號(hào)，傳遞到低值選擇器。低值選擇器選擇一個(gè)低值在確定調(diào)節(jié)閥的開度。

當(dāng)出泵壓力超高時(shí)，泵出口壓力控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)反作用信號(hào)，傳遞到低值選擇器，就會(huì)通過調(diào)節(jié)液力耦合器，來降低主泵的轉(zhuǎn)速。如果壓力依舊升高，出站壓力控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)反作用信號(hào)傳遞到低值選擇器，最終通過使降低閥門的開度來調(diào)節(jié)壓力。泵出口壓力控制器的設(shè)定壓力要低于出站壓力控制器的設(shè)定壓力。在壓力超高時(shí)，首先作用的是對(duì)主泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在效果不明顯時(shí)再通過減小閥門的開度來調(diào)節(jié)壓力。這樣可以避免使用調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)壓力，減少能量的浪費(fèi)。

4.2 設(shè)置水擊泄放閥

水擊泄放是當(dāng)管道系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，把部分液體泄放到常壓罐中去。

水擊泄放閥可分為先導(dǎo)式和氮?dú)馐絻煞N。先導(dǎo)式的特點(diǎn)是：完全自力，價(jià)格較低，響應(yīng)速度相對(duì)慢，壓力調(diào)節(jié)適應(yīng)能力有限。適合用于比較潔凈的介質(zhì)，而不適合用于比較臟的介質(zhì)，一般只用于成品油上。氮?dú)馐降奶攸c(diǎn)是：對(duì)介質(zhì)沒有限制，適合比較臟和粘稠的液體，相應(yīng)時(shí)間快，只要最大泄放量和壓力等級(jí)滿足，泄放壓力現(xiàn)場(chǎng)可以靈活調(diào)節(jié)。

原油介質(zhì)一般采用氮?dú)馐?，吳西線原油管道的四個(gè)站場(chǎng)各設(shè)置一套氮?dú)馐剿畵粜狗砰y。氮?dú)馐剿畵粜狗砰y的CV值較高，是普通安全閥的1-2倍，保證運(yùn)行平穩(wěn)。氮?dú)馐剿畵粜狗砰y由泄放閥體、氮?dú)饩彌_瓶、氮?dú)饪刂乒窠M成。氮?dú)饩彌_瓶一般埋地設(shè)置，以減少環(huán)境溫度對(duì)設(shè)定值的影響。氮?dú)饪刂乒袷怯脕砜刂频獨(dú)庋a(bǔ)氣、排氣，設(shè)有氣源低壓報(bào)警，和調(diào)壓后高、低壓報(bào)警。

泄放閥工作原理：在閥體內(nèi)有一個(gè)氮?dú)馇?，腔體中充滿氮?dú)猓惑w一端固定，另一端是可以沿軸向運(yùn)動(dòng)的錐形閥芯。腔體內(nèi)的氮?dú)獾膲毫褪情y門的設(shè)定值，當(dāng)管線發(fā)生劇烈的水擊時(shí)，管線內(nèi)的壓力升高并超過水擊泄放閥的設(shè)定值時(shí)，油品將會(huì)壓縮氮?dú)馇?，錐形閥芯向閥芯內(nèi)移動(dòng)，泄放閥處于開啟狀態(tài)。油品就會(huì)從錐形閥芯的四周流入閥后的泄壓管線進(jìn)入泄放罐，管線的壓力會(huì)被迅速的泄放下來。當(dāng)壓力泄放到小于氮?dú)獾膲毫r(shí)，閥門將關(guān)閉，泄放結(jié)束。

閥體內(nèi)的氮?dú)庥煽刂乒駜?nèi)的氮?dú)馄刻峁?，通過導(dǎo)氣管和調(diào)壓器與閥體聯(lián)通，調(diào)壓器用來調(diào)節(jié)閥體內(nèi)氮?dú)獠▌?dòng)，使其壓力恒定。調(diào)壓器有呼吸作用，在白天將閥體內(nèi)膨脹的氮?dú)夥趴?，晚上向閥體內(nèi)補(bǔ)氣。氮?dú)庠诤粑饔弥杏袚p耗，氮?dú)馄恳ㄆ诔涞獨(dú)狻Ａ硗庑狗砰y還設(shè)置了一個(gè)埋地的溫差平抑氮?dú)馄?，用了減少溫度對(duì)閥設(shè)定值的影響。

4.3 回流保護(hù)

吳西原油管道工程在每個(gè)泵站主泵的進(jìn)出口之間設(shè)置了回流線，可以用于進(jìn)站壓力超低限的保護(hù)，回流線可以調(diào)整進(jìn)站壓力，維持離心泵正常工作。

4.4 超前保護(hù)

建立在高度自動(dòng)化基礎(chǔ)上保護(hù)技術(shù)，運(yùn)用SCADA系統(tǒng)。在某泵站突然停電、發(fā)生水擊時(shí)，通過通信系統(tǒng)迅速向所有泵站發(fā)出信號(hào)，按預(yù)先進(jìn)行水擊模擬分析的結(jié)果而編制的水擊控制程序，提前降低出站壓力設(shè)定值或者停泵的方式，防止管道出現(xiàn)超壓或液柱分離，危機(jī)管道和設(shè)備的安全。

5 結(jié)束語

在吳西線項(xiàng)目中主要通過自動(dòng)控制、設(shè)置水擊泄放閥、設(shè)置主泵回流線、SCADA系統(tǒng)超前保護(hù)，來預(yù)防水擊產(chǎn)生并控制水擊對(duì)管線及設(shè)備的破壞。

參考文獻(xiàn)

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[2]楊筱蘅，張國(guó)忠編.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[J].石油工業(yè)出版社，1996.

[3]原油長(zhǎng)輸管道工程設(shè)計(jì)[J].石油大學(xué)出版社.

作者簡(jiǎn)介

趙云磊，29歲，男，漢族，山東聊城人，黨員，2007年7月畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在甘肅省西峰市長(zhǎng)慶油田第二輸油處工作。