劉洪明，杜明俊，李惠杰，郝澤才，楊 威，王 建

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司, 河北 任丘 062552； 2. 華北油田公司基建工程部, 河北 任丘 062552）

在成品油庫(kù)發(fā)油系統(tǒng)中，閥門(mén)的突然啟閉會(huì)導(dǎo)致管道中流體的流速瞬時(shí)加劇，形成水擊。實(shí)驗(yàn)研究表明[1]，管道發(fā)生水力瞬變所引起的壓力升降具有較高的頻率，且該壓力變化幅值可達(dá)到正常管壓的幾倍、幾十倍甚至上百倍[2]。管內(nèi)壓力的大幅波動(dòng)易引起管道強(qiáng)振，造成局部管段液柱分離、儀表失效等破壞，有時(shí)甚至引發(fā)爆管泄漏等重大事故[3]。因此，對(duì)于工程設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō)，模擬水擊工況，制定合理有效的防護(hù)措施，將水擊壓力控制在正常范圍內(nèi)，對(duì)后期運(yùn)行來(lái)說(shuō)具有重要的實(shí)際意義。

大量計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：水擊過(guò)程對(duì)閥門(mén)的調(diào)節(jié)規(guī)律、摩阻損失、機(jī)泵特性、水擊波速等因素的變化十分敏感[4]。其中，調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)水擊的影響最為顯著[5]。因此，合理設(shè)定閥門(mén)的調(diào)節(jié)范圍，可有效防止水擊破壞。以某成品油庫(kù)為例，利用SPS軟件建立了發(fā)油系統(tǒng)物理模型和邏輯控制關(guān)系，數(shù)值模擬了發(fā)油區(qū)火災(zāi)事故，氣動(dòng)閥緊急關(guān)斷時(shí)的水擊工況，重點(diǎn)分析了氣動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)間對(duì)發(fā)油系統(tǒng)水力瞬變的影響。所得成果可為預(yù)防水擊破壞和優(yōu)化泄壓流程提供一定的理論指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 物理模型

某成品油庫(kù)汽車(chē)發(fā)油系統(tǒng)，采用1泵對(duì)3鶴位方式發(fā)油，變頻控制。泵額定流量300 m3/h，額定揚(yáng)程45 m，單鶴管發(fā)油量100 m3/h，氣動(dòng)閥安裝在發(fā)油島上。當(dāng)火災(zāi)事故時(shí)，氣動(dòng)閥關(guān)閉，同時(shí)連鎖停泵，防止溢油。這里以柴油發(fā)油為例，采用 SPS建立的物理模型見(jiàn)圖1。

圖1 汽車(chē)發(fā)油系統(tǒng)物理模型Fig.1 Automobile oil system physical model

1.2 數(shù)學(xué)模型

氣動(dòng)閥在突然關(guān)閉過(guò)程中，由于閥芯面積減小，流量降低，導(dǎo)致閥兩側(cè)壓力不斷變化。根據(jù)瞬變流動(dòng)理論，建立閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程的水擊控制方程如下：

連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中：V為流速，m/s；P為壓力，MPa；D管道內(nèi)徑，m；α管道與水平方向夾角。

1.3 氣動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)間

相關(guān)規(guī)范規(guī)定：汽車(chē)發(fā)油區(qū)設(shè)置氣動(dòng)閥的最初目的是為了防止罐車(chē)發(fā)生溢油事故，造成火災(zāi)；而正常工況下槽車(chē)防溢油探針到罐頂?shù)目臻g取決于槽車(chē)的容積大小，即氣動(dòng)閥允許關(guān)閉時(shí)間取決于槽車(chē)容積：根據(jù)規(guī)范提供的算法，得出不同容積槽車(chē)，正常作業(yè)時(shí)氣動(dòng)閥允許的最長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 氣動(dòng)閥允許關(guān)斷時(shí)間Table 1 Pneumatic valve allowable turn of ftime

由表1可知：在正常運(yùn)行過(guò)程中，氣動(dòng)閥允許的關(guān)斷時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)通常設(shè)定較短的關(guān)斷時(shí)間，目的是在事故狀態(tài)下，盡快切斷流程。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)定發(fā)油工況

圖2給出了3鶴管同時(shí)穩(wěn)定發(fā)油的水力計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算表明：該工藝設(shè)計(jì)方案，滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行要求。

圖2：0#柴油穩(wěn)定發(fā)油過(guò)程的水力坡降圖Fig.2 Hydraulic grade figure of 0 # diesel oil stable oil process

2.2 火災(zāi)事故工況

假設(shè)發(fā)油島（3鶴管同時(shí)發(fā)油）正在裝車(chē)作業(yè)時(shí)，突發(fā)火災(zāi)事故，氣動(dòng)閥關(guān)斷，同時(shí)連鎖停泵。氣動(dòng)閥關(guān)斷時(shí)間對(duì)管道系統(tǒng)的水擊壓力變化影響較大。這里討論氣動(dòng)閥3、10、15 s三種關(guān)斷時(shí)間下管道的水擊壓力變化情況。

圖3、4分別給出了氣動(dòng)閥3 s關(guān)斷，發(fā)油系統(tǒng)的水力變化過(guò)程圖。分析可知：在氣動(dòng)閥關(guān)死時(shí)刻，閥前產(chǎn)生最大瞬時(shí)壓頭，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，增壓波向上游傳遞，由圖4可以看出，SPS軟件記錄的管道各點(diǎn)的瞬時(shí)最大壓力均超過(guò)1.6 MPa（設(shè)計(jì)壓力），大部分管段壓力超過(guò)2.0 MPa。氣動(dòng)閥3 s關(guān)斷雖緊急切斷了流程，但其誘發(fā)的次生危害同樣影響著系統(tǒng)的安全性。

因此，氣動(dòng)閥3 s關(guān)斷不合理。

2.2.1 氣動(dòng)閥3 s關(guān)斷工況

圖3 閥門(mén)關(guān)死時(shí)刻的水擊壓頭變化Fig.3 Water hammer pressure head changes of Valve closing time

圖4 最大瞬時(shí)壓力及穩(wěn)定后壓力變化Fig.4 The maximum instantaneous pressure and pressure changes after stability

2.2.2 氣動(dòng)閥10 s關(guān)斷工況

圖5、6分別給出了氣動(dòng)閥10 s關(guān)斷，發(fā)油系統(tǒng)的水力變化過(guò)程圖。分析可知：在氣動(dòng)閥關(guān)死時(shí)刻，閥前產(chǎn)生最大瞬時(shí)壓頭，且末端最大瞬時(shí)壓頭幾乎臨界于管道允許最大承壓；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，增壓波向上游傳遞，由圖6可以看出，SPS軟件記錄的管道各點(diǎn)瞬時(shí)最大壓力絕大部分均低于 1.6 MPa（設(shè)計(jì)壓力），只有增壓波傳至泵出口時(shí)，水擊壓力才略超出管道設(shè)計(jì)壓力，且超壓時(shí)間極短，以至于泄壓閥剛啟動(dòng)即關(guān)閉。根據(jù)1.6 MPa閥門(mén)、管件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),瞬時(shí)承受不超過(guò)2.0 MPa的壓力是沒(méi)問(wèn)題的，因此，氣動(dòng)閥10 s關(guān)斷可認(rèn)為是合理的。

圖5 閥門(mén)關(guān)死時(shí)刻的水擊壓頭變化Fig.5 Water hammer pressure head changes of Valve closing time

圖6 最大瞬時(shí)壓力及穩(wěn)定后壓力變化Fig.6 The maximum instantaneous pressure and pressure changes after stability

2.2.3 氣動(dòng)閥15 s關(guān)斷工況

圖7、8分別給出了氣動(dòng)閥15 s關(guān)斷，發(fā)油系統(tǒng)的水力變化過(guò)程圖。分析可知：也是在氣動(dòng)閥關(guān)死時(shí)刻，閥前產(chǎn)生最大瞬時(shí)壓頭，但最大瞬時(shí)壓頭未超過(guò)管道允許最大承壓；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，增壓波向上游傳遞，由圖8不難看出，SPS軟件記錄的管道各點(diǎn)的最大瞬時(shí)水擊壓力均低于1.6 MPa；結(jié)合上述2種分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)間相對(duì)越長(zhǎng)，產(chǎn)生的水擊壓力越小，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，流體不斷流出，事事故工況下也會(huì)增大危險(xiǎn)性，因此，本工程氣動(dòng)閥關(guān)斷時(shí)間在10～15 s時(shí)間較為合理。

圖7 閥門(mén)關(guān)死時(shí)刻的水擊壓頭變化Fig.7 Water hammer pressure head changes of Valve closing time

圖8 最大瞬時(shí)壓力及穩(wěn)定后壓力變化Fig.8 The maximum instantaneous pressure and pressure changes after stability

3 結(jié)論及建議

（1）氣動(dòng)閥關(guān)斷時(shí)間，不能只考慮盡快切斷發(fā)油流程，同時(shí)要分析快速關(guān)斷過(guò)程誘發(fā)的其它次生危害——如水擊等。

（2）閥門(mén)調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)水擊的影響最為顯著。合理設(shè)定氣動(dòng)閥的調(diào)節(jié)范圍,可有效防止水擊破壞。

（3）考慮事故工況需緊急切斷流程并防止次生水擊危害，對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)建議氣動(dòng)閥關(guān)斷時(shí)間在10～15 s為宜。

［1］杜明俊，商峰，熊新強(qiáng)等基于SPS的成品油管道水擊超前保護(hù)工分析[J].當(dāng)代化工 2013，42（10）；1388-1391.

［2］李樹(shù)慧.水擊方程的完善與計(jì)算方法[D].鄭州：鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006-05.

［3］熊輝.原油管道仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[D].東營(yíng)：中國(guó)石油（華東）大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010-05.

［4］宋生奎，宮敬，于達(dá).利用閥調(diào)節(jié)控制管道加油系統(tǒng)的水力壓力[J]油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26（3）,39-43.

［5］趙會(huì)軍，李俊玲，劉凱等.油庫(kù)發(fā)油系統(tǒng)水擊控制關(guān)斷方案[J]油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009,28（10）,22-25.