何 化 曹 亮 張永紅

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司, 四川 成都 610041

重力帶壓長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)瞬態(tài)分析

何 化 曹 亮 張永紅

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司, 四川 成都 610041

在地形條件允許的情況下，設(shè)計(jì)了1條長(zhǎng)70 km，最大高差210 m的重力帶壓長(zhǎng)距離輸水管道，該輸水管道起端高于末端，無泵等動(dòng)力源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa。為解決工程中無動(dòng)力輸水系統(tǒng)的可靠性問題，使用KYPIPE模擬分析了極端工況，發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)末端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了大幅升壓，達(dá)355.34 m水柱(1 m水柱=9.8 kPa)，而最大負(fù)壓出現(xiàn)在系統(tǒng)起端，達(dá)到了-10 m的水汽化壓力。在末端設(shè)置了水擊泄壓閥，沿線安裝31臺(tái)空氣閥來保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)施后系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

長(zhǎng)距離輸水；瞬態(tài)分析；水錘防護(hù)

0 前言

石油天然氣工程中長(zhǎng)距離輸水較為普遍,對(duì)輸水管道進(jìn)行流體瞬態(tài)影響分析多集中在以泵為動(dòng)力系統(tǒng)的工況,而無人工動(dòng)力,僅利用高差長(zhǎng)距離輸水的工況分析較少。流體瞬態(tài)影響分析在設(shè)計(jì)中至關(guān)重要,是工程建成后安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)也具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

流體瞬態(tài)影響分析，以彈性水柱理論、動(dòng)量及質(zhì)量守恒定律為理論基礎(chǔ),主要采用特征線法數(shù)值模擬對(duì)停泵水錘、開關(guān)閥水錘及斷流彌合水錘進(jìn)行計(jì)算分析[1-5]。

流體瞬態(tài)即水錘發(fā)生時(shí),分為正壓水錘和負(fù)壓水錘,是定邊界條件下的非穩(wěn)定流動(dòng),具有波動(dòng)時(shí)間短暫,能量轉(zhuǎn)換復(fù)雜及危害巨大等特點(diǎn),正壓力超過設(shè)計(jì)值的1.5倍時(shí)即設(shè)定為爆管警戒壓力[6]。

近年來采用拉格朗日波特征法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算求解[7-8],作為PIPE 2008水力模擬分析軟件的基礎(chǔ)計(jì)算方法,在工程中已經(jīng)得到成功應(yīng)用，并獲得美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)的認(rèn)證。

國(guó)內(nèi)主要采用有限元法對(duì)水流變形時(shí)的水錘進(jìn)行升壓分析和三維模擬,以及特征線法為基礎(chǔ)的QBasic水錘數(shù)值模擬程序[9-11]。

水錘的防護(hù)主要針對(duì)不同原因產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，采取抑制或釋放措施，主要利用空氣閥系統(tǒng)、水力控制閥及壓力罐等設(shè)備，通過特征線法對(duì)擬采取的措施進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證[12-14]，以達(dá)到預(yù)期效果。

在我國(guó)西南地區(qū)某石化煉化工程外排水管道項(xiàng)目中,實(shí)施了1條最大高差210.3 m,長(zhǎng)70 km,設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa的重力帶壓長(zhǎng)距離輸水管道。該管線系統(tǒng)無泵等動(dòng)力源,起端高于末端?；赑IPE 2008水力模擬分析軟件瞬態(tài)計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì),已安全穩(wěn)定運(yùn)行3年多。

1 系統(tǒng)建模

1.1 建?；A(chǔ)條件

本工程管路瞬態(tài)模型建立滿足:管道內(nèi)長(zhǎng)期保持滿管狀態(tài)，管路系統(tǒng)無任何動(dòng)力源，瞬態(tài)分析只考慮閥門啟閉瞬間失效，閥門動(dòng)作前系統(tǒng)均處于穩(wěn)態(tài)工況。

1.2 模型建立

1.2.1 模型參數(shù)

本工程廠外排水管線起末點(diǎn)高差210.3 m,利用起末點(diǎn)地勢(shì)高差產(chǎn)生的勢(shì)能輸送污水,在管線起點(diǎn)和中途均不設(shè)加壓設(shè)施。上游污水處理廠排出的達(dá)標(biāo)污水量正常情況下431.4 m3/h,最高日平均流量約2 000 m3/h,穩(wěn)態(tài)計(jì)算后,以1 000 m3/h作為正常輸送工況的運(yùn)行方式。

由于采用碳鋼管內(nèi)涂層防腐,海曾威廉斯公式管道內(nèi)壁摩阻系數(shù)C值取130。管徑為Φ 813 mm×7.1 mm,水錘波速為1 018 m/s。

1.2.2 主要控制節(jié)點(diǎn)

為便于分析,線路中各控制點(diǎn)均設(shè)置編號(hào)。

AV-1為上游水池出口保護(hù)閥；

AV-2為下游水庫入口調(diào)流調(diào)壓閥；

N-258為系統(tǒng)最不利點(diǎn)。

2 穩(wěn)態(tài)工況

穩(wěn)態(tài)正常工況下,末端閥門開啟、關(guān)閉,采用防止超壓和負(fù)壓發(fā)生的開關(guān)閥時(shí)間為勻速60 s。

在上述條件下,系統(tǒng)可安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 極端工況下水錘分析及防護(hù)

3.1 末端閥突然失效關(guān)閉

當(dāng)輸水系統(tǒng)在最高日平均流量2 000 m3/h正常運(yùn)行時(shí),下游閥門AV-2突然失效,1 s內(nèi)完全關(guān)閉,此時(shí)在AV-2進(jìn)口端出現(xiàn)壓力驟升,AV-2在1 s內(nèi)關(guān)閉系統(tǒng)水擊包絡(luò)線見圖1。

圖1 AV-2在1 s內(nèi)關(guān)閉系統(tǒng)水擊包絡(luò)線

節(jié)點(diǎn)N-258(里程70 580.9 m,高程444.1 m)和閥門AV-2進(jìn)口端壓力變化曲線見圖2～3。

圖2 AV-2在1 s內(nèi)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)N-258壓力變化曲線

圖3 AV-2在1 s內(nèi)關(guān)閉進(jìn)口端壓力變化曲線

從圖2～3可以看到，在整個(gè)輸水系統(tǒng)末端節(jié)點(diǎn)N-258和閥門AV-2進(jìn)口端出現(xiàn)了大幅升壓,分別達(dá)355.34 m水柱和341.51 m水柱,已經(jīng)接近輸水系統(tǒng)爆管閥值375 m水柱。

這對(duì)輸水系統(tǒng)安全造成很大威脅,所以在節(jié)點(diǎn)N-258處安裝水擊泄壓閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),在安裝水擊泄壓閥后,AV-2再次在1 s內(nèi)關(guān)閉時(shí),系統(tǒng)水擊包絡(luò)線見圖4。

圖4 AV-1始終開啟安裝水擊泄壓閥后AV-2在1 s內(nèi)關(guān)閉系統(tǒng)水擊包絡(luò)線

節(jié)點(diǎn)N-258和閥門AV-2進(jìn)口端壓力變化曲線見圖5～6。

圖5 AV-1始終開啟安裝水擊泄壓閥后AV-2在1 s內(nèi)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)N-258壓力變化線

圖6 AV-1始終開啟安裝水擊泄壓閥后AV-2在1 s內(nèi)關(guān)閉AV-2進(jìn)口端壓力變化線

從圖5～6可以看到，整個(gè)輸水系統(tǒng)最大壓力點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)N-258-SDO和閥門AV-2進(jìn)口端,壓力分別為230.00 m水柱和230.02 m水柱。這僅高于輸水系統(tǒng)起點(diǎn)至終點(diǎn)高差20 m水柱,遠(yuǎn)低于爆管壓力,說明安裝水擊泄壓閥后系統(tǒng)在該極端工況下是安全的。

3.2 末端閥突然失效開啟

輸水系統(tǒng)管路內(nèi)充滿水,上游關(guān)閉停運(yùn),下游閥門AV-2突然失效,1 s內(nèi)完全開啟,而上游進(jìn)水閥門AV-1仍然關(guān)閉,此時(shí)在AV-1出口及后續(xù)共30個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓,其中有25個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓達(dá)到-10 m水柱,出現(xiàn)汽化,AV-1始終關(guān)閉AV-2在1 s內(nèi)開啟系統(tǒng)壓力包絡(luò)線見圖7。

圖7 AV-1始終關(guān)閉AV-2在1 s內(nèi)開啟系統(tǒng)壓力包絡(luò)線

閥門AV-1進(jìn)口端及典型節(jié)點(diǎn)N-11(里程3 845.2 m,高程622.9 m)、N-15(里程4 947.3 m,高程612.6 m)、N-18(里程5 512.1 m,高程607.7 m)和N-23(里程5 943.8 m,高程603.6 m)壓力變化曲線見圖8～9。

圖8 AV-1始終關(guān)閉AV-2在1 s內(nèi)開啟AV-1壓力變化曲線

圖9 AV-1始終關(guān)閉AV-2在1 s內(nèi)開啟節(jié)點(diǎn)N-11、N-15、N-18和N-23壓力變化曲線

從圖8～9可以看到，整個(gè)系統(tǒng)在閥門AV-1出口端及節(jié)點(diǎn)N-11、N-15、N-18和N-23出現(xiàn)大幅降壓,最低降至-10.0 m水柱,整個(gè)過程壓力起伏大,低壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣蝕。這對(duì)輸水系統(tǒng)安全造成很大威脅,所以在沿線負(fù)壓節(jié)點(diǎn)附近安裝空氣閥。

各閥門安裝后,AV-1仍然關(guān)閉,AV-2再次在1 s內(nèi)開啟時(shí),系統(tǒng)壓力包絡(luò)線見圖10。

圖10 安裝空氣閥后AV-1始終關(guān)閉AV-2在1 s內(nèi)開啟系統(tǒng)壓力包絡(luò)線

閥門AV-1出口端及節(jié)點(diǎn)N-11、N-15、N-18和N-23壓力變化曲線見圖11～12。

圖11 安裝空氣閥后AV-1始終關(guān)閉AV-2在1 s內(nèi)開啟AV-1出口端壓力變化曲線

圖12 安裝空氣閥后AV-1始終關(guān)閉AV-2在1 s內(nèi)開啟節(jié)點(diǎn)N-11、N-15、N-18和N-23壓力變化曲線

從圖10～11可以看到，AV-1出口端最低壓力為 -0.87 m 水柱,而節(jié)點(diǎn)N-11、N-15、N-18和N-23最低壓力分別為-2.07、-0.83、-1.44、-2.39 m水柱,這些負(fù)壓力高于液體汽化壓力(-9 m水柱)，不會(huì)發(fā)生液體氣化,說明安裝空氣閥后輸水系統(tǒng)在該極端工況下也是安全的。

3.3 水錘防護(hù)措施

為了防止極端工況發(fā)生時(shí)對(duì)輸水管路系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞,需要在閥門AV-1后各負(fù)壓節(jié)點(diǎn)處設(shè)置空氣閥共計(jì)31臺(tái),以防止極端工況時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重負(fù)壓；在節(jié)點(diǎn)N-258處需設(shè)置水擊泄壓閥1臺(tái),以防止極端工況時(shí),系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重升壓,造成爆管。

4 結(jié)論

在長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)中,根據(jù)地形特點(diǎn)通過調(diào)整系統(tǒng)靜設(shè)備的設(shè)置位置和形式,采用無動(dòng)力長(zhǎng)距離重力帶壓輸送方式,分別對(duì)最佳運(yùn)行工況、上游最不利工況和極端工況進(jìn)行模擬分析,分別找出最合理的運(yùn)行條件,通過瞬態(tài)模擬,得到長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)合理設(shè)置水錘防護(hù)措施后,長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)可以考慮采用無動(dòng)力輸送方式,從而可大量節(jié)省工程的一次性投資費(fèi)用。

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10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.003

2016-05-13

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)工程資助項(xiàng)目(Z 2009-6 E)

何 化(1979-),男,重慶人，工程師,碩士,主要從事水處理、輸送及消防等設(shè)計(jì)研究的工作。