孫敬禮(中石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司運(yùn)銷處， 江蘇 徐州 221008)

水擊超前保護(hù)在日照-儀征原油管線上的應(yīng)用

孫敬禮(中石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司運(yùn)銷處， 江蘇 徐州 221008)

在密閉輸油管線上，由于某種原因?qū)е鹿芫€中原油流速急劇下降，管線壓力出現(xiàn)大幅的變化，形成水擊，嚴(yán)重威脅管道安全。要確保原油管線的安全運(yùn)行，輸油管線上必須要投用可靠的保護(hù)系統(tǒng)。

水擊；水擊超前保護(hù)；水擊超前保護(hù)應(yīng)用

日照-儀征原油管線(以下簡(jiǎn)稱日儀線)始于山東省日照市止于江蘇省儀征市，輸油管道全長(zhǎng)378公里，管道內(nèi)徑914毫米，設(shè)計(jì)輸油壓力8.5兆帕，管線初始設(shè)計(jì)日輸量3.6萬噸/天[1]。2011年10月日儀線順利投產(chǎn)，有效解決了南京和沿江地區(qū)各石化企業(yè)原油缺口和接卸運(yùn)輸難、供應(yīng)不穩(wěn)定的問題。作為沿江煉廠的生命線，2015年日儀線為沿江石化企業(yè)輸送原油超設(shè)計(jì)輸量20%。在日儀線輸油作業(yè)中，任何引起壓力管線中流速的變化，都會(huì)對(duì)壓力管線造成水擊。而流速的突然大幅下降引起的水擊對(duì)壓力管道造成的危險(xiǎn)性極大，極有可能造成輸油管線的損壞。水擊超前保護(hù)的應(yīng)用，不僅能夠可靠有效的避免水擊對(duì)輸油管線造成的危害，而且能夠避免因水擊造成設(shè)備故障或非計(jì)劃停輸給沿江煉廠帶來原油斷供風(fēng)險(xiǎn)。

1 水擊及其危害

水擊實(shí)際上是一種能量的轉(zhuǎn)化過程，即在液體減速的情況下由動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓能[2]，在液體加速的情況下由壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。在壓力管道中，由于某種原因?qū)е鹿芫€內(nèi)原油流速變化，引起的壓力波在管線內(nèi)迅速傳遞，同時(shí)可以聽到管線內(nèi)有沖擊管壁的聲音，這樣現(xiàn)象就叫水擊。

水擊形成的原因有很多種，如泵站突然停泵，干線閥門突然關(guān)閉或開關(guān)過快，輸油泵站突然停電等[2]。當(dāng)中間泵站由于某種原因全面停電時(shí)，該站的輸油泵突然停運(yùn)，但上站仍以常量給該站輸油，此時(shí)該站的進(jìn)站管線由于原油流速突然下降造成原油堆積將承受很大的壓力；而下站由于該站突然停泵，但由于慣性原因，原油仍以一定的速度向下站流動(dòng)，在流動(dòng)過程中由于原油輸量的減少，在某段管線中會(huì)形成真空，少量的液體會(huì)因此蒸發(fā)，液體蒸發(fā)集聚形成氣泡，當(dāng)氣泡相互碰撞破裂時(shí)，就形成高壓。

水擊嚴(yán)重時(shí)會(huì)使輸油管道出現(xiàn)爆裂事故。如前蘇聯(lián)奧木斯克-索庫爾輕油輸油管線，有一中間輸油站因電源故障，突然全部停泵，引起停電站至下站管線原油流速急劇下降，而上站按常量正常供油，停電站至上站管線承受壓力過高導(dǎo)致管線爆裂。在壓力管線中，尤其是“從泵到泵”的壓力管線中，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這一點(diǎn)，如不考慮這一點(diǎn)，將發(fā)生嚴(yán)重的后果，常導(dǎo)致原油管線爆裂事故。

2 水擊超前保護(hù)

水擊超前保護(hù)是指在壓力管線中發(fā)生水擊后，在壓力波沒有到達(dá)上下站之前，上下站采取相應(yīng)的措施，發(fā)出一個(gè)與迎面而來的壓力波相反的壓力波，以此來相互抵消[2]。水擊超前保護(hù)與泵站和管道連鎖保護(hù)有本質(zhì)的區(qū)別，泵站和管道聯(lián)鎖保護(hù)是在壓力波到達(dá)泵站后，達(dá)到該站保護(hù)值時(shí)，連鎖保護(hù)才作出相應(yīng)的反應(yīng)，如：輸油站進(jìn)出站管線高低壓泄壓閥、進(jìn)出站管線壓力調(diào)節(jié)閥等。水擊超前保護(hù)是否能夠?qū)崿F(xiàn)取決于以下幾個(gè)因素：

2.1站間距和水擊壓力波的傳播速度[2]

在日儀線上5座輸油站，站間距在70-90公里，水擊壓力波在原油管線內(nèi)傳輸速度大約是1km/s，這就意味著在日儀線上實(shí)現(xiàn)水擊超前保護(hù)要在70-90秒內(nèi)完成。

2.2 要有高水平自動(dòng)化系統(tǒng)和完善可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[2]

日儀線于2011年10月投產(chǎn)，此管線自動(dòng)化程度高，SCADA系統(tǒng)采用上海福克斯波羅PLC系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠。

2.3 要有可靠準(zhǔn)確的工況分析軟件和控制軟件

在“從泵到泵”密閉輸油管線中，輸油工況變化大且復(fù)雜，水擊產(chǎn)生的原因很多。在發(fā)生水擊時(shí)，壓力波能夠通過SCADA系統(tǒng)迅速傳遞至工況分析軟件和控制軟件，并按照之前模擬分析的結(jié)果編制的程序，全線各輸油站實(shí)施水擊超前保護(hù)[3]。

3 水擊超前保護(hù)的應(yīng)用

日儀線采用上海?？怂共_SCADA控制系統(tǒng)，通過調(diào)度控制中心進(jìn)行監(jiān)控[1]。沿線各站均采用PLC來完成對(duì)本站數(shù)據(jù)的采集、傳輸和控制，各站PLC及遠(yuǎn)控閥室RTU完好[3]，通訊暢通，相關(guān)壓力、閥門、泵的狀態(tài)顯示準(zhǔn)確，能夠真實(shí)反映出水擊源。當(dāng)輸油管道發(fā)生水擊時(shí)，日儀線SCADA系統(tǒng)根據(jù)沿線各站工藝參數(shù)，分析判斷出水擊源，同時(shí)調(diào)控中心水擊保護(hù)軟件向沿線所有泵站發(fā)出水擊控制信號(hào)，防止管線出現(xiàn)超壓和真空情況，確保管道和設(shè)備的安全。

3.1 日儀線原油輸送現(xiàn)狀

日儀線有5座泵站，其中日照油庫和淮安站分別有4臺(tái)美國福斯泵，東海站和觀音站是壓力越站流程，以下是日儀線工況運(yùn)行情況：

日照 淮安 輸量m3儀征進(jìn)站MPa兩大一小 兩大 3500 5.4 3.6 1.4 5.2 2.9 0.1兩大 一大一小 3000 4.7 3.0 1.1 4.0 2.1 0.1一大一小 一大 2700 3.8 3.8 1.3 3.4 2 0.1一大 一小 2200 3.1 2.1 1.2 2.3 1.3 0.1一大 全越站 1800 3.2 2.6 1.9 1.8 1.1 0.1日照出站MPa東海進(jìn)站MPa淮安進(jìn)站MPa淮安出站MPa觀音進(jìn)站MPa

3.2 控制軟件基本要求

如前所述，日儀線基本具備了水擊超前保護(hù)的三大條件，而水擊超前保護(hù)的實(shí)現(xiàn)所依賴的控制軟件，也需要具備以下基本要求：

(1)輸油泵非正常全部停運(yùn)的邏輯判斷條件：最后一臺(tái)運(yùn)行泵停止運(yùn)行，且有儀表聯(lián)鎖停泵報(bào)警信號(hào)或壓力開關(guān)動(dòng)作信號(hào)。

(2)水擊超前保護(hù)停泵應(yīng)執(zhí)行單泵急停程序，程序執(zhí)行時(shí)不受該泵(就地/遠(yuǎn)控)狀態(tài)、泵(進(jìn)/出)口閥(就地/遠(yuǎn)控)狀態(tài)、泵(進(jìn)/出)口閥非全開狀態(tài)的限制。

(3)由調(diào)控中心下發(fā)的水擊超前保護(hù)指令，應(yīng)確保每個(gè)站場(chǎng)無論處于站控或是中控狀態(tài)，都應(yīng)執(zhí)行，站控PLC執(zhí)行中控下發(fā)的水擊命令后應(yīng)自動(dòng)復(fù)位。

(4)各站的水擊源均設(shè)置可投用/摘除的軟開關(guān)。

(5)水擊超前保護(hù)的相關(guān)設(shè)定值可在SCADA中控系統(tǒng)界面上修改。

在日儀線具體了以上所述的所有條件后，水擊超前保護(hù)便可實(shí)現(xiàn)。

3.3 水擊超前保護(hù)的實(shí)施

根據(jù)目前日儀線實(shí)際工況及工藝調(diào)度控制情況，水擊超前保護(hù)暫設(shè)置兩種水擊工況，即：干線閥門誤動(dòng)作和日照油庫非正常全部停運(yùn)。

(1)干線閥門誤關(guān)閉。在日儀線正常輸油過程中，出現(xiàn)以下任一種情況，都會(huì)造成水擊，水擊超前保護(hù)程序都將進(jìn)行動(dòng)作：

①各站進(jìn)出站閥門，即：日照油庫1111閥，東海站2101閥、2111閥，淮安站3101閥、3111閥，觀音站4101閥、4111閥，儀征站5101閥等閥門關(guān)至小于90%,且5s后開度繼續(xù)減小。

②日儀線上任一座遠(yuǎn)控截?cái)嚅y室的閥門前后壓差大于0.2MPa。

③東海站進(jìn)站壓力持續(xù)2s大于6.0MPa、淮安站進(jìn)站壓力持續(xù)2s大于6.0MPa、觀音站進(jìn)站壓力持續(xù)2s大于6.0MPa、儀征站進(jìn)站壓力持續(xù)2s大于1.2MPa。

上述情況觸發(fā)水擊時(shí)，水擊超前保護(hù)程序的控制策略為：各站運(yùn)行輸油泵同時(shí)緊急停運(yùn)，日照商儲(chǔ)庫給油泵通過給油泵與輸油泵間的停泵聯(lián)鎖功能全部停運(yùn)。

(2)日照油庫輸油泵非正常全部停運(yùn)。當(dāng)日照油庫輸油泵由于某種原因，如突然停電，造成非正常全部停運(yùn)時(shí)，水擊超前保護(hù)程序觸發(fā)，此時(shí)淮安站運(yùn)行輸油泵同時(shí)緊急停運(yùn)，同時(shí)日照商儲(chǔ)庫給油泵通過給油泵與輸油泵間的停泵聯(lián)鎖功能全部停運(yùn)。

4 結(jié)語

水擊超前保護(hù)是原油管線上諸多保護(hù)之一，同時(shí)也是唯一一種基于全管段SCADA數(shù)據(jù)做出全線保護(hù)的系統(tǒng)。它與泵站及管線連鎖保護(hù)本質(zhì)區(qū)別在于水擊超前保護(hù)是管線壓力或閥門達(dá)到某設(shè)定值時(shí)做出全線停泵指令，因此水擊超前保護(hù)能夠更全面地、更迅速的消除水擊，避免管道受到危害，保障輸油管線安全平穩(wěn)運(yùn)行。

水擊超前保護(hù)在日儀線上的投用，可大大提高日儀管線的安全性和可靠性。在水擊超前保護(hù)應(yīng)用期間，日儀線未發(fā)生因水擊造成非計(jì)劃停輸事故，有效保障了沿江各煉廠原油的供應(yīng)。日儀線二期工程也即將完工，屆時(shí)日儀線運(yùn)行工況及輸量將達(dá)到一個(gè)新的高度，水擊超前保護(hù)的作用也將日益凸顯。

[1]運(yùn)銷處.日照-儀征原油操作手冊(cè)[M].

[2]黃春芳.石油管道輸送技術(shù).中國石化出版社∶2008.

[3]運(yùn)銷處.日儀線水擊超前保護(hù)邏輯[M].

孫敬禮，男，本科工程師。