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        地形起伏地區(qū)管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣過程分析

        2019-03-26 04:32:34阮亦根
        安全、健康和環(huán)境 2019年2期
        關(guān)鍵詞:氣團(tuán)高點(diǎn)管內(nèi)

        阮亦根,阮 哲

        (1.中國石化浙江石油分公司,浙江杭州 3100002.中海油研究總院工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100000)

        0 前言

        一般,長輸管道根據(jù)沿線的地形地貌采用埋地彈性敷設(shè),地形起伏變化劇烈的地方,有時(shí)需要使用彎頭進(jìn)行變角處理。

        管道建成投產(chǎn)前,通常管內(nèi)充滿空氣。管道水聯(lián)運(yùn)投產(chǎn),水頭推動(dòng)置換管內(nèi)空氣,當(dāng)水頭到達(dá)管路中間某個(gè)高點(diǎn),上游來水越過高點(diǎn)流向下游低點(diǎn),并在低點(diǎn)聚集,高點(diǎn)下游管內(nèi)處于不滿流狀態(tài)[1-4]。隨著下游低點(diǎn)積聚的水量增加,如果低點(diǎn)處于相鄰兩高點(diǎn)之間,低點(diǎn)水位會(huì)不斷上升,低點(diǎn)和上游高點(diǎn)之間管內(nèi)空氣形成封閉空間。水頭到達(dá)下游高點(diǎn)之前,氣體空間受到壓縮體積變小,壓力上升,形成帶壓氣團(tuán),不斷向上游高點(diǎn)靠近。隨著低點(diǎn)水位上升,當(dāng)水頭越過下游高點(diǎn),上游高點(diǎn)附近的帶壓氣團(tuán)才會(huì)在水流作用下向前流動(dòng)。

        帶壓氣團(tuán)沿管道流動(dòng)過程中,受不滿流擾動(dòng)的影響,部分氣體會(huì)被水流帶走,氣團(tuán)體積減?。粌蓺鈭F(tuán)相遇,會(huì)聚集增大形成大氣團(tuán);也會(huì)隨著所處位置管內(nèi)壓力不同,受到壓縮或產(chǎn)生體積膨脹。管內(nèi)帶壓氣團(tuán)的存在,會(huì)造成投產(chǎn)過程管內(nèi)流動(dòng)特性的不穩(wěn)定;帶壓氣團(tuán)到達(dá)下游泵站,會(huì)破壞泵的吸入特性;對(duì)某些特殊的地形,帶壓氣團(tuán)還會(huì)造成投產(chǎn)過程困難。

        1 地形起伏管段管內(nèi)空氣的置換與被壓縮

        1.1 線路中間某起伏點(diǎn)位置壓力計(jì)算

        線路中間某起伏點(diǎn)如圖1所示。A點(diǎn)和C點(diǎn)為相鄰上下游2個(gè)高點(diǎn),B點(diǎn)為中間低點(diǎn)。水頭到達(dá)A點(diǎn)前,AC點(diǎn)之間管內(nèi)充滿空氣,壓力為常壓,AB間的管內(nèi)容積為V0。水頭到達(dá)A點(diǎn)后,上游來水自由流向B點(diǎn),并在B點(diǎn)聚集,A點(diǎn)下游管內(nèi)處于不滿流狀態(tài)。

        隨著B點(diǎn)積聚的水量增加,B點(diǎn)水位會(huì)不斷上升,B點(diǎn)和A點(diǎn)之間管內(nèi)的氣體空間體積變小,空氣受到壓縮,氣體空間壓力上升。

        圖1 管道線路起伏點(diǎn)示意

        假設(shè)水流充滿AB空間之前,B點(diǎn)水位上升過程中,AB點(diǎn)之間的氣體只是向A點(diǎn)方向移動(dòng)。A點(diǎn)和B點(diǎn)液體表面之間的空氣氣體空間符合氣體狀態(tài)方程[5]:

        PV=mZRaT

        (1)

        式中,P——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的絕對(duì)壓力,Pa;

        V——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的容積,m3;

        m——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的質(zhì)量,kg;

        Z——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的壓縮系數(shù);

        Ra——空氣的氣體常數(shù),J/(kg·K);

        T——帶壓氣體空間內(nèi)氣體的絕對(duì)溫度,K。

        假設(shè)充水掃線過程,封閉空間的空氣氣體壓縮為等溫壓縮,忽略水流下降過程中水中溶解的少量氣體和蒸發(fā)的少量水蒸氣,忽略氣體空間壓力變化過程空氣壓縮系數(shù)的影響,由式(1)可知,AB間氣體的質(zhì)量為常量,氣體空間容積受壓變化過程中,氣體空間壓力和氣體空間容積的乘積等于常數(shù)。

        管道充水前,AB間空氣容積為V0,管內(nèi)壓力等于大氣壓強(qiáng)P0。管道充水過程水頭到達(dá)并越過A點(diǎn),假設(shè)T時(shí)刻,A點(diǎn)下游液位上升至D點(diǎn),AD點(diǎn)管內(nèi)容積為V;BC間管內(nèi)液位上升至E點(diǎn),此時(shí),AD間氣體空間受到壓縮,氣體空間壓力P為:

        PV=P0V0

        (2)

        P=P0V0/V

        (3)

        A點(diǎn)壓力等于P,B點(diǎn)壓力等于P加h高液位對(duì)應(yīng)的液柱壓力(忽略h1-h高程差的氣柱壓力),B點(diǎn)壓力

        由以上分析可知,AB間氣體空間的壓縮過程,使得帶壓氣體空間的位置明顯滯后于水頭位置。帶壓氣體空間的滯后時(shí)間差取決與A、B、C三點(diǎn)的相對(duì)位置和高程。

        假設(shè)圖1中AB間管道高程差h1=500 m,AB間下降坡度為等角度下降,BC間管道高程差h2=800 m,當(dāng)D點(diǎn)液位上升至h=400 m位置時(shí),由(3)式計(jì)算可知,AD間氣體空間容積壓縮了80%,氣體空間內(nèi)壓力為0.5 MPa(絕對(duì)壓力),E點(diǎn)液位上升至440 m。當(dāng)D點(diǎn)液位上升至485 m時(shí),AD間氣體空間壓縮了97%,氣體空間內(nèi)壓力上升至3.33 MPa(絕對(duì)壓力),水流到達(dá)C點(diǎn)。

        如果管內(nèi)充滿液體,AC間高程差等于300 m,只要A點(diǎn)壓力高于3.0 MPa(大氣壓),水流就可到達(dá)C點(diǎn)。投產(chǎn)充水掃線過程,由于帶壓氣體空間的存在,A點(diǎn)壓力需要增加0.23 MPa(大氣壓),水頭才可能到達(dá)C點(diǎn)。

        水聯(lián)運(yùn)過程中,帶壓氣團(tuán)滯留在AB期間,只要A點(diǎn)管內(nèi)壓力不低于3.33 MPa,水流就能夠流過A點(diǎn),到達(dá)C點(diǎn),繼續(xù)向下游流動(dòng)。

        實(shí)際管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣過程中,AB間的氣體,隨著氣體空間的縮小和氣體空間壓力的升高,當(dāng)水頭到達(dá)C點(diǎn),A點(diǎn)附近的帶壓氣團(tuán)會(huì)在水流的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)。隨著帶壓氣團(tuán)向下移動(dòng),受氣團(tuán)上游水柱作用,氣體空間壓力增加,氣團(tuán)受壓縮;當(dāng)帶壓氣團(tuán)到達(dá)B點(diǎn),氣體空間會(huì)快速膨脹,B點(diǎn)上游壓力會(huì)快速下降,BC間水流會(huì)加速流動(dòng),引起水聯(lián)運(yùn)過程管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定,并導(dǎo)致帶壓氣體空間位置滯后水頭的時(shí)間延長。

        1.2 翻越點(diǎn)上游鄰近高點(diǎn)與翻越點(diǎn)之間管內(nèi)充水排氣過程

        翻越點(diǎn)為管內(nèi)壓力需求最大的高點(diǎn),也是沿線動(dòng)態(tài)壓力最低的點(diǎn)。翻越點(diǎn)位置不同,翻越點(diǎn)上游相鄰高點(diǎn)間距不同,水聯(lián)運(yùn)充水排氣過程也會(huì)不同。

        1.2.1翻越點(diǎn)位于線路中間某個(gè)位置

        如圖1所示,假設(shè)C點(diǎn)為翻越點(diǎn),C點(diǎn)的設(shè)計(jì)剩余壓力有限。當(dāng)A點(diǎn)氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≥CB間管內(nèi)液柱壓力,且A點(diǎn)壓力<上游管內(nèi)動(dòng)水壓力,在上游出站壓力作用下,A點(diǎn)壓力會(huì)不斷上升,水流就能夠流過A點(diǎn),到達(dá)C點(diǎn),繼續(xù)向下游流動(dòng)。

        如果當(dāng)A點(diǎn)氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≤CB間管內(nèi)液柱壓力,且A點(diǎn)壓力≥上游管內(nèi)最大允許動(dòng)水壓力,帶壓氣團(tuán)會(huì)在AD間形成氣阻,水流難以流過C點(diǎn),水聯(lián)運(yùn)充水排氣過程會(huì)遇到困難。遇到這種情況,需在A點(diǎn)附近開孔排氣。隨著A點(diǎn)的氣體被排空,B點(diǎn)壓力≥BC間液柱壓力,水聯(lián)運(yùn)過程可繼續(xù)進(jìn)行。

        1.2.2翻越點(diǎn)位于第一站間距內(nèi),且翻越點(diǎn)上游鄰近高點(diǎn)接近首站的情況

        如圖2所示,假設(shè)C點(diǎn)位于第一站間內(nèi),且C點(diǎn)為翻越點(diǎn),A點(diǎn)接近首站出站,A點(diǎn)與出站壓力的壓差比較小。當(dāng)A點(diǎn)氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≤CB間管內(nèi)液柱壓力時(shí),A點(diǎn)壓力上升空間有限,水流難以流過C點(diǎn),AD間氣體空間也會(huì)容易形成氣阻,使充水排氣過程遇到困難。遇到此種情況,也需要在A點(diǎn)附近開孔排氣。

        1.3 翻越點(diǎn)與下游鄰近高點(diǎn)之間管內(nèi)充水排氣過程

        如圖2所示,假設(shè)A點(diǎn)為翻越點(diǎn),B點(diǎn)位于AC之間,C點(diǎn)高程低于A點(diǎn)。水頭到達(dá)A點(diǎn)并通過A點(diǎn)后,翻越點(diǎn)后水流處于不滿流狀態(tài)。當(dāng)水流到達(dá)B點(diǎn)后,在B點(diǎn)處聚集,B點(diǎn)水位上升,AB之間的封閉氣體空間受到壓縮。當(dāng)B點(diǎn)上游水位到達(dá)D點(diǎn),受D點(diǎn)氣體空間壓力的作用,B點(diǎn)下游水位到達(dá)E點(diǎn)。BC間高程差不同,AD氣體空間的氣體壓力不同。如果A點(diǎn)氣體壓力大于翻越點(diǎn)設(shè)計(jì)富裕壓力,投產(chǎn)充水掃線就會(huì)遇到困難。遇到此種情況,也需要在A點(diǎn)附近開孔排氣。

        圖2 翻越點(diǎn)下游地形起伏示意

        2 甬臺(tái)溫管道第一階段水聯(lián)運(yùn)充水排氣過程分析

        甬臺(tái)溫管道全長405 km,沿線設(shè)3座泵站,1座清管站,其管道縱斷面見圖3。全線高程差不大,最大高程位于179.43 km處,高程為469.64 m;但沿線地形起伏比較劇烈。管道于2018年8月29日按計(jì)劃進(jìn)行投產(chǎn)前的充水掃線。

        2.1 第一階段充水掃線過程

        甬臺(tái)溫管道8月29日22:00,首站啟泵開始充水。30日22:50時(shí),水頭到達(dá)2#站,31日12:00時(shí),大量氣體進(jìn)入2#站,導(dǎo)致2#站進(jìn)站泄壓閥開啟泄壓,對(duì)泄壓罐造成沖擊,第一階段充水掃線工作結(jié)束。充水掃線過程,水頭到達(dá)2#站后,泵參數(shù)、操作過程見表1。

        表1 甬臺(tái)溫管道第一階段充水掃線過程泵參數(shù)

        2.2 2#站低壓泄壓閥開啟泄壓,泄壓罐受到?jīng)_擊原因分析

        a)分析圖3縱斷面數(shù)據(jù)可知,水聯(lián)運(yùn)充水掃線過程,第一個(gè)站間距內(nèi),會(huì)形成30余個(gè)帶壓氣團(tuán),其中距首站出站25 km處的最大氣團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)體積可大于980 m3。在該氣團(tuán)被壓縮過程中,上游帶壓氣團(tuán)會(huì)陸續(xù)到達(dá)25 km處,多個(gè)氣團(tuán)相遇聚集,形成更大的氣團(tuán),其標(biāo)準(zhǔn)容積可大于1 470 m3。

        由圖4可知,管道投產(chǎn)4.9小時(shí),管內(nèi)注水約3 900 m3,管道注水平均流量約為800 m3/h,水流到達(dá)25 km處;水流越過25 km高點(diǎn)流向下游低點(diǎn)并在低點(diǎn)積聚,低點(diǎn)上游帶壓氣團(tuán)不斷受到壓縮;當(dāng)水頭到達(dá)下游高點(diǎn)時(shí),帶壓氣團(tuán)要滯后于水頭3.9小時(shí)左右。當(dāng)帶壓氣團(tuán)離開25 km處高點(diǎn)后,帶壓氣團(tuán)受前方水柱作用,壓力不斷上升,帶壓氣團(tuán)繼續(xù)受到壓縮。

        圖3 甬臺(tái)溫管道線路縱斷面圖

        帶壓氣團(tuán)在水流作用下向前移動(dòng),當(dāng)與其它氣團(tuán)相遇,還會(huì)相互聚集,氣團(tuán)體積還會(huì)不斷增大,帶壓氣團(tuán)滯后水頭的時(shí)間會(huì)不斷延長。以甬臺(tái)溫第一站間距水聯(lián)運(yùn)過程為例,由第一階段充水過程可知,由于水頭到達(dá)2#站后,2#站進(jìn)站壓力偏低,帶壓氣團(tuán)在管內(nèi)的移動(dòng)速度遠(yuǎn)低于水頭的平均流速。分析甬臺(tái)溫第一階段投產(chǎn)注水過程可知,產(chǎn)生于25 km處的帶壓氣團(tuán)到達(dá)2#站的時(shí)間要滯后13小時(shí)左右。

        圖4 甬臺(tái)溫管道投產(chǎn)充水首站注水流量、時(shí)間變化

        b)假設(shè)31日12:00時(shí)到達(dá)2#站的帶壓氣團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)體積等于1 470 m3,在4.8 MPa進(jìn)站壓力作用下,該氣團(tuán)體積被壓縮為30 m3,接近200 m進(jìn)站管道內(nèi)充滿高壓空氣。

        此時(shí),由于2#站出站壓力高于進(jìn)站壓力,2#站斷流,相當(dāng)于2#站出站閥門關(guān)閉。2#站斷流后,上游管內(nèi)流體在首站泵壓作用下,會(huì)繼續(xù)向著2#站流動(dòng),形成對(duì)第一站間距管道的充裝[6],致使2#站進(jìn)站壓力快速上升至5.15 MPa,2#站低壓泄壓閥開啟泄壓。2#站低壓泄壓閥開啟泄壓后,假設(shè)泄壓罐內(nèi)氣體壓力為0.05 MPa,計(jì)算可知,瞬間流入泄壓罐內(nèi)的帶壓氣體體積約為980 m3,對(duì)500 m3泄壓罐造成了嚴(yán)重的沖擊。

        c)分析甬臺(tái)溫管道充水掃線過程,當(dāng)水頭到達(dá)管道179.43 km處的最高點(diǎn),忽略上游帶壓氣體空間的流動(dòng)阻力,假設(shè)首站出站壓力維持8.0 MPa,由計(jì)算可知,首站出站流量為580 m3/h,滿足首站泵的正常運(yùn)行。

        由圖1可知,只要水頭越過179.43 km處的最高點(diǎn),2#站可以滿足較長時(shí)間的壓力越站運(yùn)行。2#站越站運(yùn)行,可以提高上游站間壓力,盡量縮短上游管內(nèi)帶壓氣團(tuán)的滯后時(shí)間;避免管內(nèi)帶壓氣團(tuán)破壞泵的吸入特性,造成中間泵站頻繁啟停泵。

        如果中間泵站僅一臺(tái)泵運(yùn)行工況下的緊急停泵,由于出站壓力高于進(jìn)站壓力,會(huì)造成中間泵站斷流,上游管道憋壓,導(dǎo)致進(jìn)站壓力快速上升。

        3 結(jié)語和建議

        a)地形起伏劇烈地區(qū)管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣過程,管內(nèi)會(huì)存在多個(gè)帶壓氣團(tuán),帶壓氣團(tuán)的初始容積和氣團(tuán)個(gè)數(shù)取決于沿線地形起伏特性,帶壓氣團(tuán)沿管道移動(dòng)過程中,氣團(tuán)容積和氣團(tuán)壓力取決于氣團(tuán)所處管內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力;帶壓氣團(tuán)移動(dòng)速度明顯低于水頭的平均流速。

        b)地形起伏地區(qū)管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣過程,如果高點(diǎn)氣團(tuán)壓力低于管道允許的最大動(dòng)水壓力,水流可以連續(xù)流過該高點(diǎn)。

        c)相鄰兩個(gè)高點(diǎn),當(dāng)上游高點(diǎn)氣團(tuán)壓力+高點(diǎn)與下游鄰近低點(diǎn)間的液柱壓力,大于下游相鄰高點(diǎn)與該低點(diǎn)高程差的液柱壓力+兩高點(diǎn)間允許的最小動(dòng)水壓力差,水流可以流過下游相鄰高點(diǎn);否則,上游高點(diǎn)需要開孔排氣,消除上游高點(diǎn)帶壓氣團(tuán),確保管道正常水聯(lián)運(yùn)。

        d)地形起伏地區(qū)管道水聯(lián)運(yùn)充水排氣初期階段,建議關(guān)閉中間站內(nèi)低壓泄壓閥或調(diào)整泄壓壓力,防止高壓氣團(tuán)泄壓對(duì)泄壓罐造成沖擊。

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