李慧

摘要;介紹了水力分析軟件SPS在大落差輸油管道的主要應用，并結合某條管線利用SPS軟件進行瞬態(tài)模擬案例，通過進行啟停輸模擬、輸油管道事故工況分析，為滿足大落差管道高點無負壓、低點不超壓的要求，模擬采取水擊超前保護措施，最終保障管道運行安全。

關鍵詞：輸油管道;SPS軟件;大落差;瞬態(tài)模擬

1軟件介紹

目前，行業(yè)內(nèi)進行輸油管道水力計算分析的軟件主要有 2 個：Stoner Pipeline Simulation（以下簡稱SPS）軟件和PipelineStudio（以下簡稱TLNET）軟件。兩個軟件各有特點，TLNET操作界面友好，易學易用，SPS需要使用者按照軟件自定義的語言命令編程進行邏輯控制，邏輯較復雜，精度較高，在一些文獻中也提到了 SPS 的計算精度明顯高于TLNET[1]，因此一般在管道數(shù)據(jù)不夠詳實，計算要求比較粗獷的管道規(guī)劃、方案比選等前期階段采用 TLNET軟件或者直接建立水力計算數(shù)據(jù)表格的方式，而在水力計算要求較嚴格、數(shù)據(jù)較齊全的管道設計、生產(chǎn)運行等后期階段采用SPS。

SPS軟件在進行輸油管道水力分析時，可以模擬輸送單一流體、單相混合流體或批次流體的管道[2]，通過兩種建模方式建立輸油管道的實際模型：（1）通過文本編寫 INPREP 文件進行建模;（2）在Model Builder 軟件中通過添加設備、節(jié)點等進行圖形建模，然后通過在INTRAN文件中編寫邏輯控制語言來實現(xiàn)不同工況的模擬，可以模擬管道的正常運行工況的多種動態(tài)變化過程，如泵的開啟和停止、泵的串聯(lián)并聯(lián)、流體加減阻劑等工況;也可以模擬特殊的異常工況，比如斷電停輸、設備故障甩泵、誤操作關閥等，對不同工況的可能結果進行預測和處理，通過模擬處理措施保證管道的安全運行。

2在大落差輸油管道設計中的應用

SPS在大落差輸油管道設計中的主要應用如下：

（1）輸油管道的穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化設計

1）進行正常工況的穩(wěn)態(tài)模擬，并進行相關設備設備的匹配運行;

2）分析系統(tǒng)全線的運行壓力，是否存在超壓或者不滿流的情況，判斷設計壓力的設定是否合理，站場的選址是否合理，是否需要進行變徑設計或者增設減壓設備;

3）分析輸油泵的運行狀況，通過不同匹配方案模擬情況，判斷輸油泵的選擇是否合理;

4）模擬設計中各運行方案，查看不同方案的節(jié)流情況，比較各方案的經(jīng)濟性;

5）設計減壓泄放系統(tǒng);減壓系統(tǒng)選擇是否合理，泄壓閥的選型是否滿足工況需要;

6）大落差管道線路變更是否產(chǎn)生新的翻越點，前期完成的設備選型是否滿足變更后的需要，以及提出調(diào)整措施。

（2）輸油管道瞬態(tài)模擬與水擊超前保護

1）啟停輸程序的模擬，針對完工管線給出啟停輸程序，主要控制啟停輸過程中高點不拉空、低點不超壓;

2）事故工況的模擬，主要模擬停電甩泵工況、誤關進出站閥、誤關線路閥等;

3）水擊超前保護處理措施，通過對事故工況的模擬，調(diào)整水擊超前保護方案進行模擬，提出滿足要求的水擊超前保護處理措施。

（3）順序輸送系統(tǒng)模擬與分析

1） 模擬批量輸送以及計算混油量。

在大落差輸油管道中，由于線路起伏較大，為保障管道運行安全，應滿足高點無負壓、低點不超壓的要求，將邊界條件進行如下控制：

a）高點處控制壓力最低0.2MPa;

b）進站壓頭不低于60m。

c）在上站出站壓力不超限、不額外增加運行泵的條件下，維持進站壓力在靜壓以上，以減少意外工況造成高點負壓。

3應用案例-瞬態(tài)模擬與水擊超前保護

3.1管線概況

某條大落差輸油管線采用常溫密閉順序輸送工藝，輸送汽油（93#、97#）、車用柴油和普通普通柴油兩大類4個品種。

管道沿線共設置9座工藝站場：BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分輸泵站、YS05泵站、MZ06分輸站、JS07泵站、YX08分輸泵站和CP09末站。管道設計輸量調(diào)整為705×104t/a;管線全長為797km，全線設01遠控閥室1座。沿線站場和管道設置情況見表3.1 1。

全線站場輸油主泵按串聯(lián)配置，共設置輸油主泵28套（BS01、FND02、FN03、GN04、YS05、JS07、YX08各設置4套串聯(lián)主輸泵）。

相對于汽油，同輸量條件下管道系統(tǒng)輸送柴油壓力更高，對管道系統(tǒng)影響較大，因此瞬態(tài)工況模擬以管輸柴油進行。相對于低輸量，高輸量條件下要求出站壓力高、下站進站壓力低，誤動作影響大，因此以柴油760m3/h輸量狀態(tài)為初始條件進行模擬。

3.2事故停電甩站

由于篇幅限制，將事故停電甩站工況的模擬情況列舉3類進行分析：首站停電甩站、中間泵站停電甩站（不可壓力越站）、中間泵站停電甩站（可壓力越站）。

3.2.1 BS01首站停電甩站

1）工況分析

BS01首站甩泵后，出站壓力迅速降低。減壓波約1.5分鐘傳至FND02泵站，約2.5分鐘后線路高點出現(xiàn)負壓。如不采取任何措施，后續(xù)各站泵入口壓力持續(xù)降低損傷外輸泵;高點出現(xiàn)負壓，損傷外管道。

各站高、低壓泄壓閥無動作。

由于管道系統(tǒng)失去油品及動力來源，建議全線順序執(zhí)行應急停輸程序。

2）保護措施

應急停輸程序執(zhí)行順序：

以檢測到BS01首站甩泵信號為T=0min時刻;

T=1min時刻，發(fā)送FND02泵站應急停輸程序;

T=2min時刻，發(fā)送FN03泵站應急停輸程序;

T=3min時刻，發(fā)送GN04分輸泵站應急停輸程序;

T=4min時刻，發(fā)送MZ06分輸站應急停輸程序;

T=5min時刻，發(fā)送YS05泵站應急停輸程序;

T=6min時刻，發(fā)送CP09末站應急停輸程序;

T=7min時刻，發(fā)送YX08分輸泵站應急停輸程序;

T=8min時刻，發(fā)送JS07泵站應急停輸程序;

各站應急停輸程序見3.2.4。

采取超前保護措施后，全線無超壓、無負壓。

3.2.2 FND02泵站停電甩站

（1）工況分析

FND02站甩泵后，出站壓力迅速降低。減壓波約1分鐘傳至FN03泵站，F(xiàn)N03泵站進站壓力降低;進站增壓波約1.5分鐘傳至上站BS01首站。如不采取任何措施，F(xiàn)N03泵站進站壓力超低損傷外輸泵;BS01-FND02站間管道壓力持續(xù)升高，但未出現(xiàn)超設計壓力點。

全線高、低壓泄放閥未發(fā)生動作。

由于FND02泵站不可壓力越站，該工況發(fā)生后，建議全線采取超前保護程序，順序執(zhí)行應急停輸程序。

采取超前保護措施后，全線無超壓、無負壓。

3.2.3 GN04分輸泵站停電甩站

（1）工況分析

GN04分輸泵站甩泵后，出站壓力迅速降低。減壓波約2分鐘傳至YS05泵站;進站升高，增壓波約1分鐘傳至上站FN03泵站。該工況發(fā)生后，如不采取任何措施，GN04進站壓力達到泄放設定值（4.0MPa）之后，泄放閥打開，GN04后各站輸量降低，F(xiàn)ND02和FN03泵站由于泵揚程能力限制，進站壓力升高。建議采取超前保護程序，全線降量輸送。

采取超前保護措施后，全線無超壓、無負壓。

3.2.4 各站應急停輸程序

（1）泵站（BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分輸泵站、YS05泵站、JS07泵站、YX08分輸泵站）

接收到BS01首站應急停輸信號后：

a）按照從外輸泵編號從小到大應急，先停泵號較小泵;

b）延時0.5分鐘，停在運泵號較大泵;

c）發(fā)送本站應急停泵結束信號。

（2）減壓站（MZ06分輸站）

接收到MZ06分輸站應急停輸信號后：

a）控制進站壓力7.4MPa;

b）發(fā)送MZ06分輸站應急停泵結束信號。

（3）末站（CP09末站）

接收到CP09末站應急停輸信號后：

a）控制進站壓力4.7MPa;

b）發(fā)送CP09末站應急停泵結束信號。

3.3誤關進站閥

3.3.1 誤關進站閥102#閥門

（1）各泵站誤關進站閥：各站起泵工況時誤關進站閥102#閥門，采取打開全越站閥門，上站來油通過越站閥直通出站，水力工況同本站的事故停電甩站工況。

（2）CP09末站關進站閥

1）工況分析

CP09末站誤關進站閥后，如不采取保護措施，由于管道介質(zhì)無處流動，進站閥前壓力迅速升高約1.5MPa，然后快速升高至泄壓閥設定值，泄放閥開啟;進站增壓波約1.5分鐘后到達YX08分輸泵站，進出站壓力均升高，約5分鐘（以CP09誤關閥計時，下同）后進站壓力達到泄放設定值;增壓波約3.5分鐘后達到JS07泵站，JS07進出站壓力均升高，約15.5分鐘JS07出站高壓泄放;增壓波約7分鐘后達到MZ06分輸站，MZ06進出站壓力均升高，約18分鐘MZ06進站高壓泄放。

此工況發(fā)生后，如GN04、MZ06和YX08可下載，應立即調(diào)整下載量。如不能下載或下載量無法滿足管道最小輸量，建議執(zhí)行全線緊急停輸程序。

2）保護措施

緊急停輸程序執(zhí)行順序：

以檢測到CP09末站進站閥關閉信號為T=0min時刻;

T=0.5min時刻，發(fā)送YX08分輸泵站、JS07、MZ06、BS01緊急停輸程序;

T=1min時刻，發(fā)送YS05、FND02站緊急停輸程序;

T=2.5min時刻，發(fā)送FN03泵站緊急停輸程序;

T=3.5min時刻，發(fā)送GN04分輸泵站緊急停輸程序;

各站緊急停輸程序見3.6，采取停輸保護措施后，全線無超壓、無負壓。

3.3.2 越站誤關進站閥101#閥門

在工況模擬中，只有GN04分輸泵站和JS07泵站可以進行越站輸送。

（1）GN04分輸泵站越站工況關101#

1）工況分析

由于101#閥門為站場最外一道閥，該閥關閉后造成的超壓流體無處泄放，引起上站進出站壓力持續(xù)升高。

GN04越站工況下，如關閉本站101#，進站壓力迅速升高。由于低壓泄放閥無法開啟，如不采取任何保護措施，約2.5分鐘后GN04進站前約50km處低點管道達到設計壓力，但未超過MASP。如繼續(xù)維持原狀，F(xiàn)N03泵站高低壓同時泄放，GN04分輸泵站出站壓力降低，高低出現(xiàn)負壓。

由于該工況發(fā)生后FND02和FN03無法越站，必須采取全線停輸保護管道。

采取全線緊急停輸后，停輸過程無超壓，但是GN04出站后管道出現(xiàn)短時負壓。

（2）JS07泵站越站工況關101#

1）工況分析

由于101#閥門為站場最外一道閥，該閥關閉后造成的超壓流體無處泄放，引起本站進站端壓力升高，壓力波約2分鐘（以101開始關閉計時，下同）傳至上站MZ06，MZ06進出站壓力持續(xù)升高，如不采取任何保護措施，MZ06泄壓閥將在約3分鐘后開啟，MZ06與JS07間低點達到設計壓力，但未超過MASP;壓力波繼續(xù)上傳，約在3分鐘后傳至YS05;約5分鐘后傳至GN04，GN04進出站壓力升高，約13.5分鐘后GN04低壓泄放閥開啟。

該工況發(fā)生時考慮最苛刻條件，采取全線緊急停輸。

采取全線緊急停輸后，過程無超壓、無負壓、無泄放閥開啟。

3.4 誤關出站閥302#閥

出站閥302#閥的工況水力分析結果同本站事故停電甩站工況。

3.5 誤關線路閥

1）工況分析

全線設置有一座遠控閥室：01遠控閥室，位于YX08分輸泵站前27.2km處。

01遠控閥室自控閥關閉后，閥后壓力降低，減壓波約0.5分鐘傳至YX08分輸泵站;閥前壓力迅速升高，增壓波1分鐘后傳至JS07泵站。

檢測到閥門關閉后，JS07、YX08和CP09應立即啟動緊急停輸程序;JS07前各站，如GN04和MZ06可以下載，則應調(diào)整下載量適應管輸量;如不能下載，則應執(zhí)行全線緊急停輸程序。

執(zhí)行全線緊急停輸程序后，全線無超壓，01遠控閥室—YX08間管道高點和YX08出站段高點出現(xiàn)負壓。

3.6各站緊急停輸程序

（1）泵站（BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分輸泵站、YS05泵站、JS07泵站、YX08分輸泵站）

接收到BS01首站緊急停輸信號后：

a）同時停本站所有在運外輸泵;

b）發(fā)送本站緊急停泵結束信號。

（2）減壓站（MZ06分輸站）

接收到MZ06分輸站緊急停輸信號后：

a）控制進站壓力7.4MPa;

b）發(fā)送MZ06分輸站緊急停泵結束信號。

（9）末站（CP09末站）

接收到CP09末站緊急停輸信號后：

a）控制進站壓力4.7MPa;

b）發(fā)送CP09末站緊急停泵結束信號。

4結論

根據(jù)水力仿真模擬的結果可以看出：

（1）BS01首站停電甩站建議全線順序執(zhí)行應急停輸程序;FND02泵站、FN03、YS05泵站泵站、YX08分輸泵站中間泵站停電甩站（不可壓力越站）建議全線順序執(zhí)行應急停輸程序;GN04分輸泵站、JS07泵站中間泵站停電甩站（可壓力越站）建議采取超前保護程序，全線降量輸送。

（2）當前模擬的大落差管道需要采取適當?shù)乃畵舯Ｗo措施（含超前保護措施），才能有效保障水擊時管道不超壓（瞬間運行壓力不超設計壓力1.1倍）。

（3）在大落差管道設計時，進行瞬態(tài)模擬十分必要，在進行管道壓力設計、管道壁厚選擇、站內(nèi)設備選型時，充分考慮瞬態(tài)工況，提高水擊保護措施的可操作性，從而保證管道的安全性和可靠性。

參考文獻

[1] 劉定智，劉定東，李茜. TGNET 及 SPS 軟件在天然氣管道穩(wěn)態(tài)計算中的差異分析和比較. 石油規(guī)劃設計，2011，22（5）：18 - 22.

[2] 鄭云萍，肖杰，孫嘯等.輸氣管道仿真軟件SPS的應用與認識[J].天然氣工業(yè)，2013;33（11）：104～109