葉富艷(中國石油工程建設(shè)有限公司青海分公司,青海 海西 817000)

1 引言

長距離輸油管道采取密閉輸送工藝，輸送過程中各節(jié)點(diǎn)的流速和壓力均隨著時(shí)間的變化而變化，運(yùn)行操作時(shí)，閥門突然開啟、關(guān)閉及泵機(jī)組發(fā)生故障等，使流體的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生瞬時(shí)變化，易引起水擊，導(dǎo)致管道局部超壓、液柱分離及泵汽蝕等危害。研究輸油管道瞬時(shí)水擊壓力變化的產(chǎn)生原因，分析水擊壓力對(duì)管路運(yùn)行工藝設(shè)施的影響，采取措施防止或減小水擊危害，對(duì)輸油管道的安全運(yùn)行有重要意義。

2 水擊計(jì)算方法研究

2.1 水擊產(chǎn)生的原因

密閉輸油管道及設(shè)備處于一個(gè)水力系統(tǒng)中，全線各站泵的啟用臺(tái)數(shù)、揚(yáng)程、管道的調(diào)節(jié)形式等決定著輸油管線的運(yùn)行狀態(tài)，一旦運(yùn)行工況發(fā)生突變，管路內(nèi)流體由于流速變化引起壓力急劇變化，急速變化的壓力波會(huì)在管道系統(tǒng)內(nèi)往復(fù)傳遞、循環(huán)震蕩，嚴(yán)重破壞管道系統(tǒng)。目前輸油管道系統(tǒng)中可能影響水力工況的主要因素如下：

(1)泵啟停輸操作時(shí)，產(chǎn)生壓力波。

(2)站間截?cái)嚅y的開啟與關(guān)閉。

(3)突然停電或泵機(jī)組發(fā)生故障、調(diào)節(jié)閥失常。

2.2 水擊對(duì)輸油管路工藝的影響與危害

輸油管道某處或中間某個(gè)站場(chǎng)發(fā)生水擊，都會(huì)波及全線，引起管道沿線壓力、流量、流速的急劇變化，造成如下危害：

(1)導(dǎo)致管道局部超壓，破壞管道強(qiáng)度。

(2)發(fā)生液柱分離，使管道失穩(wěn)，產(chǎn)生變形。

(3)使中間泵站的泵發(fā)生氣蝕，影響下游泵機(jī)組工作。

2.3 水擊壓力與波速計(jì)算方法

為減少輸油管道水擊危害，對(duì)管道運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的水擊壓力進(jìn)行計(jì)算，以便采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.3.1 水擊壓力計(jì)算

本文以某一輸油管道為研究對(duì)象，分析其發(fā)生水擊后，產(chǎn)生的水擊壓力，示意圖見圖1。

圖1 水擊壓力計(jì)算示意圖

圖1 中，p0為流體原有壓力，ν0為速度，d為管徑，由動(dòng)量定律得出如下公式：

式中：ρ為密度，為水擊波的傳播速度。

若用液柱高度表示水擊壓強(qiáng)，如下：

水擊最大壓力計(jì)算，如下：

2.3.2 水擊波速計(jì)算

水擊壓力與壓力波傳播速度成正比關(guān)系，如要計(jì)算水擊壓力，需先求得水擊波的傳播速度a，本章節(jié)仍以上章節(jié)圖1 為研究對(duì)象，根據(jù)質(zhì)量守恒定律得出：

式中：A為管道橫截面積為管壁的彈性系數(shù)為流體的壓縮性系數(shù)，Kp為流體的體積彈性模量，E為管壁的彈性模量，δ為管壁厚。

2.4 輸油管道水擊分析

輸油管道系統(tǒng)的水擊現(xiàn)象為有壓管道的非穩(wěn)態(tài)問題，其數(shù)值解法主要有特征線法、有限差分法、有限體積法。特征線法因其計(jì)算精度較高，邊界條件易于處理，適應(yīng)范圍較廣，為目前輸油管線水擊計(jì)算處理的主要方法。

2.4.1 特征線水擊模型的建立

基于輸油管道中任一微元管段流體在發(fā)生水擊時(shí)，受力及質(zhì)量變化情況，建立水擊基本微分方程組。

連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中：V為管道流體流速，a為水擊波傳播速度，H為管路揚(yáng)程，f為管路摩阻系數(shù)，α為管路與水平面夾角，x為水擊波傳播的距離，t為水擊波傳播的速度，d為管徑，g為重力加速度。

2.4.2 特征線水擊模型的求解

將2.4.1 節(jié)偏微分方程組轉(zhuǎn)化為全微分方程，然后再轉(zhuǎn)化為一階有限差分方程，求其近似解。

特征線方程：

求解過程是沿著特征線C+和C-進(jìn)行，見圖2，將上述微分方程沿特征線C+從A點(diǎn)到P點(diǎn)進(jìn)行積分，C-從B點(diǎn)到P點(diǎn)進(jìn)行積分，考慮到水擊的發(fā)生和衰退是在較短的時(shí)間完成的，得出式14、式15 有限差分方程。

圖2 x-t坐標(biāo)系中的特征線

圖3 簡(jiǎn)化差分方程的矩形網(wǎng)格

用i-1 代替上述公式中的A，i+1 代替公式中的B，Pi代替P，考慮到管段初始時(shí)刻的已知參數(shù)，公式簡(jiǎn)化后，得出：

計(jì)算上述有限差分方程，將x-t坐標(biāo)圖中的特征線用矩形網(wǎng)格表示出來，網(wǎng)格的對(duì)角線為特征線，見圖3，從初始時(shí)刻t0=0開始計(jì)算，由已知量Q0、H0計(jì)算出t0+Δt時(shí)的Q、H，依次重復(fù)計(jì)算，得出網(wǎng)格中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)。

3 水擊防護(hù)措施

水擊的傳播速度非?？?，引起的水擊事故難以預(yù)測(cè)，最有效的防護(hù)手段是依靠輸油管道的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。

(1)水擊波攔截。在水擊發(fā)生位置處，上下游站采取部分停泵等方法，產(chǎn)生新的水擊波，并將這種技術(shù)應(yīng)用到SCADA 系統(tǒng)中，自動(dòng)對(duì)水擊事故進(jìn)行辨別，對(duì)各泵站的設(shè)備下發(fā)指令，順序停泵、調(diào)節(jié)閥門或電機(jī)轉(zhuǎn)速等，消除或減弱水擊危害。

(2)自動(dòng)泄壓保護(hù)。輸油過程中，經(jīng)常發(fā)生進(jìn)、出站管道壓力超高或超低現(xiàn)象，如泵站出、入口壓力過高，開啟泵出、入口處泄壓閥，直至壓力降至正常運(yùn)行值，反之。

(3)增加水擊超前保護(hù)系統(tǒng)。提高輸油管道的檢測(cè)能力，提供可靠的控制和通訊手段，編制開發(fā)工況分析與水擊保護(hù)的控制軟件及專家診斷系統(tǒng)，提供各種工況下的運(yùn)行參數(shù)，為水擊超前保護(hù)提供必要的支持。

(4)嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程。防止或減少因設(shè)備誤操作及設(shè)備故障引起的水擊。

4 結(jié)論

(1)在密閉輸油管路中，泵啟停輸、閥門的開啟及關(guān)閉、泵機(jī)組發(fā)生故障、調(diào)節(jié)閥失常等都會(huì)引起水擊，導(dǎo)致管道局部超壓、液柱分離及泵汽蝕等危害，嚴(yán)重影響輸油管道的安全、可靠運(yùn)行。

(2)對(duì)水擊壓力與波速計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，用特征線法對(duì)水擊問題進(jìn)行求解，為后續(xù)輸油管道的水擊分析提供理論支撐。

(3)水擊波攔截、順序停泵、自動(dòng)泄壓保護(hù)及水擊超前保護(hù)等措施，可以減少或防止水擊的發(fā)生，為輸油管道水擊防護(hù)提供技術(shù)指導(dǎo)。