陳小華 徐德騰 李旺 黃建新 秦鵬 鄭鴻浩

摘? ? ? 要：介紹了水擊保護(hù)系統(tǒng)以及泄壓系統(tǒng)的開啟邏輯，分析了目前泄壓系統(tǒng)中影響水擊泄放量的主要因素。采用工藝管道水擊仿真的方法探討了不同水擊工況對(duì)泄放量的影響。以西南某管道泵站為例，創(chuàng)新性地引入超前保護(hù)失效的極限工況，計(jì)算顯示極限工況下當(dāng)上游泵站持續(xù)輸送油品時(shí)下游站場(chǎng)進(jìn)站泄壓系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)行泄放，下游站場(chǎng)進(jìn)站壓力始終在泄壓閥開啟壓力值上下波動(dòng)，在站場(chǎng)人員關(guān)閉泄壓閥手動(dòng)閥門前，泄壓罐不足以容納極限工況下的水擊泄放量。

關(guān)? 鍵? 詞：水擊仿真;泄壓系統(tǒng);泄放量

中圖分類號(hào)：TE978? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）11-2552-04

Research on Surge Release Volume Based on Simulation

CHEN Xiao-hua1， XU De-teng1， LI Wang1， HUANG Jian-xin1， QIN Peng1， ZHENG Hong-hao2

（1. PetroChina Southwest Pipeline Company， Chengdu 610094， China;

2. School of Petroleum Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）

Abstract： The water hammer protection system and the opening logic of the pressure relief system were introduced， and the main factors affecting release volume in the pressure relief system were analyzed. The method of pipeline simulation was used to investigate the influence of different water hammer conditions on the release volume. Taking a pipeline pump station in Southwest of China as an example， under the limit condition of advance protection failure， the simulation calculation was carried out. The results showed that， under the limit condition of water hammer， when the upstream pump station continued to deliver oil and the surge relief valve of downstream station continued to work， the inlet pressure oscillated near the pressure of surge release valve working pressure. Before the staff closed the manual valve， the tank was not enough to accommodate the release volume under the limit condition of water hammer.

Key words： Water hammer simulation; Surge release system; Release volume

20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)距離輸油管道大多通過“旁接油罐”的方式來調(diào)節(jié)管道流量波動(dòng)和緩沖壓力波動(dòng)。旁接油罐的容量一般按管道的1～1.5 h輸送量確定，當(dāng)管道發(fā)生壓力波動(dòng)時(shí)運(yùn)行人員有足夠的時(shí)間可進(jìn)行調(diào)整。20世紀(jì)80年代以后，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道大多采用密閉輸送管道，密閉輸送相較于旁接油罐輸送動(dòng)能損失小、油品蒸發(fā)損耗少，但密閉輸送全線為一個(gè)統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，全線各個(gè)站場(chǎng)進(jìn)出站壓力互相聯(lián)系，一旦管道某處出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)全線壓力都將受到影響，因此密閉輸送管道為了保證管道的平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)了水擊防護(hù)系統(tǒng)來保證全線的壓力安全。水擊防護(hù)系統(tǒng)中的泄壓系統(tǒng)代替了“旁接油罐”輸送流程中旁接罐的緩沖作用。當(dāng)管線因故障出現(xiàn)超壓工況時(shí)，泄壓系統(tǒng)可以通過泄放油品來降低壓力，泄放的油品經(jīng)過泄放管道流向泄壓罐，泄壓罐的容量決定著站場(chǎng)抵御超壓工況能力的大小 [1-4]。

泄壓系統(tǒng)在石化行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)泄壓系統(tǒng)的相關(guān)研究主要集中于泄壓閥的特性以及相關(guān)的計(jì)算，但對(duì)于水擊泄放量的計(jì)算較少，且針對(duì)的水擊工況較為安全，都沒有考慮泵站持續(xù)輸送油品的極端工況[5-7]。這種工況計(jì)算的水擊泄放量過小，當(dāng)出現(xiàn)極端工況時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致泄放過程中發(fā)生“冒罐”事故。為保證站場(chǎng)泄壓系統(tǒng)的泄放安全，基于OLGA軟件結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對(duì)水擊泄放量進(jìn)行研究，為生產(chǎn)實(shí)踐中泄壓罐的容量選擇提供指導(dǎo)。

1? 水擊保護(hù)系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)采用密閉輸送的長(zhǎng)距離輸油管道大多都設(shè)置了超前保護(hù)系統(tǒng)和泄壓系統(tǒng)進(jìn)行水擊保護(hù)。管道超前保護(hù)系統(tǒng)主要采取壓力控制模式，采用停泵和保護(hù)調(diào)節(jié)的方法對(duì)各泵站進(jìn)、出站壓力和末站進(jìn)站壓力進(jìn)行控制。當(dāng)末站或干線閥門誤關(guān)閉、中間泵站突然停泵等工況下發(fā)生水擊事故時(shí)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）向全線安全保護(hù)PLC發(fā)出水擊信號(hào)，PLC自動(dòng)向相關(guān)站場(chǎng)SCS下達(dá)水擊保護(hù)執(zhí)行指令，通過保護(hù)性調(diào)節(jié)或順序停掉相關(guān)泵站輸油泵等方法向下游發(fā)出減壓波，防止管線相對(duì)薄弱地段超壓。通過SCADA控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)出站壓力、順序停泵、水擊事故判定等保護(hù)和調(diào)節(jié)功能，在監(jiān)測(cè)到水擊事故發(fā)生時(shí)進(jìn)行超前保護(hù)并進(jìn)行控制，可以有效地保護(hù)輸油設(shè)備和工藝管道，保證管道全線安全運(yùn)行。

泄壓系統(tǒng)作為管道水擊防護(hù)系統(tǒng)的最后一道防線，主要由泄壓閥、泄壓罐以及相連接的管道組成。泄壓閥作為泄壓系統(tǒng)中的核心設(shè)備不具有主動(dòng)開啟的功能，只有在管道壓力超過泄壓閥設(shè)定值后才會(huì)打開泄放油品。當(dāng)管道內(nèi)壓力值超過泄壓閥設(shè)定值，泄壓閥開啟泄放油品。

1.1? 泄壓閥

泄壓閥根據(jù)工作原理可分為氮?dú)馐叫箟洪y和先導(dǎo)式泄壓閥。先導(dǎo)式泄壓閥由于導(dǎo)閥過濾器易被雜質(zhì)堵塞，通常應(yīng)用于成品油管道。氮?dú)馐叫箟洪y相較于先導(dǎo)式泄壓閥對(duì)油品要求低，常應(yīng)用于原油管道，具有流通能力大、響應(yīng)迅速、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，但成本比先導(dǎo)式泄壓閥高，同時(shí)氮?dú)馐叫箟洪y還可以通過缸蓋上的調(diào)速閥控制閥門啟閉速度，從而達(dá)到閥門“快開慢關(guān)”的效果，來降低關(guān)閥過程中的壓力震蕩，避免關(guān)閥過程中造成二次水擊，但氮?dú)馄繅毫σ资墉h(huán)境影響，造成泄壓設(shè)定值的變化，易引發(fā)微超不泄或偷泄不止[8-10]。

1.2? 泄壓罐

輸油站場(chǎng)中的泄壓罐通常為常壓拱頂罐。超壓泄放過程中，大量油品涌入泄壓罐內(nèi)，同時(shí)油品的進(jìn)入壓縮罐內(nèi)氣相空間體積，造成罐內(nèi)壓力上升，為保證泄壓罐壓力安全和液位安全，每個(gè)泄壓罐都配備有全天候呼吸閥和高低液位報(bào)警器。不同管線的泄壓罐容量也不同，但目前國(guó)內(nèi)沒有關(guān)于泄壓罐容量選擇的明確規(guī)定，只有《輸油管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50523—2014）中規(guī)定站場(chǎng)泄壓罐設(shè)置及容量應(yīng)根據(jù)瞬態(tài)水擊分析確定。哈薩克斯坦則根據(jù)輸油管直徑對(duì)泄壓罐容量有明確的規(guī)定，如表1所示[11]。

2? 水擊泄放量影響分析

長(zhǎng)輸管道中水擊引起的壓力可通過下式計(jì)算：

。

式中：ΔH —水擊產(chǎn)生的水頭，m;

Δc —流體速度變化，m·s-1;

a —聲音在流體中傳播的速度， m·s-1;

g —重力加速度，m·s-2。

從水擊壓力計(jì)算的公式可以看出，決定水擊壓力的大小是流體輸送的速度，因此液體管道全線因沿線閥室突然關(guān)斷造成的水擊壓力理論上是相等的，但壓力波在傳遞過程中有能量損失，閥室離站場(chǎng)距離越遠(yuǎn)能量損失越大，到達(dá)站場(chǎng)后的水擊壓力損失越大。水擊工況造成的壓力越大泄壓系統(tǒng)降壓所需的泄放量越大。通常管道的超前保護(hù)系統(tǒng)在發(fā)生水擊時(shí)會(huì)制造減壓波來削弱水擊壓力，這時(shí)泄壓系統(tǒng)降壓所需的泄放量會(huì)大大減少。為探討水擊工況對(duì)水擊泄放量的影響，基于多相流模擬軟件OLGA建立仿真模型對(duì)不同水擊工況分別進(jìn)行分析。

2.1? 超前保護(hù)下的泄放量計(jì)算

利用OLGA軟件模擬建立西南某原油管道仿真模型。該管道主要輸送沙特輕質(zhì)原油，油品密度為0.856 g·cm-3，A站為整條管線的首站，B站和C站為加壓泵站（圖1）。A站與B站相距116 km，與C站相距152 km（圖2）。

利用OLGA軟件模擬B站在超前保護(hù)系統(tǒng)下，因閥門故障引起的超壓工況。

1）管道參數(shù)：管道輸送管徑813 mm，年輸量1 300萬t·a-1，B泵站泄壓閥直徑300 mm，泄壓閥開啟壓力7.7 MPa，泄壓罐容量200 m3×2。

2）水擊工況：B泵站進(jìn)站閥門關(guān)斷（關(guān)閥時(shí)間180 s）。

3）超前保護(hù)系統(tǒng)：B站進(jìn)站閥門在第100 s開始關(guān)閥，第280 s完全關(guān)閉，B站進(jìn)站閥門離開全開位30 s內(nèi)停運(yùn)A站所有給油泵和輸油主泵，同時(shí)停運(yùn)B站所有外輸泵站;A站執(zhí)行停泵后150 s，停運(yùn)C站所有輸油主泵。

4）模擬結(jié)果：當(dāng)B站進(jìn)站閥門離開全開位30 s后，超前保護(hù)系統(tǒng)工作，B站和A站通過輸油泵停輸分別產(chǎn)生一個(gè)減壓波向下游傳播，B站進(jìn)站壓力在停泵后由4.57 MPa迅速下降至4.14 MPa（圖3）。當(dāng)閥門完全關(guān)閉后，閥門處產(chǎn)生一個(gè)增壓波向上游方向傳播。當(dāng)進(jìn)站閥門完全關(guān)閉后，進(jìn)站壓力停止下降并在增壓波和減壓波的作用下發(fā)生波動(dòng)然后趨于平穩(wěn)。在此過程中，水擊壓力引起的增壓波與停泵造成的減壓波互相抵消使得B站進(jìn)站壓力保持在泄壓閥開啟壓力之下，泄壓系統(tǒng)沒有工作，水擊泄放量為0。

從模擬結(jié)果中可以看出，超前保護(hù)系統(tǒng)在閥門沒有完全關(guān)閉時(shí)通過停泵使B站進(jìn)站壓力大幅度下降，當(dāng)閥門完全關(guān)閉后，B站的進(jìn)站壓力只是發(fā)生上下波動(dòng)，管道沒有出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。

2.2? 超前保護(hù)失效下的泄放量計(jì)算

從超前保護(hù)下的超壓工況模擬中可以看出，超前保護(hù)對(duì)水擊壓力有很大的削弱作用。在超前保護(hù)的作用下，泄壓系統(tǒng)很少工作，這與現(xiàn)場(chǎng)反映的實(shí)際情況相符。在站場(chǎng)日常運(yùn)行中，泄壓系統(tǒng)是作為水擊保護(hù)系統(tǒng)的最后一道防線，當(dāng)超前保護(hù)失效時(shí)泄壓系統(tǒng)必須保證管道的壓力安全，因此必須計(jì)算極限工況下泄壓系統(tǒng)的泄放能力。

1）管道參數(shù)：輸送管徑813 mm，輸量1 300萬t·a-1，B泵站泄壓閥直徑300 mm，泄壓閥開啟壓力7.7 MPa，泄壓罐容量200 m3×2，上站泵停車壓力13.8 MPa。

2）水擊工況：B站進(jìn)站閥門突然關(guān)斷（關(guān)閥時(shí)間40 s）。

3）超前保護(hù)系統(tǒng)：管道全線超前保護(hù)失效，B站閥門關(guān)斷后全線無法順序停泵;A站出站泄壓系統(tǒng)失效。

4）模擬結(jié)果：B站進(jìn)站閥在第100 s開始關(guān)閉第140 s秒完全關(guān)閉，水擊壓力作用下B站進(jìn)站壓力迅速上升至5.3 MPa。由于全線超前保護(hù)系統(tǒng)失效，B站關(guān)閉信號(hào)發(fā)出后，SCADA系統(tǒng)無法做出反應(yīng)，全線無法順序停泵，A站輸油泵持續(xù)輸送油品，使得B站上游管道出現(xiàn)“憋壓”現(xiàn)象，A站和B站之間的管道壓力持續(xù)上升。B站進(jìn)站閥門關(guān)閉480 s后，B站進(jìn)站壓力上升至泄壓閥開啟壓力7.7 MPa（圖4）。

當(dāng)增壓波傳遞至A站后，A站出站壓力在水擊壓力的作用下迅速上升至7.3 MPa，由于A站輸油泵持續(xù)輸送油品同時(shí)A站出站泄壓系統(tǒng)失效，A站出站壓力持續(xù)上升，B站泄壓閥開啟后A站壓力停止上升并開始下降最后趨于穩(wěn)定，此過程中A站出站壓力最高上升至10.3 MPa，沒有達(dá)到A站輸油泵停輸壓力（13.8 MPa）（圖5）。由于超前保護(hù)系統(tǒng)失效且A站壓力沒有達(dá)到輸油泵停車壓力，且A站輸油泵為定速泵，A站輸油泵仍以1 800 m3·h-1的輸量持續(xù)輸送油品。

由于B站進(jìn)站閥門關(guān)閉后A站仍持續(xù)輸送油品，導(dǎo)致A、B站間管道內(nèi)油品被壓縮，管道內(nèi)壓力持續(xù)上升。B站泄壓罐為常壓罐，當(dāng)B站進(jìn)站泄壓閥開啟后巨大的壓差導(dǎo)致B站泄放流量最高達(dá)到3 210 m3·h-1，之后開始下降，最后泄放流量在? ? ? 1 800 m3·h-1上下波動(dòng)（圖6）。B站泄壓系統(tǒng)的高流量泄放使得累計(jì)泄放量在泄壓閥開啟后320 s達(dá)到200 m3，672 s后達(dá)到400 m3。

從模擬結(jié)果中可以看出，超前保護(hù)系統(tǒng)和A站出站泄壓系統(tǒng)失效時(shí)，B站泄壓閥開啟后11 min將兩個(gè)200 m3泄壓罐完全充滿，而這個(gè)時(shí)間不足以讓現(xiàn)場(chǎng)做出失效判斷、應(yīng)急處置請(qǐng)示并通知全線手動(dòng)停泵，因此超前保護(hù)失效下泄壓罐必定會(huì)出現(xiàn)“冒罐”事故。為保證站場(chǎng)的壓力安全，在選擇泄壓罐容量時(shí)應(yīng)將極限工況下人員事故應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，要保證發(fā)生極限工況時(shí)站場(chǎng)人員有足夠的時(shí)間在發(fā)現(xiàn)泄壓閥開啟后向上級(jí)申請(qǐng)指示并通知全線手動(dòng)停泵。

3? 結(jié) 論

1）超前保護(hù)系統(tǒng)對(duì)水擊壓力有非常大的削弱，削弱后的水擊壓力通常不會(huì)達(dá)到泄壓閥開啟壓力;而超前保護(hù)系統(tǒng)失效下，站場(chǎng)泄壓系統(tǒng)會(huì)持續(xù)泄放油品，水擊泄放量過大導(dǎo)致泄壓罐存在“冒罐”風(fēng)險(xiǎn)。

2）計(jì)算水擊泄放量時(shí)應(yīng)根據(jù)管道的最大年輸量，以極限工況（超前保護(hù)失效）中泄壓閥開啟后，站場(chǎng)人員向上級(jí)申請(qǐng)指示并通知全線手動(dòng)停泵時(shí)間內(nèi)的泄放量為最大水擊泄放量，依據(jù)最大水擊泄放量選擇泄壓罐容量。

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