杜明俊，商 峰，熊新強(qiáng)，譚紅梅，公茂柱

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司， 河北 任丘 062552）

“水擊”是密閉輸油管道運(yùn)行過程中不可避免的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)研究表明，管道發(fā)生水力瞬變所引起的壓力升降具有較高的頻率，且該壓力變化幅值可達(dá)到正常管壓的幾倍、幾十倍甚至上百倍[1]。管內(nèi)壓力的大幅波動易引起管道強(qiáng)振，造成局部管段液柱分離、泵汽蝕等破壞，有時甚至引發(fā)爆管泄漏等重大事故[2]。因此，對于管道工程設(shè)計(jì)來說，模擬水擊工況，制定合理有效的保護(hù)措施具有重要的實(shí)際意義。

所謂水擊超前保護(hù)是指控制中心在接收到可能引起破壞性水力瞬變時，控制系統(tǒng)自行啟動相應(yīng)于不同水擊源而預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化控制程序[3]。其控制原理是，當(dāng)管道發(fā)生水擊時，控制系統(tǒng)迅速向上、下游站場發(fā)出指令（順序停泵或關(guān)閉閥門等），使上、下游分別產(chǎn)生一個與水擊壓力波反向的擾動波，從而削弱流體壓力脈動對管道的破壞。

筆者基于SPS軟件，結(jié)合瞬變流動理論，在分析以往水擊超前保護(hù)措施的基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制方案，動態(tài)模擬了不同水力瞬變工況下，管道系統(tǒng)實(shí)施水擊超前保護(hù)措施的全過程。設(shè)計(jì)思想可為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 管道概況

某成品油管道全線長 240 km，設(shè)計(jì)壓力 8.0 MPa，沿線設(shè)首站、中間注入泵站和末站3座站場，6座RTU閥室。首站至中間注入站，管徑D457×7.1 mm，中間注入站至末站，管徑D508×7.1 mm。采用SPS軟件建立管道物理模型和邏輯控制關(guān)系，并進(jìn)行水擊工況模擬及分析計(jì)算。

2 控制方程

當(dāng)發(fā)生水擊時，水擊超前保護(hù)控制程序可以合理的調(diào)整管道壓力、流量的變化。其控制變量為：泵的啟停數(shù)量，閥門的開、關(guān)及開度設(shè)定值，變頻泵的頻率調(diào)節(jié)等[4-6]。這些變量相互制約，每一項(xiàng)的改變都將影響管道的流量和各站的進(jìn)、出站壓力。結(jié)合實(shí)際管道的控制方法，這里選擇壓力調(diào)節(jié)作為控制變量?？刂品匠倘缦拢?/p>

式中：Pci—各站出站壓力，MPa；

Pcig—管道最大允許出站壓力，MPa；

PJi—管道進(jìn)站壓力，MPa；

PJig—管道最小允許進(jìn)站壓力，MPa；

PGij—管道各點(diǎn)運(yùn)行壓力，MPa；

PVig—流體氣化壓力，Mpa；

PViz—管道的最大允許承壓，MPa；

Cp—停泵調(diào)節(jié)特性；

Cg—變頻泵調(diào)節(jié)特性；

CV—閥門調(diào)節(jié)特性。

3 水擊過程分析

水擊過程分析主要模擬以下工況：

(1)泵站停電事故工況；

(2)各站場進(jìn)、出站閥門事故關(guān)斷工況；

(3)線路監(jiān)控閥室截?cái)嚅y事故關(guān)斷工況。

瞬態(tài)計(jì)算（水擊）是在穩(wěn)態(tài)計(jì)算基礎(chǔ)上，對管道正常運(yùn)行情況下可能發(fā)生的各種事故工況進(jìn)行模擬分析。這里以某一工況（首站900 m3/h，注入站200 m3/h）下輸送柴油（輸送柴油時的壓力和流量變化幅度大于輸送汽油時的工況）為例，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算及瞬態(tài)分析。穩(wěn)態(tài)輸送過程的水力坡降見圖1。

圖1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的水力坡降圖Fig.1 The hydraulic gradient map of steady-state operation

3.1 中間注入泵站事故停電

1）無水擊保護(hù)措施

中間注入泵站停電事故，導(dǎo)致泵機(jī)組停運(yùn)。管線不同時刻的流量及壓頭變化見圖2-3。

圖2 中間站停電事故1 min后的水力坡降圖Fig.2 After one min the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

圖3 中間站停電事故30 min后的水力坡降圖Fig.3 After thirty minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

研究表明：中間注入站事故停電,泵機(jī)組停運(yùn)，首站出站壓力逐步升高。10.5 min后，出站壓力開始超過管道最大允許壓頭。30 min后，首站最大水擊壓頭達(dá)1 140 m，遠(yuǎn)超過管道設(shè)計(jì)壓力，故需采取水擊超前保護(hù)措施。

2）水擊保護(hù)控制過程（圖4-5）

（1）中間泵站停電，泵機(jī)組發(fā)出停運(yùn)信號；

（2）接收泵機(jī)組停運(yùn)信號30 s后，打開中間站越站閥門；

圖4 采取水擊保護(hù)1.5 min后的水力坡降圖Fig.4 After one point five minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

（3）中間站越站閥門開啟30 s后，將首站出站壓力調(diào)至6.2 MPa，確保管道沿線以700 m3/h的輸量運(yùn)行；

（4）程序滿足條件自動觸發(fā)，在執(zhí)行過程中遇到問題立即報(bào)警。

圖5 采取水擊保護(hù)8 min后的水力坡降圖Fig.5 After eight minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

中間泵站停電事故，采取水擊保護(hù)措施后，全線無超壓工況，且水力瞬變過渡過程平穩(wěn)快速，8 min后管道全線將以700 m3/h的穩(wěn)定輸量運(yùn)行。

3.2 中間注入泵站出站閥門事故關(guān)斷

1）無水擊保護(hù)措施

中間注入泵站出站閥門事故關(guān)斷，導(dǎo)致沿線斷流。管道不同時刻的流量及壓頭變化見圖6-7。

圖6 中間站停電事故4 min后的水力坡降Fig.6 After four minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

圖7 中間站停電事故18 min后的水力坡降Fig.7 After eighteen minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

研究表明：中間注入泵站出站閥門事故關(guān)斷，產(chǎn)生增壓波向上游傳遞，減壓波向下游傳遞。若不采取水擊保護(hù)措施，首站至中間注入站管道壓力遠(yuǎn)超過管道最大允許壓頭，且末站附近高點(diǎn)（234.9 km）處出現(xiàn)負(fù)壓工況，引起高點(diǎn)氣體逸出，故需采取水擊超前保護(hù)措施。

2）水擊保護(hù)控制過程（圖8-9）

（1）出站閥門事故關(guān)斷，系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閥信號；

（2）接收閥門關(guān)閉信號30 s后，打開中間越站閥門，同時停運(yùn)中間注入站所有泵機(jī)組；

（3）第二步執(zhí)行30 s后，調(diào)整首站出站壓力為6.73 MPa，末站進(jìn)站壓力為1.0 MPa，保證管道沿線以700 m3/h的輸量運(yùn)行。

（4）程序滿足條件自動觸發(fā)，在執(zhí)行過程中遇到問題立即報(bào)警。

圖8 采取水擊保護(hù)1.5 min后的水力坡降圖Fig.8 After one point five minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

圖9 采取水擊保護(hù)12 min后的水力坡降圖Fig.9 After twelve minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

研究表明：中間站出站閥門誤關(guān)斷，采取水擊保護(hù)措施后，全線無超壓工況，且水力瞬變過渡過程平穩(wěn)快速，12 min后管道全線將以700 m3/h的穩(wěn)定輸量運(yùn)行。

3.3 4#監(jiān)控閥室線路截?cái)嚅y事故關(guān)斷

1）無水擊保護(hù)措施

4#監(jiān)控閥室線路截?cái)嚅y事故關(guān)斷，不同時刻的管道流量及壓頭變化見圖10-11。

研究表明：4 #監(jiān)控閥室閥門事故關(guān)斷，產(chǎn)生增壓波向上游傳遞，產(chǎn)生減壓波向下游傳遞，閥門開始關(guān)閉4 min后首站至4#監(jiān)控閥室段管道超壓，隨著時間的延長，進(jìn)站高點(diǎn)處出現(xiàn)負(fù)壓，故需采取水擊超前保護(hù)措施。

圖10 4#截?cái)嚅y事故關(guān)斷5 min后的水力坡降Fig.10 After five minutes hydraulic gradient map of 4#cut-off valve turn off

圖11 4#截?cái)嚅y事故關(guān)斷14 min后的水力坡降Fig.11 The hydraulic gradient map fourteen minutes after turning off 4# cut-off valve

2）水擊保護(hù)控制過程（圖12-13）

（1）4#監(jiān)控閥室閥門閥門事故關(guān)斷，系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閥信號；

（2）接收閥門關(guān)閉信號30 s后，停運(yùn)首站所有輸油泵；

（3）在第二步執(zhí)行后30 s后，調(diào)整中間站出站壓力為2.4 MPa，末站壓力為1.0 MPa；保證中間站至末站管道以500 m3/h的輸量運(yùn)行。

（4）程序滿足條件自動觸發(fā)，在執(zhí)行過程中遇到問題立即報(bào)警。

研究表明：4#監(jiān)控閥室截?cái)嚅y門誤關(guān)斷，采取水擊保護(hù)措施后，全線無超壓和負(fù)壓工況，且水力瞬變過渡過程平穩(wěn)快速，16 min后中間站至末站管線將以500 m3/h的穩(wěn)定輸量運(yùn)行。

圖12 采取水擊保護(hù)4 min后的水力坡降圖Fig.12 After four minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

圖13 采取水擊保護(hù)16 min后的水力坡降圖Fig.13 After sixteen minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

4 結(jié)論及建議

通過對成品油管道水擊超前保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，并綜合以往的設(shè)計(jì)方案，建立了水擊優(yōu)化控制基本模型。結(jié)合實(shí)例，采用SPS軟件建立管道系統(tǒng)物理模型和邏輯控制關(guān)系，動態(tài)分析了不同水力瞬變工況下，水擊超前保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)用性能。計(jì)算結(jié)果表明：該方法達(dá)到了滿意的設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)思想可為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

［1］李樹慧.水擊方程的完善與計(jì)算方法[D]. 鄭州:鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006-05.

［2］熊輝.原油管道仿真系統(tǒng)的開發(fā)[D].東營：中國石油（華東）大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010-05.

［3］袁運(yùn)棟.輸油管線水擊超前保護(hù)與 ESD系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D]. 西安:西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011-11.

［4］宮 敬，嚴(yán)大凡，張維東.長輸管道水擊控制的數(shù)學(xué)模型.[J]管道技術(shù)與設(shè)計(jì)，1994，2（2）:3-7.

［5］韓春宇，黃 春，陳飛,等.東臨復(fù)線水擊保護(hù)實(shí)例分析.[J]油氣儲運(yùn)，2008,27（2）:53-55.

［6］鐘仕榮.勇滬寧原油管道水擊分析與超前保護(hù)[J].化工自動化及儀表,2005,32（6）:48 -50.