成品油长输管道多采用密闭输送工艺, 沿线一般设有若干座分输泵站, 全线为一个统一的水力系统。以西南成品油管道为例, 管道全长2042km, 途径广东、广西、贵州、云南四省区, 沿线共设置22座输油站, 其中泵站15座, 正常输油时运行主输泵机组超过35台。成品油长输管道一旦出现泵站机组失电停运、干线阀门意外关闭等情况时, 将对事故点及上下游站场造成极大的影响。本文主要讨论事故工况引起的水击及控制方案。
1 成品油长输管道水击特点
(1) 输送介质交替变化、运行工况不稳定。 (2) 压力波传播速度快、应急响应时间短。 (3) 波及范围广、应急操作难度大。 (4) 压力波的叠加。
2 水击过程分析
成品油长输管道系统发生扰动后, 扰动点上游侧压力的上升分为两部分:突然停泵或关阀产生的直接水击压力 ΔP1, 管道充装引起的压力上升 ΔP2[1]。
2.1直接水击压力
管内压力波的传播速度取决于液体的可压缩性和管道的弹性, 对于薄壁管道 ( D δ >25) , 压力波传播速度的可通过公式 (1) 计算:
式中C—压力波的传播速度, m/s;
K—液体的弹性系数, Pa;
ρ—液体的密度, kg/m3;
E—管材的弹性模量, Pa;
D—管道内径, mm;
δ —管壁厚度, mm;
C1—管道的约束系数, C1= 1 - μ2 ( μ 为管材的泊松系数, 埋地管道取0.3) 。
以西南成品油管道盘县—曲靖段为例, 管道外径406.4mm, 壁厚7.1mm, 输送介质:柴油, 密度:850kg/m3, 弹性系数K=1.5×109Pa, 管材弹性模量E=206.9×109Pa, 计算得出压力波传播速度为1137m/s。实际生产中, 可通过统计正常工况调整时压力波传递到上下游站场的时间, 反算出不同管道压力波的实际传播速度。
根据儒可夫斯基的水击理论, 由流速瞬间变化产生的水击压力可通过公式 (2) 计算:
式中 ΔP1—直接水击压力值, Pa;
ρ — 液体的密度, kg/m3;
c — 压力波传播速度, m/s;
Δv—流速变化量, Δv=v0-v, m/s;
v0—扰动前的流速, m/s;
v — 扰动后的流速, m/s。
以西南成品油管道盘县—曲靖段为例, 输送介质:柴油, 稳定运行流量535m3/h, 流速约1.23m/s, 当曲靖进站阀全关时, 根据公式 (2) 计算得出直接水击压力为1.19MPa, 如图1 所示, 曲靖进站阀关闭后, 进站压力在15s内由5.36MPa迅速上升至6.64MPa, 实际压力变化值为1.28MPa。
2.2 管道充装压力
由于稳态流动时摩阻损失引起的压力坡降的存在, 在管道水力瞬变过程中, 增压波前锋经过后, 管道容积和管内压力持续增加的过程称为管道充装[2]。根据液体体积压缩系数的定义得出如下公式, 近似计算管道充装引起的压力变化:
式中ΔP2—管道充装引起的压力变化, Pa;
K — 液体的弹性系数, Pa;
ΔV—管道充装的液体体积, m3;
V—管道容积, m3。
以西南成品油管道盘县 — 曲靖段为例, 该段管容为13680m3, 输送介质:柴油, 稳定运行流量:535m3/h, 曲靖进站阀关闭后, 上游盘县站继续向该管段充装柴油约9m3, 利用公式 (3) 计算得出充装引起的压力变化为1.28MPa。
如图1 所示, 曲靖进站阀关闭的15s~145s内, 进站压力由6.64MPa快速上升至7.97MPa, 由于充装作用引起的曲靖进站压力实际变化值为1.33MPa。曲靖进站阀关闭75s后, 上游盘县泵开始停泵操作, 盘县停泵操作70s后减压波传递至曲靖站, 曲靖进站压力开始下降。
3 水击过程控制
通过上述水击过程分析不难发现, 中间站泵机组全部停运或截断阀全关后, 该站进站压力上升分为两个阶段, 第一阶段由直接水击压力引起的进站压力直线上升, 持续时间在20s以内;第二阶段由管道充装作用引起的进站压力快速上升, 持续时间取决于上游泵站停止充装的时间。对于特定 (管道规格一定) 的管道, 当输油工况 (输送介质、运行流量) 不变时, 直接水击压力无法实现有效控制, 应主要考虑通过减轻管道充装作用, 实现扰动点上游管段不超压, 下游管段不出现液柱分离。
水击过程控制主要有水击超前保护、顺序停泵保护、自动泄压保护、人工干预等方式[3]。
4 结语
西南成品油长输管道采用人工操作为主、自动泄压与顺序停泵保护为辅的方式进行水击过程控制, 该种方式能够充分发挥调度人员的灵活性, 能够较好的适应成品油长输管道工况频繁变化带来的不确定性, 基本能够满足水击压力控制要求。
为了准确的预测水击压力并采取切实有效的保护措施, 管道运营企业要注重水力仿真系统的应用, 以SCADA系统为基础, 依托在线仿真系统, 真正实现管道输送过程控制自动化, 即稳态和瞬态过程的最优控制。
摘要：成品油长输管道全线为一个统一的水力系统, 一旦出现泵机组意外停运、干线阀门误关闭等情况, 产生的水击压力对事故点及上下游站场造成极大的影响。以西南成品油管道为例, 定量分析直接水击压力及管道充装压力, 明确人工干预的最大响应时间。结合实际生产中水击压力控制存在的问题, 建议管道运营企业以现有的SCADA系统为基础, 依托水力在线仿真系统, 真正实现管道输送过程控制自动化。
关键词：成品油管道,水击压力,分析,控制
参考文献
[1] 张国权刘凯:成品油管道的水击及其防护措施, 油气储运, 2006, 25 (12) :61~63.
[2] 钟家勇董列武:成品油管道高点泵站机组停运的应急处理措施., 石油库与加油站, 2009, 18 (4) :39~41.
[3] 王永红李晓平宫敬:长输管道在线仿真系统的应用与展望, 油气储运, 2011, 30 (2) :90~93.