基于SPS的成品油库汽车发油系统水击瞬态分析

姜连华，李惠杰，许立娟，高 伟，李邵杰

（1. 中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司，河北 任丘 062552； 2. 华北油田公司基建工程部，河北 任丘 062552）

基于SPS的成品油库汽车发油系统水击瞬态分析

姜连华1，李惠杰2，许立娟1，高 伟1，李邵杰1

（1. 中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司，河北 任丘 062552； 2. 华北油田公司基建工程部，河北 任丘 062552）

成品油库工艺系统的水击破坏往往不被人们所重视，以某成品油库为例，应用SPS软件建立了油库汽车发油系统物理模型和控制关系，数值模拟了变频泵机组不同发油工况，管线水击压力的变化情况。研究表明：当6鹤管中同时有1～2鹤管发油结束，工艺系统产生的水击压力较小；当6鹤管中同时有3～4个鹤管发油结束，发油系统水击压力增大明显，最大水击压力可达1.15 MPa；当6鹤管同时发油结束，阀门关闭瞬间，水击压力超过系统设计压力，虽然持续时间较短，但系统长期从事类似的操作，会对管线、阀门、尤其是仪表设备造成一定的破坏，适当增加泄压工艺是防止水击破坏的有效措施。

SPS软件；成品油库；发油系统；水击

成品油库内的工艺管线与长输管道相比，管径小、距离短，且尚未做到全密闭输送，因此，成品油库在运行过程中所形成的水击往往不被人们重视。

随着成品油库自动化水平的不断提高，精密仪表、紧急切断工艺的不断应用，对水击危害的防治也越来越受到人们的广泛关注，尤其在成品油库发油系统中，阀门的突然启闭会导致管道中流体的流速瞬时加剧，形成水击。实验表明［1，2］，管道发生水力瞬变所引起的压力升降具有较高的频率，且该压力变化幅值可达到正常管压的几倍、几十倍甚至上百倍。因此，对于工程设计单位来说，模拟水击工况，制定合理有效的防护措施，将水击压力控制在正范围内，对后期运行来说具有重要的实际意义。这里以某成品油库为例，利用 SPS软件建立发油系统物理模型和逻辑控制关系，数值模拟了发油系统油品切换及紧急切断时的水击工况，所得成果可为预防水击破坏和优化泄压流程提供一定的理论指导。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本油库汽车发油系统采用多泵对多鹤位分组调频工艺，即控制系统通过识别作业鹤管的数量，控制启泵数及整个并联泵机组的运行频率；下面以柴油装车为例，来分析汽车装车结束，数控电液阀突然关断时的管线水击压力变化情况。这里采用世界通用的SPS管道水击分析软件进行瞬态模拟计算；电液阀关断时间按10 s计，假设柴油最多可同时运行6个鹤管，SPS建立的物理模型见图1。

图1 汽车发油系统物理模型Fig.1 Physical model of automobile oil system

1.2 数学模型［3］

数控电液阀在突然关闭过程中，由于阀芯面积减小，流量降低，导致阀两侧压力不断变化。根据瞬变流动理论，建立阀门关闭过程的水击控制方程如下：

连续性方程：

运动方程：根据装车结束时间的不同，汽车发油系统也存在 6种不同的水击工况，详见下面分析。

2.1 水击工况1、2

当6路鹤管中的1路鹤管发油结束，剩余5路正常发油时，此时控制系统发出调频指令，泵机组降频，输出流量变为500 m3/h；发油结束瞬间泵机组调频过程中管线压力变化见图2，3，稳定后的水力迫降见图4。

式中：V — 流速，m/s；

P — 压力，MPa；

D — 管道内径，m；

α — 管道与水平方向夹角。

2 数值模拟及结果分析

图2 发油系统正常运行时的管道系统水力迫降图Fig.2 The normal operation of the hydraulic system of oil pipeline landing system

图3 单路电液阀关闭时发油系统水力迫降变化图Fig.3 Single channel electro-hydraulic valve closed hydraulic oil system landing Fig.

6鹤管正常发油时的水力坡降见图2，此时泵机组出口汇管流程600 m3/h；单个鹤管流量100 m3/h，系统运行压力远低于管线设计压力。

6路鹤管在某一时刻存在同时运行的工程，则

图4 单路电液阀关闭后系统重新稳定的水力坡降图Fig.4 The new stable hydraulic gradient map single electro-hydraulic valve closed system

研究表明：当6路鹤管中的1路鹤管发油结束，电液阀关段瞬间，管线出现压力波动，但波动幅度较小，水击压力远低于管道允许的最大承压，此工况对仪表等设备影响较小。

当6路鹤管中的2路鹤管同时发油结束，泵机组降频输出流量400 m3/h，关阀瞬间，水击压力波动与1路鹤管发油结束压力波动相比，略有增长，但波动幅度仍不大，对仪表等设备影响较小，此处不再扼要。

2.2 水击工况3、4

当6路鹤管中的3路鹤管同时发油结束时，剩余3路正常发油，此时泵机组降频，系统输出流量为300 m3/h，发油结束瞬间泵机组调频过程中管线压力变化见图5，稳定后的水力迫降见图6。

图5 3台电液阀同时关闭时发油系统水力迫降变化图Fig.5 3 Teclast valve closed at the same time when the hydraulic oil system landing Fig.

图6 3台电液阀关闭后系统重新稳定的水力坡降图Fig.6 3 Teclast liquid valve closed system stable hydraulic gradient map

研究表明：当6路鹤管中的3路鹤管同时发油结束，3台电液阀关段瞬间，发油管线出现较大压力波动（最大水击压力约0.9 MPa），虽然水击压力仍不超过管道允许的最大承压，但长时间类似的压力波动会对精密仪表的精度造成一定的影响。

当6路鹤管同时有4路发油结束，剩余2路正常发油时，此时泵机组降频，系统输出流量为200 m3/h，电液阀关段瞬间，管内水击压力波动增大，最大水击压力可达到1.15 MPa，虽然不超过管道允许的最大承压，但水击压力对发油系统的影响已经相当明显。

2.3 水击工况5、6

当6路鹤管中的7路鹤管同时发油结束时，剩余1路正常发油，此时泵机组降频，系统输出流量为100 m3/h，发油结束瞬间泵机组调频过程中管线压力变化见图7。

图7 5台电液阀同时关闭时发油系统水力迫降变化图Fig.7 5 Teclast valve closed at the same time when the hydraulic oil system landing Fig

图8 6台电液阀同时关闭瞬间发油系统水力迫降变化图Fig.8 6 Teclast valve closed at the same time instant oil hydraulic landing Fig.

图9 6台电液阀同时关闭4 s后发油系统水力迫降变化图Fig.9 6 Teclast valve oil hydraulic system diagram and close the landing changes after 4 S

研究表明：当6路鹤管中的5路鹤管同时发油结束，电液阀关段瞬间，管内水击压力波动幅度继续增大（最大水力压力1.42 MPa），已逐渐接近管道最大承压值，且水力压力波动时间较长，对仪表等设备的影响的越发严重。

当6路鹤管同时发油结束，泵机组停运，系统输出流量为0 m3/h，此时，电液阀突然关闭，泵机组连锁停运过程中的管线压力变化见图8、9、10。

图10 6台电液阀同时关闭10 s后发油系统水力迫降变化图Fig.10 6 Teclast valve and close the oil hydraulic system diagram 10s changes after landing

研究表明：当6路鹤管同时发油结束，电液阀关段瞬间，管内水击压力迅速增大，超过管道允许的最大承压，虽然超压持续时间只有5 s，但每次最后一个鹤管发油结束后，都会出现上述工况，长期以往会对管线、阀门、尤其是仪表设备造成一定的不可修改性破坏；因此，建议设计单位对重要设备两端增加卸压流程，以减少由水击压力过大对工艺系统造成的破坏。

3 结论及建议

通过对成品油库汽车发油系统进行水击模拟分析可知：当发油系统采用变频泵机组时，只要整个系统在最终运行结束前，通过调频来控制流量和压力，管线内虽然压力波动较大，但不会超过工艺系统的设计压力；只有当泵机组最终停运时，此时工艺系统的水击压力会瞬时超过设计压力，尽管超压持续时间较短，但系统长期从事类似的操作，会对管线、阀门、尤其是仪表设备造成一定的破坏（尤其是一泵一鹤管的发油系统），因此，建议增加泄压工艺或调整泵的控制措施，来消除或降低水击压力。

［1］杜明俊，商峰，熊新强，等.基于 SPS 的成品油管道水击超前保护工艺分析［J］. 当代化工， 2013，42（10）: 1387-1391.

［2］李树慧. 水击方程的完善与计算方法［D］. 郑州: 郑州大学，2006-05.

［3］刘洪明，杜明俊，李惠杰， 等. 基于SPS 的成品油库汽车发油系统火灾事故 ESD 过程控制研究［J］. 当代化工， 2014，43（9）: 1830-1832.

［4］赵会军，李俊玲，刘凯， 等. 油库发油系统水击控制关断方案［J］.油气储运，2009， 28（10）: 22-25.

Water Hammer Transient Analysis of the Oil Tank Vehicle Oil Dispensing System Based on SPS

JIANG Lian-hua1，LI Hui-jie2，XV li-juan1，GAO-wei1，LI Shao-jie1
（1. China Petroleum Engineering Co.， Ltd. North China Company，Hebei Renqiu 062552，China；2. Huabei Oilfield Company Capital Construction Engineering Department，Hebei Renqiu 062552，China）

The water hammer damage of refined oil dispensing system in oil depots is always ignored. In this paper，taking a refined oil depot as an example， physical model and control relationships of vehicle dispensing oil system was established by SPS software. Under different oil dispensing condition of variable frequency pump， numerical simulation of pipeline water hammer pressure change was carried out. The results show that： when 1～2 crane tubes among the 6 crane tubes stop oil filling， the water hammer pressure produced in the process system is smaller； when 3～4 crane tubes among the 6 crane tubes stop oil filling， the water hammer pressure produced in the process system increases significantly， the maximum water hammer pressure is up to 1.15 MPa； when 6 crane tubes all stop oil filling，the valve is closed instantly， the water hammer pressure exceeds the design pressure， although the time is short， but the long-term similar operations will cause pipes， valves， especially instrument equipments damage， it's pointed out that it is appropriate to add the discharge pressure process to prevent water hammer damage.

SPS software； Oil depot； Oil system； Water hammer

TE 624

A

1671-0460（2015）12-2872-04

2015-07-28

姜连华（1964-），男，河北任丘人，高级工程师，主要从事油库工程建设及管理工作。E-mail：dmj260750009@163.com。