SPS水力仿真在大落差输油管道设计中的应用

2019-09-10李慧

石油研究 2019年5期

李慧

摘要;介绍了水力分析软件SPS在大落差输油管道的主要应用，并结合某条管线利用SPS软件进行瞬态模拟案例，通过进行启停输模拟、输油管道事故工况分析，为满足大落差管道高点无负压、低点不超压的要求，模拟采取水击超前保护措施，最终保障管道运行安全。

关键词：输油管道;SPS软件;大落差;瞬态模拟

1软件介绍

目前，行业内进行輸油管道水力计算分析的软件主要有 2 个：Stoner Pipeline Simulation（以下简称SPS）软件和PipelineStudio（以下简称TLNET）软件。两个软件各有特点，TLNET操作界面友好，易学易用，SPS需要使用者按照软件自定义的语言命令编程进行逻辑控制，逻辑较复杂，精度较高，在一些文献中也提到了 SPS 的计算精度明显高于TLNET[1]，因此一般在管道数据不够详实，计算要求比较粗犷的管道规划、方案比选等前期阶段采用 TLNET软件或者直接建立水力计算数据表格的方式，而在水力计算要求较严格、数据较齐全的管道设计、生产运行等后期阶段采用SPS。

SPS软件在进行输油管道水力分析时，可以模拟输送单一流体、单相混合流体或批次流体的管道[2]，通过两种建模方式建立输油管道的实际模型：（1）通过文本编写 INPREP 文件进行建模;（2）在Model Builder 软件中通过添加设备、节点等进行图形建模，然后通过在INTRAN文件中编写逻辑控制语言来实现不同工况的模拟，可以模拟管道的正常运行工况的多种动态变化过程，如泵的开启和停止、泵的串联并联、流体加减阻剂等工况;也可以模拟特殊的异常工况，比如断电停输、设备故障甩泵、误操作关阀等，对不同工况的可能结果进行预测和处理，通过模拟处理措施保证管道的安全运行。

2在大落差输油管道设计中的应用

SPS在大落差输油管道设计中的主要应用如下：

（1）输油管道的稳态模拟与优化设计

1）进行正常工况的稳态模拟，并进行相关设备设备的匹配运行;

2）分析系统全线的运行压力，是否存在超压或者不满流的情况，判断设计压力的设定是否合理，站场的选址是否合理，是否需要进行变径设计或者增设减压设备;

3）分析输油泵的运行状况，通过不同匹配方案模拟情况，判断输油泵的选择是否合理;

4）模拟设计中各运行方案，查看不同方案的节流情况，比较各方案的经济性;

5）设计减压泄放系统;减压系统选择是否合理，泄压阀的选型是否满足工况需要;

6）大落差管道线路变更是否产生新的翻越点，前期完成的设备选型是否满足变更后的需要，以及提出调整措施。

（2）输油管道瞬态模拟与水击超前保护

1）启停输程序的模拟，针对完工管线给出启停输程序，主要控制启停输过程中高点不拉空、低点不超压;

2）事故工况的模拟，主要模拟停电甩泵工况、误关进出站阀、误关线路阀等;

3）水击超前保护处理措施，通过对事故工况的模拟，调整水击超前保护方案进行模拟，提出满足要求的水击超前保护处理措施。

（3）顺序输送系统模拟与分析

1）模拟批量输送以及计算混油量。

在大落差输油管道中，由于线路起伏较大，为保障管道运行安全，应满足高点无负压、低点不超压的要求，将边界条件进行如下控制：

a）高点处控制压力最低0.2MPa;

b）进站压头不低于60m。

c）在上站出站压力不超限、不额外增加运行泵的条件下，维持进站压力在静压以上，以减少意外工况造成高点负压。

3应用案例-瞬态模拟与水击超前保护

3.1管线概况

某条大落差输油管线采用常温密闭顺序输送工艺，输送汽油（93#、97#）、车用柴油和普通普通柴油两大类4个品种。

管道沿线共设置9座工艺站场：BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分输泵站、YS05泵站、MZ06分输站、JS07泵站、YX08分输泵站和CP09末站。管道设计输量调整为705×104t/a;管线全长为797km，全线设01远控阀室1座。沿线站场和管道设置情况见表3.1 1。

全线站场输油主泵按串联配置，共设置输油主泵28套（BS01、FND02、FN03、GN04、YS05、JS07、YX08各设置4套串联主输泵）。

相对于汽油，同输量条件下管道系统输送柴油压力更高，对管道系统影响较大，因此瞬态工况模拟以管输柴油进行。相对于低输量，高输量条件下要求出站压力高、下站进站压力低，误动作影响大，因此以柴油760m3/h输量状态为初始条件进行模拟。

3.2事故停电甩站

由于篇幅限制，将事故停电甩站工况的模拟情况列举3类进行分析：首站停电甩站、中间泵站停电甩站（不可压力越站）、中间泵站停电甩站（可压力越站）。

3.2.1 BS01首站停电甩站

1）工况分析

BS01首站甩泵后，出站压力迅速降低。减压波约1.5分钟传至FND02泵站，约2.5分钟后线路高点出现负压。如不采取任何措施，后续各站泵入口压力持续降低损伤外输泵;高点出现负压，损伤外管道。

各站高、低压泄压阀无动作。

由于管道系统失去油品及动力来源，建议全线顺序执行应急停输程序。

2）保护措施

应急停输程序执行顺序：

以检测到BS01首站甩泵信号为T=0min时刻;

T=1min时刻，发送FND02泵站应急停输程序;

T=2min时刻，发送FN03泵站应急停输程序;

T=3min时刻，发送GN04分输泵站应急停输程序;

T=4min时刻，发送MZ06分输站应急停输程序;

T=5min时刻，发送YS05泵站应急停输程序;

T=6min时刻，发送CP09末站应急停输程序;

T=7min时刻，发送YX08分输泵站应急停输程序;

T=8min时刻，发送JS07泵站应急停输程序;

各站应急停输程序见3.2.4。

采取超前保护措施后，全线无超压、无负压。

3.2.2 FND02泵站停电甩站

（1）工况分析

FND02站甩泵后，出站压力迅速降低。减压波约1分钟传至FN03泵站，FN03泵站进站压力降低;进站增压波约1.5分钟传至上站BS01首站。如不采取任何措施，FN03泵站进站压力超低损伤外输泵;BS01-FND02站间管道压力持续升高，但未出现超设计压力点。

全线高、低压泄放阀未发生动作。

由于FND02泵站不可压力越站，该工况发生后，建议全线采取超前保护程序，顺序执行应急停输程序。

采取超前保护措施后，全线无超压、无负压。

3.2.3 GN04分输泵站停电甩站

（1）工况分析

GN04分输泵站甩泵后，出站压力迅速降低。减压波约2分钟传至YS05泵站;进站升高，增压波约1分钟传至上站FN03泵站。該工况发生后，如不采取任何措施，GN04进站压力达到泄放设定值（4.0MPa）之后，泄放阀打开，GN04后各站输量降低，FND02和FN03泵站由于泵扬程能力限制，进站压力升高。建议采取超前保护程序，全线降量输送。

采取超前保护措施后，全线无超压、无负压。

3.2.4 各站应急停输程序

（1）泵站（BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分输泵站、YS05泵站、JS07泵站、YX08分输泵站）

接收到BS01首站应急停输信号后：

a）按照从外输泵编号从小到大应急，先停泵号较小泵;

b）延时0.5分钟，停在运泵号较大泵;

c）发送本站应急停泵结束信号。

（2）减压站（MZ06分输站）

接收到MZ06分输站应急停输信号后：

a）控制进站压力7.4MPa;

b）发送MZ06分输站应急停泵结束信号。

（3）末站（CP09末站）

接收到CP09末站应急停输信号后：

a）控制进站压力4.7MPa;

b）发送CP09末站应急停泵结束信号。

3.3误关进站阀

3.3.1 误关进站阀102#阀门

（1）各泵站误关进站阀：各站起泵工况时误关进站阀102#阀门，采取打开全越站阀门，上站来油通过越站阀直通出站，水力工况同本站的事故停电甩站工况。

（2）CP09末站关进站阀

1）工况分析

CP09末站误关进站阀后，如不采取保护措施，由于管道介质无处流动，进站阀前压力迅速升高约1.5MPa，然后快速升高至泄压阀设定值，泄放阀开启;进站增压波约1.5分钟后到达YX08分输泵站，进出站压力均升高，约5分钟（以CP09误关阀计时，下同）后进站压力达到泄放设定值;增压波约3.5分钟后达到JS07泵站，JS07进出站压力均升高，约15.5分钟JS07出站高压泄放;增压波约7分钟后达到MZ06分输站，MZ06进出站压力均升高，约18分钟MZ06进站高压泄放。

此工况发生后，如GN04、MZ06和YX08可下载，应立即调整下载量。如不能下载或下载量无法满足管道最小输量，建议执行全线紧急停输程序。

2）保护措施

紧急停输程序执行顺序：

以检测到CP09末站进站阀关闭信号为T=0min时刻;

T=0.5min时刻，发送YX08分输泵站、JS07、MZ06、BS01紧急停输程序;

T=1min时刻，发送YS05、FND02站紧急停输程序;

T=2.5min时刻，发送FN03泵站紧急停输程序;

T=3.5min时刻，发送GN04分输泵站紧急停输程序;

各站紧急停输程序见3.6，采取停输保护措施后，全线无超压、无负压。

3.3.2 越站误关进站阀101#阀门

在工况模拟中，只有GN04分输泵站和JS07泵站可以进行越站输送。

（1）GN04分输泵站越站工况关101#

1）工况分析

由于101#阀门为站场最外一道阀，该阀关闭后造成的超压流体无处泄放，引起上站进出站压力持续升高。

GN04越站工况下，如关闭本站101#，进站压力迅速升高。由于低压泄放阀无法开启，如不采取任何保护措施，约2.5分钟后GN04进站前约50km处低点管道达到设计压力，但未超过MASP。如继续维持原状，FN03泵站高低压同时泄放，GN04分输泵站出站压力降低，高低出现负压。

由于该工况发生后FND02和FN03无法越站，必须采取全线停输保护管道。

采取全线紧急停输后，停输过程无超压，但是GN04出站后管道出现短时负压。

（2）JS07泵站越站工况关101#

1）工况分析

由于101#阀门为站场最外一道阀，该阀关闭后造成的超压流体无处泄放，引起本站进站端压力升高，压力波约2分钟（以101开始关闭计时，下同）传至上站MZ06，MZ06进出站压力持续升高，如不采取任何保护措施，MZ06泄压阀将在约3分钟后开启，MZ06与JS07间低点达到设计压力，但未超过MASP;压力波继续上传，约在3分钟后传至YS05;约5分钟后传至GN04，GN04进出站压力升高，约13.5分钟后GN04低压泄放阀开启。

该工况发生时考虑最苛刻条件，采取全线紧急停输。

采取全线紧急停输后，过程无超压、无负压、无泄放阀开启。

3.4 误关出站阀302#阀

出站阀302#阀的工况水力分析结果同本站事故停电甩站工况。

3.5 误关线路阀

1）工况分析

全线设置有一座远控阀室：01远控阀室，位于YX08分输泵站前27.2km处。

01远控阀室自控阀关闭后，阀后压力降低，减压波约0.5分钟传至YX08分输泵站;阀前压力迅速升高，增压波1分钟后传至JS07泵站。

检测到阀门关闭后，JS07、YX08和CP09应立即启动紧急停輸程序;JS07前各站，如GN04和MZ06可以下载，则应调整下载量适应管输量;如不能下载，则应执行全线紧急停输程序。

执行全线紧急停输程序后，全线无超压，01远控阀室—YX08间管道高点和YX08出站段高点出现负压。

3.6各站紧急停输程序

（1）泵站（BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分输泵站、YS05泵站、JS07泵站、YX08分输泵站）