基于仿真模拟的水击泄放量研究

2020-12-17陈小华徐德腾李旺黄建新秦鹏郑鸿浩

当代化工 2020年11期

陈小华徐德腾李旺黄建新秦鹏郑鸿浩

摘要：介绍了水击保护系统以及泄压系统的开启逻辑，分析了目前泄压系统中影响水击泄放量的主要因素。采用工艺管道水击仿真的方法探讨了不同水击工况对泄放量的影响。以西南某管道泵站为例，创新性地引入超前保护失效的极限工况，计算显示极限工况下当上游泵站持续输送油品时下游站场进站泄压系统持续进行泄放，下游站场进站压力始终在泄压阀开启压力值上下波动，在站场人员关闭泄压阀手动阀门前，泄压罐不足以容纳极限工况下的水击泄放量。

关键词：水击仿真;泄压系统;泄放量

中图分类号：TE978 文献标识码： A 文章编号： 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世纪80年代以前，我国设计的长距离输油管道大多通过“旁接油罐”的方式来调节管道流量波动和缓冲压力波动。旁接油罐的容量一般按管道的1～1.5 h输送量确定，当管道发生压力波动时运行人员有足够的时间可进行调整。20世纪80年代以后，国内长输管道大多采用密闭输送管道，密闭输送相较于旁接油罐输送动能损失小、油品蒸發损耗少，但密闭输送全线为一个统一的水力系统，全线各个站场进出站压力互相联系，一旦管道某处出现较大的压力波动全线压力都将受到影响，因此密闭输送管道为了保证管道的平稳运行，设计了水击防护系统来保证全线的压力安全。水击防护系统中的泄压系统代替了“旁接油罐”输送流程中旁接罐的缓冲作用。当管线因故障出现超压工况时，泄压系统可以通过泄放油品来降低压力，泄放的油品经过泄放管道流向泄压罐，泄压罐的容量决定着站场抵御超压工况能力的大小 [1-4]。

泄压系统在石化行业已经得到了广泛的应用，国内泄压系统的相关研究主要集中于泄压阀的特性以及相关的计算，但对于水击泄放量的计算较少，且针对的水击工况较为安全，都没有考虑泵站持续输送油品的极端工况[5-7]。这种工况计算的水击泄放量过小，当出现极端工况时可能会导致泄放过程中发生“冒罐”事故。为保证站场泄压系统的泄放安全，基于OLGA软件结合实际生产对水击泄放量进行研究，为生产实践中泄压罐的容量选择提供指导。

1 水击保护系统

国内采用密闭输送的长距离输油管道大多都设置了超前保护系统和泄压系统进行水击保护。管道超前保护系统主要采取压力控制模式，采用停泵和保护调节的方法对各泵站进、出站压力和末站进站压力进行控制。当末站或干线阀门误关闭、中间泵站突然停泵等工况下发生水击事故时，远程数据采集与监视系统（SCADA）向全线安全保护PLC发出水击信号，PLC自动向相关站场SCS下达水击保护执行指令，通过保护性调节或顺序停掉相关泵站输油泵等方法向下游发出减压波，防止管线相对薄弱地段超压。通过SCADA控制系统实现自动调节进出站压力、顺序停泵、水击事故判定等保护和调节功能，在监测到水击事故发生时进行超前保护并进行控制，可以有效地保护输油设备和工艺管道，保证管道全线安全运行。

泄压系统作为管道水击防护系统的最后一道防线，主要由泄压阀、泄压罐以及相连接的管道组成。泄压阀作为泄压系统中的核心设备不具有主动开启的功能，只有在管道压力超过泄压阀设定值后才会打开泄放油品。当管道内压力值超过泄压阀设定值，泄压阀开启泄放油品。

1.1 泄压阀

泄压阀根据工作原理可分为氮气式泄压阀和先导式泄压阀。先导式泄压阀由于导阀过滤器易被杂质堵塞，通常应用于成品油管道。氮气式泄压阀相较于先导式泄压阀对油品要求低，常应用于原油管道，具有流通能力大、响应迅速、实用性强等特点，但成本比先导式泄压阀高，同时氮气式泄压阀还可以通过缸盖上的调速阀控制阀门启闭速度，从而达到阀门“快开慢关”的效果，来降低关阀过程中的压力震荡，避免关阀过程中造成二次水击，但氮气瓶压力易受环境影响，造成泄压设定值的变化，易引发微超不泄或偷泄不止[8-10]。

1.2 泄压罐

输油站场中的泄压罐通常为常压拱顶罐。超压泄放过程中，大量油品涌入泄压罐内，同时油品的进入压缩罐内气相空间体积，造成罐内压力上升，为保证泄压罐压力安全和液位安全，每个泄压罐都配备有全天候呼吸阀和高低液位报警器。不同管线的泄压罐容量也不同，但目前国内没有关于泄压罐容量选择的明确规定，只有《输油管道设计规范》（GB 50523—2014）中规定站场泄压罐设置及容量应根据瞬态水击分析确定。哈萨克斯坦则根据输油管直径对泄压罐容量有明确的规定，如表1所示[11]。

2 水击泄放量影响分析

长输管道中水击引起的压力可通过下式计算：

。

式中：ΔH —水击产生的水头，m;

Δc —流体速度变化，m·s-1;

a —声音在流体中传播的速度， m·s-1;

g —重力加速度，m·s-2。

从水击压力计算的公式可以看出，决定水击压力的大小是流体输送的速度，因此液体管道全线因沿线阀室突然关断造成的水击压力理论上是相等的，但压力波在传递过程中有能量损失，阀室离站场距离越远能量损失越大，到达站场后的水击压力损失越大。水击工况造成的压力越大泄压系统降压所需的泄放量越大。通常管道的超前保护系统在发生水击时会制造减压波来削弱水击压力，这时泄压系统降压所需的泄放量会大大减少。为探讨水击工况对水击泄放量的影响，基于多相流模拟软件OLGA建立仿真模型对不同水击工况分别进行分析。

2.1 超前保护下的泄放量计算

利用OLGA软件模拟建立西南某原油管道仿真模型。该管道主要输送沙特轻质原油，油品密度为0.856 g·cm-3，A站为整条管线的首站，B站和C站为加压泵站（图1）。A站与B站相距116 km，与C站相距152 km（图2）。

利用OLGA软件模拟B站在超前保护系统下，因阀门故障引起的超压工况。

1）管道参数：管道输送管径813 mm，年输量1 300万t·a-1，B泵站泄压阀直径300 mm，泄压阀开启压力7.7 MPa，泄压罐容量200 m3×2。

2）水击工况：B泵站进站阀门关断（关阀时间180 s）。

3）超前保护系统：B站进站阀门在第100 s开始关阀，第280 s完全关闭，B站进站阀门离开全开位30 s内停运A站所有给油泵和输油主泵，同时停运B站所有外输泵站;A站执行停泵后150 s，停运C站所有输油主泵。

4）模拟结果：当B站进站阀门离开全开位30 s后，超前保护系统工作，B站和A站通过输油泵停输分别产生一个减压波向下游传播，B站进站压力在停泵后由4.57 MPa迅速下降至4.14 MPa（图3）。当阀门完全关闭后，阀门处产生一个增压波向上游方向传播。当进站阀门完全关闭后，进站压力停止下降并在增压波和减压波的作用下发生波动然后趋于平稳。在此过程中，水击压力引起的增压波与停泵造成的减压波互相抵消使得B站进站压力保持在泄压阀开启压力之下，泄压系统没有工作，水击泄放量为0。

从模拟结果中可以看出，超前保护系统在阀门没有完全关闭时通过停泵使B站进站压力大幅度下降，当阀门完全关闭后，B站的进站压力只是发生上下波动，管道没有出现超压现象。

2.2 超前保护失效下的泄放量计算

从超前保护下的超压工况模拟中可以看出，超前保护对水击压力有很大的削弱作用。在超前保护的作用下，泄压系统很少工作，这与现场反映的实际情况相符。在站场日常运行中，泄压系统是作为水击保护系统的最后一道防线，当超前保护失效时泄压系统必须保证管道的压力安全，因此必须计算极限工况下泄压系统的泄放能力。

1）管道参数：输送管径813 mm，输量1 300万t·a-1，B泵站泄压阀直径300 mm，泄压阀开启压力7.7 MPa，泄压罐容量200 m3×2，上站泵停车压力13.8 MPa。

2）水击工况：B站进站阀门突然关断（关阀时间40 s）。

3）超前保护系统：管道全线超前保护失效，B站阀门关断后全线无法顺序停泵;A站出站泄压系统失效。

4）模拟结果：B站进站阀在第100 s开始关闭第140 s秒完全关闭，水击压力作用下B站进站压力迅速上升至5.3 MPa。由于全线超前保护系统失效，B站关闭信号发出后，SCADA系統无法做出反应，全线无法顺序停泵，A站输油泵持续输送油品，使得B站上游管道出现“憋压”现象，A站和B站之间的管道压力持续上升。B站进站阀门关闭480 s后，B站进站压力上升至泄压阀开启压力7.7 MPa（图4）。

当增压波传递至A站后，A站出站压力在水击压力的作用下迅速上升至7.3 MPa，由于A站输油泵持续输送油品同时A站出站泄压系统失效，A站出站压力持续上升，B站泄压阀开启后A站压力停止上升并开始下降最后趋于稳定，此过程中A站出站压力最高上升至10.3 MPa，没有达到A站输油泵停输压力（13.8 MPa）（图5）。由于超前保护系统失效且A站压力没有达到输油泵停车压力，且A站输油泵为定速泵，A站输油泵仍以1 800 m3·h-1的输量持续输送油品。

由于B站进站阀门关闭后A站仍持续输送油品，导致A、B站间管道内油品被压缩，管道内压力持续上升。B站泄压罐为常压罐，当B站进站泄压阀开启后巨大的压差导致B站泄放流量最高达到3 210 m3·h-1，之后开始下降，最后泄放流量在 1 800 m3·h-1上下波动（图6）。B站泄压系统的高流量泄放使得累计泄放量在泄压阀开启后320 s达到200 m3，672 s后达到400 m3。

从模拟结果中可以看出，超前保护系统和A站出站泄压系统失效时，B站泄压阀开启后11 min将两个200 m3泄压罐完全充满，而这个时间不足以让现场做出失效判断、应急处置请示并通知全线手动停泵，因此超前保护失效下泄压罐必定会出现“冒罐”事故。为保证站场的压力安全，在选择泄压罐容量时应将极限工况下人员事故应急反应时间考虑进去，要保证发生极限工况时站场人员有足够的时间在发现泄压阀开启后向上级申请指示并通知全线手动停泵。

3 结论

1）超前保护系统对水击压力有非常大的削弱，削弱后的水击压力通常不会达到泄压阀开启压力;而超前保护系统失效下，站场泄压系统会持续泄放油品，水击泄放量过大导致泄压罐存在“冒罐”风险。

2）计算水击泄放量时应根据管道的最大年输量，以极限工况（超前保护失效）中泄压阀开启后，站场人员向上级申请指示并通知全线手动停泵时间内的泄放量为最大水击泄放量，依据最大水击泄放量选择泄压罐容量。

参考文献：

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