長輸原油管道水擊分析與控制

摘 要 本文對長慶油田吳西線原油長輸管道項目中可能出現(xiàn)水擊的原因進行了分析，并闡述了水擊可能造成的危害，著重的解釋了原油長輸管道水擊防護措施。

關(guān)鍵詞 原油；水擊；自動控制；泄放閥

中圖分類號 TQ055 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)062-0164-02

1 項目簡介

長慶油田吳西線原油長輸管道，起點吳起縣，終點西峰市，全線長188公里，共有4座輸油站場，均在原有管線輸油站場中擴建，以便于管理。依次是PS1（首站）、PS2（中間站1）、PS3（中間站2）、PS4（末站）。PS1至PS2管線管徑為Φ273，長度78公里，設(shè)計最大輸量為200 m3/h，設(shè)計壓力為6.4 MPa，PS2至PS4管線管徑為Φ377，長度110公里，設(shè)計最大輸量為，400 m3/h，設(shè)計壓力為8 MPa。長慶油田吳西線原油管道所有泵站泵機組的連接形式為并聯(lián)，輸油泵為離心泵。

2 水擊的產(chǎn)生

2.1 水擊的定義

原油在管線中流動時，液體斷面上各點流速和壓強保持一定，不隨時間變化的叫穩(wěn)定流，反之叫不穩(wěn)定流。在實際的輸油過程中各點流速和壓強不隨時間變化的較少，如果在一般情況下變化很小，可以基本上認為是在穩(wěn)定狀態(tài)的。當(dāng)輸油的穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞，壓力發(fā)生順便時，流速和壓強發(fā)生極具變化，叫做

水擊。

2.2 水擊產(chǎn)生的主要原因

2.2.1 有計劃的調(diào)整管道的輸量

全線輸量將由380 m3/h逐步增長到500 m3/h，當(dāng)輸量突然提升泵的排量時，管線的流量也突然增加，就會從PS1主泵的出口開始產(chǎn)生增壓波，并向PS2傳遞，油品進入PS2主泵，從PS2主泵的出口增壓波得到加強，并向下游傳遞。同樣當(dāng)需要減少管線的輸量時，就會從PS1主泵的出口開始產(chǎn)生減壓波，并向下游傳遞。

當(dāng)改變某一站閥門的閥門開度時，會造成全線的壓力波動。如減小PS4的進站閥門的開度，就會從閥門處產(chǎn)生一個減壓波，并下游傳遞，從閥門處產(chǎn)生一個增壓波，并上游傳遞。在某中間輸油站的啟動和停輸時，產(chǎn)生水擊。泵站泵機組的連接形式為并聯(lián)，配置為兩用一備，當(dāng)兩臺泵中的一臺出現(xiàn)故障時，需要開啟備用泵，并關(guān)閉運行的故障泵，在泵機組的切換過程中會產(chǎn)生壓力波動。

2.2.2 管道的某些操作程序

首末站的倒換油罐，輸送過程中會產(chǎn)生水擊。全線的首站PS1和末站PS4設(shè)有幾具儲罐，所以，在PS1的一個油罐的油快輸完時，要倒到另一個罐輸油，可能產(chǎn)生水擊。同理，在PS2收油時，一個罐快滿時，要將原油切入另一個儲罐，可能產(chǎn)生水擊。在PS1和PS2輸送過程中的儲罐切換時，要在匯管處切換，開啟另一儲罐匯管處閥門，關(guān)閉前一儲罐的匯管閥門。在匯管切換時，可能產(chǎn)生水擊。

2.2.3 管道操作過程的事故狀態(tài)

泵機組出現(xiàn)機械故障，泵機組保護系統(tǒng)作用使泵機組停車，一些程序的誤操作使閥門誤操作，中間泵站的突然停電，還有管道發(fā)生泄露和管道破裂等都會使管道產(chǎn)生不穩(wěn)定流動。

3 水擊的危害

3.1 水擊可能發(fā)生超壓

水擊增壓波造成管道超壓引起強度破壞。當(dāng)管道產(chǎn)生水擊時，水擊波會以1000 m/s的速度沿管道傳播。水擊波增加的的壓力疊加在管道穩(wěn)定剩余壓力上，構(gòu)成液體壓強。當(dāng)疊加后的液體壓強超過管道的最大允許工作壓力，就有可能引起強度破壞。水擊增壓波沿管道傳播過程中，凡是穩(wěn)定運行時動水壓力接近管道臨界承壓能力的位置，有可能造成管道超壓，造成強度破壞。

3.2 水擊可能發(fā)生液柱分離的危害

水擊減壓波使管內(nèi)壓力降低至真空壓力，使管道失穩(wěn)產(chǎn)生變形，或分離后的液柱相遇產(chǎn)生的高壓力造成強度破壞。全線的最高點在PS2與PS4之間，此處也是全線的翻越點，在出現(xiàn)水擊時，此處可能出現(xiàn)液柱分離現(xiàn)象。

3.3 水擊使中間泵站的泵產(chǎn)生氣蝕

減壓波傳遞到下游泵站時，會使下游泵站吸入端壓力下降，影響下游泵機組工作。

4 水擊防護措施

4.1 自動控制

對于密閉輸送的管道，壓力調(diào)節(jié)和和水擊控制是保證輸油主泵正常工作和管道安全運行必不可少的措施。在吳西線項目中在每個泵站出站都設(shè)有調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)水擊過程中管道系統(tǒng)的壓力脈動，防止進站壓力過低和出站壓力過高。在中間下載站進站、分輸管線、末站進站處也設(shè)有調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)進站或分輸壓力。一旦管道發(fā)生水擊時，通過提前改變出站的壓力設(shè)定值，起到控制水擊的作用。泵站出站的調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)方式有兩種：節(jié)流調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。中間下載站進站及末站進站調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)方式為節(jié)流調(diào)節(jié)。

在每個泵站設(shè)有3個壓力控制器，分別設(shè)置在進站、主泵出口、出站位置。泵出口壓力控制器通過調(diào)節(jié)液力耦合器來控制泵的轉(zhuǎn)速，起到調(diào)節(jié)壓力的作用。出站壓力控制器通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，起到調(diào)節(jié)壓力的作用。泵出口壓力控制器的設(shè)定壓力要低于出站壓力控制器的設(shè)定壓力。在正常操作條件下，出站調(diào)節(jié)閥是全開狀態(tài)的，因為泵出口的壓力是低于出站壓力控制器的設(shè)定壓力，并且進站壓力是高于進站壓力控制器的設(shè)定壓力。

當(dāng)管道發(fā)生劇烈擾動時，壓力超過了控制器的設(shè)定值時，系統(tǒng)將通過減小調(diào)節(jié)閥的開度來降低出站壓力。當(dāng)進站壓力超過進站壓力控制器的設(shè)定值時，進站壓力控制器就會發(fā)出一個正作用信號，傳遞到低值選擇器；當(dāng)出站壓力超過出站壓力控制器的設(shè)定值時，出站壓力控制器就會發(fā)出一個反作用信號，傳遞到低值選擇器。低值選擇器選擇一個低值在確定調(diào)節(jié)閥的開度。

當(dāng)出泵壓力超高時，泵出口壓力控制器就會發(fā)出一個反作用信號，傳遞到低值選擇器，就會通過調(diào)節(jié)液力耦合器，來降低主泵的轉(zhuǎn)速。如果壓力依舊升高，出站壓力控制器就會發(fā)出一個反作用信號傳遞到低值選擇器，最終通過使降低閥門的開度來調(diào)節(jié)壓力。泵出口壓力控制器的設(shè)定壓力要低于出站壓力控制器的設(shè)定壓力。在壓力超高時，首先作用的是對主泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在效果不明顯時再通過減小閥門的開度來調(diào)節(jié)壓力。這樣可以避免使用調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)壓力，減少能量的浪費。

4.2 設(shè)置水擊泄放閥

水擊泄放是當(dāng)管道系統(tǒng)產(chǎn)生擾動時，把部分液體泄放到常壓罐中去。

水擊泄放閥可分為先導(dǎo)式和氮氣式兩種。先導(dǎo)式的特點是：完全自力，價格較低，響應(yīng)速度相對慢，壓力調(diào)節(jié)適應(yīng)能力有限。適合用于比較潔凈的介質(zhì)，而不適合用于比較臟的介質(zhì)，一般只用于成品油上。氮氣式的特點是：對介質(zhì)沒有限制，適合比較臟和粘稠的液體，相應(yīng)時間快，只要最大泄放量和壓力等級滿足，泄放壓力現(xiàn)場可以靈活調(diào)節(jié)。

原油介質(zhì)一般采用氮氣式，吳西線原油管道的四個站場各設(shè)置一套氮氣式水擊泄放閥。氮氣式水擊泄放閥的CV值較高，是普通安全閥的1-2倍，保證運行平穩(wěn)。氮氣式水擊泄放閥由泄放閥體、氮氣緩沖瓶、氮氣控制柜組成。氮氣緩沖瓶一般埋地設(shè)置，以減少環(huán)境溫度對設(shè)定值的影響。氮氣控制柜是用來控制氮氣補氣、排氣，設(shè)有氣源低壓報警，和調(diào)壓后高、低壓報警。

泄放閥工作原理：在閥體內(nèi)有一個氮氣腔，腔體中充滿氮氣，腔體一端固定，另一端是可以沿軸向運動的錐形閥芯。腔體內(nèi)的氮氣的壓力就是閥門的設(shè)定值，當(dāng)管線發(fā)生劇烈的水擊時，管線內(nèi)的壓力升高并超過水擊泄放閥的設(shè)定值時，油品將會壓縮氮氣腔，錐形閥芯向閥芯內(nèi)移動，泄放閥處于開啟狀態(tài)。油品就會從錐形閥芯的四周流入閥后的泄壓管線進入泄放罐，管線的壓力會被迅速的泄放下來。當(dāng)壓力泄放到小于氮氣的壓力時，閥門將關(guān)閉，泄放結(jié)束。

閥體內(nèi)的氮氣由控制柜內(nèi)的氮氣瓶提供，通過導(dǎo)氣管和調(diào)壓器與閥體聯(lián)通，調(diào)壓器用來調(diào)節(jié)閥體內(nèi)氮氣波動，使其壓力恒定。調(diào)壓器有呼吸作用，在白天將閥體內(nèi)膨脹的氮氣放空，晚上向閥體內(nèi)補氣。氮氣在呼吸作用中有損耗，氮氣瓶要定期充氮氣。另外泄放閥還設(shè)置了一個埋地的溫差平抑氮氣瓶，用了減少溫度對閥設(shè)定值的影響。

4.3 回流保護

吳西原油管道工程在每個泵站主泵的進出口之間設(shè)置了回流線，可以用于進站壓力超低限的保護，回流線可以調(diào)整進站壓力，維持離心泵正常工作。

4.4 超前保護

建立在高度自動化基礎(chǔ)上保護技術(shù)，運用SCADA系統(tǒng)。在某泵站突然停電、發(fā)生水擊時，通過通信系統(tǒng)迅速向所有泵站發(fā)出信號，按預(yù)先進行水擊模擬分析的結(jié)果而編制的水擊控制程序，提前降低出站壓力設(shè)定值或者停泵的方式，防止管道出現(xiàn)超壓或液柱分離，危機管道和設(shè)備的安全。

5 結(jié)束語

在吳西線項目中主要通過自動控制、設(shè)置水擊泄放閥、設(shè)置主泵回流線、SCADA系統(tǒng)超前保護，來預(yù)防水擊產(chǎn)生并控制水擊對管線及設(shè)備的破壞。

參考文獻

[1]張國忠編.管道瞬變流動分析[J].石油大學(xué)出版社，1994.

[2]楊筱蘅，張國忠編.輸油管道設(shè)計與管理[J].石油工業(yè)出版社，1996.

[3]原油長輸管道工程設(shè)計[J].石油大學(xué)出版社.

作者簡介

趙云磊，29歲，男，漢族，山東聊城人，黨員，2007年7月畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在甘肅省西峰市長慶油田第二輸油處工作。