劉超 董一凡 蔡宇 楊振江 楊葳 呂慕昊 任衡泰

（中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心）

長(zhǎng)輸管道首站工藝區(qū)通常由儲(chǔ)罐區(qū)、給油泵區(qū)、輸油主泵區(qū)、閥組區(qū)和發(fā)球區(qū)等功能區(qū)域組成，有些站場(chǎng)還設(shè)置有計(jì)量區(qū)、加熱處理區(qū)等。各工藝區(qū)按壓力等級(jí)分區(qū)，一般儲(chǔ)罐區(qū)、給油泵區(qū)、閥組區(qū)、計(jì)量區(qū)和加熱處理區(qū)為低壓區(qū)；輸油主泵區(qū)、調(diào)壓區(qū)和發(fā)球區(qū)為中壓或高壓區(qū)。

某成品油長(zhǎng)輸管道首站在管道停輸、泵機(jī)組停運(yùn)過(guò)程中偶發(fā)低壓區(qū)超壓現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)歷次停輸數(shù)據(jù)的梳理，尋找偶發(fā)性事件的共同點(diǎn)，分析站場(chǎng)工藝流程與泵停運(yùn)控制邏輯、瞬態(tài)過(guò)程前后各設(shè)備狀態(tài)的變化，找出低壓區(qū)超壓原因。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況和水擊波產(chǎn)生、傳播規(guī)律，提出了解決方案。

1 站場(chǎng)及泵機(jī)組基本情況

1.1 首站工藝設(shè)施

某長(zhǎng)輸成品油管道首站主要功能為接收煉廠來(lái)油進(jìn)罐、油品重新組織批次、增壓外輸至下游泵站、發(fā)送清管器、油品倒罐、壓力泄放等。主要工藝設(shè)施包括：2×104m3內(nèi)浮頂油罐10座，2臺(tái)互為備用的給油泵，3用1備共4臺(tái)外輸泵，1臺(tái)倒罐泵，互為備用的2套調(diào)壓閥組及清管、計(jì)量等設(shè)施。工藝流程如圖1所示。

圖1 首站工藝流程示意圖

工藝設(shè)計(jì)閥組區(qū)與給油泵區(qū)為站場(chǎng)低壓區(qū)，壓力等級(jí)為 2.0 MPa，設(shè)計(jì)壓力 2.0 MPa，干管采用D508 mm×7.9 mm；主泵區(qū)、調(diào)壓區(qū)與發(fā)球區(qū)為站場(chǎng)高壓區(qū)，壓力等級(jí)分別為10.0 MPa和15.0 MPa，設(shè)計(jì)壓力10.0 MPa和15.0 MPa，管線采用D508 mm×17.5 mm和D508 mm×23.8 mm。首站泵的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 首站泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)表

1.2 泵機(jī)組控制

管道停輸時(shí)，停泵原則為先停運(yùn)所有輸油主泵，再停運(yùn)給油泵；對(duì)于串聯(lián)設(shè)置的外輸泵機(jī)組，在管道停輸時(shí)則要求按照泵號(hào)由大至小逆序停泵。例如，管道停輸之前運(yùn)行的給油泵B601與外輸主泵B401、B402、B403，停泵順序?yàn)椋?/p>

（1）停運(yùn)B403泵，

（2）B403泵停止后第10 s，停運(yùn)B402泵，

（3）B402泵停止后第10 s，停運(yùn)B401泵，

（4）B401泵停止后第10 s，停運(yùn)B601泵，

單泵聯(lián)鎖停泵邏輯為：站控PLC收到聯(lián)鎖停泵命令后，分別向泵電機(jī)及泵出口閥同時(shí)下發(fā)停車命令和關(guān)閥命令。

2 超壓原因分析

該成品油管道在某幾次管道停輸時(shí)，低壓區(qū)瞬時(shí)壓力值達(dá)到2.5 MPa，超過(guò)2.0 MPa的設(shè)計(jì)壓力，其他運(yùn)行狀況正常。雖為偶發(fā)性超壓事件，但一旦發(fā)生事故，危害極大，必須找到超壓原因。

在管道停輸過(guò)程中，管道運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，首站出站流量突然降為 0，在管內(nèi)引起瞬變流動(dòng)，產(chǎn)生瞬變壓力和壓力波的傳播。這一過(guò)程流量變化大、變化時(shí)間短，產(chǎn)生劇烈變化的瞬變壓力［1］。對(duì)于出站側(cè)的管道而言，流量瞬間降至 0，出站壓力瞬間下降；而對(duì)于停運(yùn)泵入口而言，停運(yùn)瞬間會(huì)產(chǎn)生突然上升的水擊壓力，使泵入口匯管的壓力上升。

水擊波是一種彈性縱波，遵循機(jī)械波的傳播規(guī)律［2］，油品作為傳播介質(zhì)在管道中進(jìn)行壓力的傳導(dǎo)和能量的傳遞。低壓區(qū)瞬時(shí)壓力超限，說(shuō)明水擊壓力波通過(guò)傳播介質(zhì)由高壓區(qū)傳向了低壓區(qū)。

調(diào)查生產(chǎn)運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn)并不是每次停輸操作都會(huì)造成低壓區(qū)瞬時(shí)壓力超限。根據(jù)生產(chǎn)記錄大數(shù)據(jù)，對(duì)每次停輸操作進(jìn)行分析梳理，尤其是對(duì)幾次低壓區(qū)超壓案例的分析，發(fā)現(xiàn)低壓區(qū)超壓事件均發(fā)生在停運(yùn)B401輸油主泵時(shí)。表2為管線停輸瞬間低壓區(qū)壓力統(tǒng)計(jì)表。

表2 管線停輸瞬間低壓區(qū)壓力統(tǒng)計(jì)表

輸油主泵停輸按照泵號(hào)由大至小順序停運(yùn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與泵出口閥同時(shí)收到站控 PLC下達(dá)的停車/關(guān)閥命令。但泵出口閥為閘板閥，其全行程時(shí)間為90 s。當(dāng)主泵突然停止運(yùn)行時(shí)，主泵入口匯管產(chǎn)生水擊壓力，并通過(guò)尚未全關(guān)的泵出口閥向上游傳遞。

B401泵運(yùn)行情況與低壓區(qū)發(fā)生超壓密切相關(guān)。當(dāng)管道停輸之前B401泵不參與運(yùn)行時(shí)，最后停運(yùn)的B402泵產(chǎn)生的水擊高壓波被單向409閥隔斷，壓力無(wú)法向上游傳播，低壓區(qū)不會(huì)發(fā)生超壓。B401泵參與運(yùn)行時(shí)，B401泵最后停泵，產(chǎn)生的水擊高壓波通過(guò)尚未全關(guān)的泵出口405閥和B401泵傳遞至給油泵出口匯管。由于B401泵出口未安裝單向閥，而給油泵出口卻安裝有單向閥，停運(yùn)主泵B401時(shí)，水擊高壓波逆流傳至到低壓區(qū)，產(chǎn)生了低壓區(qū)壓力超限。

3 應(yīng)對(duì)措施

解決低壓區(qū)瞬時(shí)超壓現(xiàn)象可從兩方面入手：一是截?cái)嗄媪飨蛏嫌蝹鞑サ乃畵魤毫?，將壓力波控制在站?chǎng)高壓區(qū)；二是對(duì)其進(jìn)行疏導(dǎo)，將已傳遞至低壓區(qū)的水擊壓力泄放。結(jié)合站場(chǎng)實(shí)際情況提出了以下三種技術(shù)方案。

3.1 主泵出口增加單向閥

在輸油主泵B401出口增加單向閥，可以截?cái)喟l(fā)生水擊時(shí)向上游低壓區(qū)傳播的水擊波。這種方法適宜在管道設(shè)計(jì)階段采用，管線建設(shè)時(shí)單向閥與其他設(shè)備一起安裝。如果在管道投油運(yùn)行之后再進(jìn)行站場(chǎng)改造，工程量較大且影響正常生產(chǎn)。

3.2 給油泵出口匯管增加安全閥

安全閥可以在管道運(yùn)行壓力超過(guò)其設(shè)定的安全值時(shí)開閥泄壓降低管線壓力，保護(hù)管線安全。給油泵出口匯管屬于低壓區(qū)，在此處增加安全閥，即在610閥門前后的管線上開孔，接入新增安全閥，可以將水擊壓力泄放消解。

3.3 停運(yùn)主泵時(shí)開啟回流閥

利用站場(chǎng)已有的回流閥 610，在停運(yùn)第一臺(tái)主泵后立即開啟回流閥 610，隨后按照停泵步驟繼續(xù)停運(yùn)其他泵機(jī)組。這一方法與安裝安全閥原理類似，泄放消解水擊壓力。但此方式的最大缺陷是當(dāng)站場(chǎng)由于失電或者執(zhí)行站場(chǎng)ESD（Emergency Shut Down）程序時(shí)，所有泵機(jī)組在同一時(shí)刻突然停運(yùn)，回流閥610不能即刻開啟。

在本例中，主泵出口閥門及管線均埋地設(shè)置，而610閥門設(shè)于地上。經(jīng)過(guò)方案比選，最終選擇了第二、三種方案相結(jié)合的方式：即在正常停輸停泵時(shí)開啟回流閥610；當(dāng)站場(chǎng)停電或執(zhí)行ESD程序停泵時(shí)，安全閥超壓自動(dòng)進(jìn)行壓力泄放。

經(jīng)站場(chǎng)工藝改造和停泵程序改進(jìn)，不論 B401泵是否參與運(yùn)行，首站低壓區(qū)停輸過(guò)程中最高壓力均在1.2～1.7 MPa之間，再未發(fā)生超壓現(xiàn)象。這也佐證了水擊波的傳導(dǎo)過(guò)程與路徑分析是正確的，采用的水擊壓力的消減措施是合理的。

4 結(jié)束語(yǔ)

輸油主泵停輸時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的水擊壓力，管道運(yùn)行壓力超限通常是一個(gè)短暫的狀態(tài)，應(yīng)全面分析瞬態(tài)前后流程變化以及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化。為避免低壓區(qū)超壓現(xiàn)象，應(yīng)在管道設(shè)計(jì)階段采用合理的工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化控制邏輯等方式進(jìn)行壓力消減和預(yù)防。