大落差成品油管道停輸期間壓力波動(dòng)分析

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(中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道公司西安輸油氣分公司　陜西　西安　710000)

0　引　言

蘭鄭長(zhǎng)成品油管道慶陽(yáng)支線起始于甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)董志鎮(zhèn)，全長(zhǎng)216.3 km，接收位于慶陽(yáng)市董志鎮(zhèn)慶陽(yáng)石化煉廠的油品，經(jīng)計(jì)量后進(jìn)罐分儲(chǔ)，并重新組織批次輸送至陜西省咸陽(yáng)市的咸陽(yáng)油庫(kù)。管道設(shè)計(jì)壓力為9.0 MPa，設(shè)計(jì)輸量為1.8×106t/a，油管外徑323.9 mm，支線具有途經(jīng)地形地貌多變、落差大、管徑較細(xì)及甘陜地區(qū)溫度變化不同步等特點(diǎn)。慶陽(yáng)支線在近幾年的輸油運(yùn)行中，在停輸靜態(tài)工況下，出現(xiàn)壓力波動(dòng)，因此研究水擊產(chǎn)生的原因，避免此類情況的發(fā)生尤為必要。

1　壓力變化的條件及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1　慶陽(yáng)支線地形地貌

蘭鄭長(zhǎng)慶陽(yáng)支線管道沿線地勢(shì)復(fù)雜，高程落差較大，最高點(diǎn)海拔達(dá)到1 394 m，而最低點(diǎn)咸陽(yáng)站海拔500 m，并且管道沿線溝壑縱橫，經(jīng)過(guò)猴子溝、大戶王溝、二溝圈、三不同溝、爛泥溝、和盛東溝、四驅(qū)溝和無(wú)日天溝，溝上沿至溝底最大垂直高差在100 m左右，同時(shí)管線穿越馬蓮河、四郎河、紅巖河、涇河、太峪河五次河流穿越，復(fù)雜的地形和管道走向使得運(yùn)行壓力控制非常困難。

1.2　慶陽(yáng)支線壓力分布

由于特殊的地形和管道分布，慶陽(yáng)支線管線壓力情況也較為復(fù)雜，在同種油品相同工況(柴油，管道外徑323.9 mm，油品流速233 m3/h)下管道中各點(diǎn)的壓力分布情況如圖1所示，在管道的最高點(diǎn)處存在一個(gè)低壓點(diǎn)，在此工況下，出站壓力為3.8 MPa時(shí)，高點(diǎn)壓力為0.6 MPa，因此停輸期間確保管道最高點(diǎn)壓力大于油品飽和蒸氣壓非常必要。

b)壓力分布圖

1.3　慶陽(yáng)支線壓力波動(dòng)

慶陽(yáng)支線2010年10月9日投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，在運(yùn)行監(jiān)測(cè)中逐漸出現(xiàn)壓力跳變這個(gè)問(wèn)題，管道停輸狀態(tài)下，在某個(gè)時(shí)間出站壓力會(huì)出現(xiàn)跳變，隨之趨于平穩(wěn)，如圖2所示。圖2即為2016年12月11日22:30分停輸之后，在12月12日14:55分，慶陽(yáng)支線最高點(diǎn)之前的5#RTU閥室變化情況。

圖2　慶陽(yáng)支線5#閥室壓力變化

2　原因分析

2.1　壓力波動(dòng)概述

當(dāng)管線處于停輸狀態(tài)下，高點(diǎn)壓力較小，此時(shí)仍然大于油品的飽和蒸氣壓，隨著停輸時(shí)間的延續(xù)，管線內(nèi)油品溫度逐漸降低，壓力亦隨著溫度逐漸降低，當(dāng)管線內(nèi)高點(diǎn)液體壓力小于油品的飽和蒸氣壓時(shí)，油品瞬間會(huì)發(fā)生氣化。由于氣體較液體更容易壓縮，管線內(nèi)的液體隨著氣體壓縮發(fā)生瞬間流動(dòng)產(chǎn)生水擊，在水擊波傳遞過(guò)程中發(fā)生疊加，從而使原本微小的一次水擊變化顯得比較明顯。

2.2　理論依據(jù)

理想正壓流體在有勢(shì)能的流體力作用下作定常運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程(即歐拉方程)沿流線積分而得到的表達(dá)運(yùn)動(dòng)流體機(jī)械能守恒的方程。因著名的瑞士科學(xué)家D.伯努利于1738年提出而得名。對(duì)于重力場(chǎng)中的不可壓縮均質(zhì)流體，方程為[1]：

p+ρ×g×h+(1/2)×ρ×v2=C

式中，p為流體的壓強(qiáng)，Pa；ρ為密度，kg/m3；v為速度，m/s；h為鉛垂高度，m；g為重力加速度，m/s2；C為常數(shù)。

伯努利方程揭示流體在重力場(chǎng)中流動(dòng)時(shí)的能量守恒。慶陽(yáng)支線在停輸狀態(tài)下，流體在發(fā)生水擊之前，油品處于靜止?fàn)顟B(tài)，在管線內(nèi)任意一點(diǎn)處沒(méi)有能量進(jìn)入或離開(kāi)。因此，管線內(nèi)任意一點(diǎn)的總能量等于管線處其他點(diǎn)的總能量。靜止管線的唯一能量是由于壓強(qiáng)(靜壓壓頭)和高程(高程壓頭)引起的潛在能量。靜止管線內(nèi)靜壓壓頭和高程壓頭的和稱為總壓頭。只要管線內(nèi)的液體密度不變，總壓頭保持不變。高程越低，靜壓壓頭越大，壓力越高。高程越高，壓力越低。

慶陽(yáng)支線在停輸過(guò)程中，流體最終趨于靜止?fàn)顟B(tài)。隨著時(shí)間的推移，管道外部溫度場(chǎng)逐漸降低，管線內(nèi)油品溫度與外部發(fā)生熱交換，油品溫度逐漸降低，壓力亦隨著溫度的降低而降低。當(dāng)壓力低于油品的飽和蒸氣壓時(shí)，油品發(fā)生氣化，氣體被周圍油品在壓強(qiáng)的作用下瞬間壓縮，油品在壓縮的過(guò)程中產(chǎn)生流動(dòng)，管線內(nèi)油品隨之產(chǎn)生壓力波動(dòng)。

2.3　定量計(jì)算

表1為蘭鄭長(zhǎng)成品油管道慶陽(yáng)支線5#閥室及高點(diǎn)的海拔高度及里程數(shù)據(jù)。

表1　海拔高度及里程數(shù)

2.3.1停輸時(shí)高點(diǎn)壓力計(jì)算

根據(jù)2.2中所列的伯努利方程，將表1中蘭鄭長(zhǎng)慶陽(yáng)支線5#閥室、高點(diǎn)的里程、高程、壓力參數(shù)代入伯努利方程計(jì)算停輸時(shí)高點(diǎn)壓力p高=70 kPa。

2.3.2發(fā)生壓力波動(dòng)瞬間高點(diǎn)壓力

根據(jù)2.2中所列的伯努利方程，將表1中蘭鄭長(zhǎng)慶陽(yáng)支線5#閥室、高點(diǎn)的里程、高程、壓力參數(shù)代入伯努利方程計(jì)算壓力波動(dòng)瞬間時(shí)高點(diǎn)壓力p高=5 kPa。

2.4　結(jié)果分析

油品在停輸過(guò)程中，管道內(nèi)油品壓力波隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸消減，壓力也慢慢降低。當(dāng)壓力高于油品的飽和蒸氣壓時(shí)，油品不會(huì)發(fā)生氣化，當(dāng)壓力低于油品的飽和蒸氣壓時(shí)，油品發(fā)生氣化。柴油飽和蒸氣壓通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，見(jiàn)表2。

表2　柴油飽和蒸氣壓

通過(guò)上述計(jì)算，停輸瞬間高點(diǎn)壓力為70 kPa，高于柴油的飽和蒸氣壓，油品不會(huì)發(fā)生氣化。壓力波動(dòng)瞬間，通過(guò)計(jì)算高點(diǎn)壓力為5 kPa，低于柴油飽和蒸氣壓，油品發(fā)生了氣化。此時(shí)，管線內(nèi)高點(diǎn)附近液體處于氣、液兩相狀態(tài)，由于氣體較之液體更易被壓縮，高點(diǎn)周圍液體向高點(diǎn)氣化空間流動(dòng)，隨之產(chǎn)生了壓力波動(dòng)。

3　結(jié)論與建議

1)為保證停輸后不發(fā)生油品氣化而產(chǎn)生壓力波動(dòng)，最高點(diǎn)處的壓力不能低于油品的飽和蒸汽壓，否則可能發(fā)生高點(diǎn)油品氣化，發(fā)生液柱分離現(xiàn)象。

2)借鑒蘭成渝輸油管道做法，在高點(diǎn)安裝壓變、溫變，并將其引入SCADA系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)控高點(diǎn)參數(shù)。

[1] 羅惕乾.流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，01(4)：1-7.