SPS水力仿真在大落差輸油管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李慧

摘要;介紹了水力分析軟件SPS在大落差輸油管道的主要應(yīng)用，并結(jié)合某條管線利用SPS軟件進(jìn)行瞬態(tài)模擬案例，通過進(jìn)行啟停輸模擬、輸油管道事故工況分析，為滿足大落差管道高點(diǎn)無負(fù)壓、低點(diǎn)不超壓的要求，模擬采取水擊超前保護(hù)措施，最終保障管道運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：輸油管道;SPS軟件;大落差;瞬態(tài)模擬

1軟件介紹

目前，行業(yè)內(nèi)進(jìn)行輸油管道水力計(jì)算分析的軟件主要有 2 個(gè)：Stoner Pipeline Simulation（以下簡(jiǎn)稱SPS）軟件和PipelineStudio（以下簡(jiǎn)稱TLNET）軟件。兩個(gè)軟件各有特點(diǎn)，TLNET操作界面友好，易學(xué)易用，SPS需要使用者按照軟件自定義的語言命令編程進(jìn)行邏輯控制，邏輯較復(fù)雜，精度較高，在一些文獻(xiàn)中也提到了 SPS 的計(jì)算精度明顯高于TLNET[1]，因此一般在管道數(shù)據(jù)不夠詳實(shí)，計(jì)算要求比較粗獷的管道規(guī)劃、方案比選等前期階段采用 TLNET軟件或者直接建立水力計(jì)算數(shù)據(jù)表格的方式，而在水力計(jì)算要求較嚴(yán)格、數(shù)據(jù)較齊全的管道設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行等后期階段采用SPS。

SPS軟件在進(jìn)行輸油管道水力分析時(shí)，可以模擬輸送單一流體、單相混合流體或批次流體的管道[2]，通過兩種建模方式建立輸油管道的實(shí)際模型：（1）通過文本編寫 INPREP 文件進(jìn)行建模;（2）在Model Builder 軟件中通過添加設(shè)備、節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行圖形建模，然后通過在INTRAN文件中編寫邏輯控制語言來實(shí)現(xiàn)不同工況的模擬，可以模擬管道的正常運(yùn)行工況的多種動(dòng)態(tài)變化過程，如泵的開啟和停止、泵的串聯(lián)并聯(lián)、流體加減阻劑等工況;也可以模擬特殊的異常工況，比如斷電停輸、設(shè)備故障甩泵、誤操作關(guān)閥等，對(duì)不同工況的可能結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)和處理，通過模擬處理措施保證管道的安全運(yùn)行。

2在大落差輸油管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

SPS在大落差輸油管道設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用如下：

（1）輸油管道的穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）進(jìn)行正常工況的穩(wěn)態(tài)模擬，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)備設(shè)備的匹配運(yùn)行;

2）分析系統(tǒng)全線的運(yùn)行壓力，是否存在超壓或者不滿流的情況，判斷設(shè)計(jì)壓力的設(shè)定是否合理，站場(chǎng)的選址是否合理，是否需要進(jìn)行變徑設(shè)計(jì)或者增設(shè)減壓設(shè)備;

3）分析輸油泵的運(yùn)行狀況，通過不同匹配方案模擬情況，判斷輸油泵的選擇是否合理;

4）模擬設(shè)計(jì)中各運(yùn)行方案，查看不同方案的節(jié)流情況，比較各方案的經(jīng)濟(jì)性;

5）設(shè)計(jì)減壓泄放系統(tǒng);減壓系統(tǒng)選擇是否合理，泄壓閥的選型是否滿足工況需要;

6）大落差管道線路變更是否產(chǎn)生新的翻越點(diǎn)，前期完成的設(shè)備選型是否滿足變更后的需要，以及提出調(diào)整措施。

（2）輸油管道瞬態(tài)模擬與水擊超前保護(hù)

1）啟停輸程序的模擬，針對(duì)完工管線給出啟停輸程序，主要控制啟停輸過程中高點(diǎn)不拉空、低點(diǎn)不超壓;

2）事故工況的模擬，主要模擬停電甩泵工況、誤關(guān)進(jìn)出站閥、誤關(guān)線路閥等;

3）水擊超前保護(hù)處理措施，通過對(duì)事故工況的模擬，調(diào)整水擊超前保護(hù)方案進(jìn)行模擬，提出滿足要求的水擊超前保護(hù)處理措施。

（3）順序輸送系統(tǒng)模擬與分析

1） 模擬批量輸送以及計(jì)算混油量。

在大落差輸油管道中，由于線路起伏較大，為保障管道運(yùn)行安全，應(yīng)滿足高點(diǎn)無負(fù)壓、低點(diǎn)不超壓的要求，將邊界條件進(jìn)行如下控制：

a）高點(diǎn)處控制壓力最低0.2MPa;

b）進(jìn)站壓頭不低于60m。

c）在上站出站壓力不超限、不額外增加運(yùn)行泵的條件下，維持進(jìn)站壓力在靜壓以上，以減少意外工況造成高點(diǎn)負(fù)壓。

3應(yīng)用案例-瞬態(tài)模擬與水擊超前保護(hù)

3.1管線概況

某條大落差輸油管線采用常溫密閉順序輸送工藝，輸送汽油（93#、97#）、車用柴油和普通普通柴油兩大類4個(gè)品種。

管道沿線共設(shè)置9座工藝站場(chǎng)：BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分輸泵站、YS05泵站、MZ06分輸站、JS07泵站、YX08分輸泵站和CP09末站。管道設(shè)計(jì)輸量調(diào)整為705×104t/a;管線全長(zhǎng)為797km，全線設(shè)01遠(yuǎn)控閥室1座。沿線站場(chǎng)和管道設(shè)置情況見表3.1 1。

全線站場(chǎng)輸油主泵按串聯(lián)配置，共設(shè)置輸油主泵28套（BS01、FND02、FN03、GN04、YS05、JS07、YX08各設(shè)置4套串聯(lián)主輸泵）。

相對(duì)于汽油，同輸量條件下管道系統(tǒng)輸送柴油壓力更高，對(duì)管道系統(tǒng)影響較大，因此瞬態(tài)工況模擬以管輸柴油進(jìn)行。相對(duì)于低輸量，高輸量條件下要求出站壓力高、下站進(jìn)站壓力低，誤動(dòng)作影響大，因此以柴油760m3/h輸量狀態(tài)為初始條件進(jìn)行模擬。

3.2事故停電甩站

由于篇幅限制，將事故停電甩站工況的模擬情況列舉3類進(jìn)行分析：首站停電甩站、中間泵站停電甩站（不可壓力越站）、中間泵站停電甩站（可壓力越站）。

3.2.1 BS01首站停電甩站

1）工況分析

BS01首站甩泵后，出站壓力迅速降低。減壓波約1.5分鐘傳至FND02泵站，約2.5分鐘后線路高點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓。如不采取任何措施，后續(xù)各站泵入口壓力持續(xù)降低損傷外輸泵;高點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓，損傷外管道。

各站高、低壓泄壓閥無動(dòng)作。

由于管道系統(tǒng)失去油品及動(dòng)力來源，建議全線順序執(zhí)行應(yīng)急停輸程序。

2）保護(hù)措施

應(yīng)急停輸程序執(zhí)行順序：

以檢測(cè)到BS01首站甩泵信號(hào)為T=0min時(shí)刻;

T=1min時(shí)刻，發(fā)送FND02泵站應(yīng)急停輸程序;

T=2min時(shí)刻，發(fā)送FN03泵站應(yīng)急停輸程序;

T=3min時(shí)刻，發(fā)送GN04分輸泵站應(yīng)急停輸程序;

T=4min時(shí)刻，發(fā)送MZ06分輸站應(yīng)急停輸程序;

T=5min時(shí)刻，發(fā)送YS05泵站應(yīng)急停輸程序;

T=6min時(shí)刻，發(fā)送CP09末站應(yīng)急停輸程序;

T=7min時(shí)刻，發(fā)送YX08分輸泵站應(yīng)急停輸程序;

T=8min時(shí)刻，發(fā)送JS07泵站應(yīng)急停輸程序;

各站應(yīng)急停輸程序見3.2.4。

采取超前保護(hù)措施后，全線無超壓、無負(fù)壓。

3.2.2 FND02泵站停電甩站

（1）工況分析

FND02站甩泵后，出站壓力迅速降低。減壓波約1分鐘傳至FN03泵站，F(xiàn)N03泵站進(jìn)站壓力降低;進(jìn)站增壓波約1.5分鐘傳至上站BS01首站。如不采取任何措施，F(xiàn)N03泵站進(jìn)站壓力超低損傷外輸泵;BS01-FND02站間管道壓力持續(xù)升高，但未出現(xiàn)超設(shè)計(jì)壓力點(diǎn)。

全線高、低壓泄放閥未發(fā)生動(dòng)作。

由于FND02泵站不可壓力越站，該工況發(fā)生后，建議全線采取超前保護(hù)程序，順序執(zhí)行應(yīng)急停輸程序。

采取超前保護(hù)措施后，全線無超壓、無負(fù)壓。

3.2.3 GN04分輸泵站停電甩站

（1）工況分析

GN04分輸泵站甩泵后，出站壓力迅速降低。減壓波約2分鐘傳至YS05泵站;進(jìn)站升高，增壓波約1分鐘傳至上站FN03泵站。該工況發(fā)生后，如不采取任何措施，GN04進(jìn)站壓力達(dá)到泄放設(shè)定值（4.0MPa）之后，泄放閥打開，GN04后各站輸量降低，F(xiàn)ND02和FN03泵站由于泵揚(yáng)程能力限制，進(jìn)站壓力升高。建議采取超前保護(hù)程序，全線降量輸送。

采取超前保護(hù)措施后，全線無超壓、無負(fù)壓。

3.2.4 各站應(yīng)急停輸程序

（1）泵站（BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分輸泵站、YS05泵站、JS07泵站、YX08分輸泵站）

接收到BS01首站應(yīng)急停輸信號(hào)后：

a）按照從外輸泵編號(hào)從小到大應(yīng)急，先停泵號(hào)較小泵;

b）延時(shí)0.5分鐘，停在運(yùn)泵號(hào)較大泵;

c）發(fā)送本站應(yīng)急停泵結(jié)束信號(hào)。

（2）減壓站（MZ06分輸站）

接收到MZ06分輸站應(yīng)急停輸信號(hào)后：

a）控制進(jìn)站壓力7.4MPa;

b）發(fā)送MZ06分輸站應(yīng)急停泵結(jié)束信號(hào)。

（3）末站（CP09末站）

接收到CP09末站應(yīng)急停輸信號(hào)后：

a）控制進(jìn)站壓力4.7MPa;

b）發(fā)送CP09末站應(yīng)急停泵結(jié)束信號(hào)。

3.3誤關(guān)進(jìn)站閥

3.3.1 誤關(guān)進(jìn)站閥102#閥門

（1）各泵站誤關(guān)進(jìn)站閥：各站起泵工況時(shí)誤關(guān)進(jìn)站閥102#閥門，采取打開全越站閥門，上站來油通過越站閥直通出站，水力工況同本站的事故停電甩站工況。

（2）CP09末站關(guān)進(jìn)站閥

1）工況分析

CP09末站誤關(guān)進(jìn)站閥后，如不采取保護(hù)措施，由于管道介質(zhì)無處流動(dòng)，進(jìn)站閥前壓力迅速升高約1.5MPa，然后快速升高至泄壓閥設(shè)定值，泄放閥開啟;進(jìn)站增壓波約1.5分鐘后到達(dá)YX08分輸泵站，進(jìn)出站壓力均升高，約5分鐘（以CP09誤關(guān)閥計(jì)時(shí)，下同）后進(jìn)站壓力達(dá)到泄放設(shè)定值;增壓波約3.5分鐘后達(dá)到JS07泵站，JS07進(jìn)出站壓力均升高，約15.5分鐘JS07出站高壓泄放;增壓波約7分鐘后達(dá)到MZ06分輸站，MZ06進(jìn)出站壓力均升高，約18分鐘MZ06進(jìn)站高壓泄放。

此工況發(fā)生后，如GN04、MZ06和YX08可下載，應(yīng)立即調(diào)整下載量。如不能下載或下載量無法滿足管道最小輸量，建議執(zhí)行全線緊急停輸程序。

2）保護(hù)措施

緊急停輸程序執(zhí)行順序：

以檢測(cè)到CP09末站進(jìn)站閥關(guān)閉信號(hào)為T=0min時(shí)刻;

T=0.5min時(shí)刻，發(fā)送YX08分輸泵站、JS07、MZ06、BS01緊急停輸程序;

T=1min時(shí)刻，發(fā)送YS05、FND02站緊急停輸程序;

T=2.5min時(shí)刻，發(fā)送FN03泵站緊急停輸程序;

T=3.5min時(shí)刻，發(fā)送GN04分輸泵站緊急停輸程序;

各站緊急停輸程序見3.6，采取停輸保護(hù)措施后，全線無超壓、無負(fù)壓。

3.3.2 越站誤關(guān)進(jìn)站閥101#閥門

在工況模擬中，只有GN04分輸泵站和JS07泵站可以進(jìn)行越站輸送。

（1）GN04分輸泵站越站工況關(guān)101#

1）工況分析

由于101#閥門為站場(chǎng)最外一道閥，該閥關(guān)閉后造成的超壓流體無處泄放，引起上站進(jìn)出站壓力持續(xù)升高。

GN04越站工況下，如關(guān)閉本站101#，進(jìn)站壓力迅速升高。由于低壓泄放閥無法開啟，如不采取任何保護(hù)措施，約2.5分鐘后GN04進(jìn)站前約50km處低點(diǎn)管道達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，但未超過MASP。如繼續(xù)維持原狀，F(xiàn)N03泵站高低壓同時(shí)泄放，GN04分輸泵站出站壓力降低，高低出現(xiàn)負(fù)壓。

由于該工況發(fā)生后FND02和FN03無法越站，必須采取全線停輸保護(hù)管道。

采取全線緊急停輸后，停輸過程無超壓，但是GN04出站后管道出現(xiàn)短時(shí)負(fù)壓。

（2）JS07泵站越站工況關(guān)101#

1）工況分析

由于101#閥門為站場(chǎng)最外一道閥，該閥關(guān)閉后造成的超壓流體無處泄放，引起本站進(jìn)站端壓力升高，壓力波約2分鐘（以101開始關(guān)閉計(jì)時(shí)，下同）傳至上站MZ06，MZ06進(jìn)出站壓力持續(xù)升高，如不采取任何保護(hù)措施，MZ06泄壓閥將在約3分鐘后開啟，MZ06與JS07間低點(diǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，但未超過MASP;壓力波繼續(xù)上傳，約在3分鐘后傳至YS05;約5分鐘后傳至GN04，GN04進(jìn)出站壓力升高，約13.5分鐘后GN04低壓泄放閥開啟。

該工況發(fā)生時(shí)考慮最苛刻條件，采取全線緊急停輸。

采取全線緊急停輸后，過程無超壓、無負(fù)壓、無泄放閥開啟。

3.4 誤關(guān)出站閥302#閥

出站閥302#閥的工況水力分析結(jié)果同本站事故停電甩站工況。

3.5 誤關(guān)線路閥

1）工況分析

全線設(shè)置有一座遠(yuǎn)控閥室：01遠(yuǎn)控閥室，位于YX08分輸泵站前27.2km處。

01遠(yuǎn)控閥室自控閥關(guān)閉后，閥后壓力降低，減壓波約0.5分鐘傳至YX08分輸泵站;閥前壓力迅速升高，增壓波1分鐘后傳至JS07泵站。

檢測(cè)到閥門關(guān)閉后，JS07、YX08和CP09應(yīng)立即啟動(dòng)緊急停輸程序;JS07前各站，如GN04和MZ06可以下載，則應(yīng)調(diào)整下載量適應(yīng)管輸量;如不能下載，則應(yīng)執(zhí)行全線緊急停輸程序。

執(zhí)行全線緊急停輸程序后，全線無超壓，01遠(yuǎn)控閥室—YX08間管道高點(diǎn)和YX08出站段高點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓。

3.6各站緊急停輸程序

（1）泵站（BS01首站、FND02泵站、FN03泵站、GN04分輸泵站、YS05泵站、JS07泵站、YX08分輸泵站）

接收到BS01首站緊急停輸信號(hào)后：

a）同時(shí)停本站所有在運(yùn)外輸泵;

b）發(fā)送本站緊急停泵結(jié)束信號(hào)。

（2）減壓站（MZ06分輸站）

接收到MZ06分輸站緊急停輸信號(hào)后：

a）控制進(jìn)站壓力7.4MPa;

b）發(fā)送MZ06分輸站緊急停泵結(jié)束信號(hào)。

（9）末站（CP09末站）

接收到CP09末站緊急停輸信號(hào)后：

a）控制進(jìn)站壓力4.7MPa;

b）發(fā)送CP09末站緊急停泵結(jié)束信號(hào)。

4結(jié)論

根據(jù)水力仿真模擬的結(jié)果可以看出：

（1）BS01首站停電甩站建議全線順序執(zhí)行應(yīng)急停輸程序;FND02泵站、FN03、YS05泵站泵站、YX08分輸泵站中間泵站停電甩站（不可壓力越站）建議全線順序執(zhí)行應(yīng)急停輸程序;GN04分輸泵站、JS07泵站中間泵站停電甩站（可壓力越站）建議采取超前保護(hù)程序，全線降量輸送。

（2）當(dāng)前模擬的大落差管道需要采取適當(dāng)?shù)乃畵舯Ｗo(hù)措施（含超前保護(hù)措施），才能有效保障水擊時(shí)管道不超壓（瞬間運(yùn)行壓力不超設(shè)計(jì)壓力1.1倍）。

（3）在大落差管道設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行瞬態(tài)模擬十分必要，在進(jìn)行管道壓力設(shè)計(jì)、管道壁厚選擇、站內(nèi)設(shè)備選型時(shí)，充分考慮瞬態(tài)工況，提高水擊保護(hù)措施的可操作性，從而保證管道的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉定智，劉定東，李茜. TGNET 及 SPS 軟件在天然氣管道穩(wěn)態(tài)計(jì)算中的差異分析和比較. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（5）：18 - 22.

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