基于SPS的成品油管道水擊超前保護工藝分析

杜明俊，商 峰，熊新強，譚紅梅，公茂柱

（中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司， 河北 任丘 062552）

“水擊”是密閉輸油管道運行過程中不可避免的現象。實驗研究表明，管道發生水力瞬變所引起的壓力升降具有較高的頻率，且該壓力變化幅值可達到正常管壓的幾倍、幾十倍甚至上百倍[1]。管內壓力的大幅波動易引起管道強振，造成局部管段液柱分離、泵汽蝕等破壞，有時甚至引發爆管泄漏等重大事故[2]。因此，對于管道工程設計來說，模擬水擊工況，制定合理有效的保護措施具有重要的實際意義。

所謂水擊超前保護是指控制中心在接收到可能引起破壞性水力瞬變時，控制系統自行啟動相應于不同水擊源而預先設定的優化控制程序[3]。其控制原理是，當管道發生水擊時，控制系統迅速向上、下游站場發出指令（順序停泵或關閉閥門等），使上、下游分別產生一個與水擊壓力波反向的擾動波，從而削弱流體壓力脈動對管道的破壞。

筆者基于SPS軟件，結合瞬變流動理論，在分析以往水擊超前保護措施的基礎上，優化控制方案，動態模擬了不同水力瞬變工況下，管道系統實施水擊超前保護措施的全過程。設計思想可為工程實際應用提供一定的理論指導。

1 管道概況

某成品油管道全線長 240 km，設計壓力 8.0 MPa，沿線設首站、中間注入泵站和末站3座站場，6座RTU閥室。首站至中間注入站，管徑D457×7.1 mm，中間注入站至末站，管徑D508×7.1 mm。采用SPS軟件建立管道物理模型和邏輯控制關系，并進行水擊工況模擬及分析計算。

2 控制方程

當發生水擊時，水擊超前保護控制程序可以合理的調整管道壓力、流量的變化。其控制變量為：泵的啟停數量，閥門的開、關及開度設定值，變頻泵的頻率調節等[4-6]。這些變量相互制約，每一項的改變都將影響管道的流量和各站的進、出站壓力。結合實際管道的控制方法，這里選擇壓力調節作為控制變量。控制方程如下：

式中：Pci—各站出站壓力，MPa；

Pcig—管道最大允許出站壓力，MPa；

PJi—管道進站壓力，MPa；

PJig—管道最小允許進站壓力，MPa；

PGij—管道各點運行壓力，MPa；

PVig—流體氣化壓力，Mpa；

PViz—管道的最大允許承壓，MPa；

Cp—停泵調節特性；

Cg—變頻泵調節特性；

CV—閥門調節特性。

3 水擊過程分析

水擊過程分析主要模擬以下工況：

(1)泵站停電事故工況；

(2)各站場進、出站閥門事故關斷工況；

(3)線路監控閥室截斷閥事故關斷工況。

瞬態計算（水擊）是在穩態計算基礎上，對管道正常運行情況下可能發生的各種事故工況進行模擬分析。這里以某一工況（首站900 m3/h，注入站200 m3/h）下輸送柴油（輸送柴油時的壓力和流量變化幅度大于輸送汽油時的工況）為例，進行穩態計算及瞬態分析。穩態輸送過程的水力坡降見圖1。

圖1 穩態運行的水力坡降圖Fig.1 The hydraulic gradient map of steady-state operation

3.1 中間注入泵站事故停電

1）無水擊保護措施

中間注入泵站停電事故，導致泵機組停運。管線不同時刻的流量及壓頭變化見圖2-3。

圖2 中間站停電事故1 min后的水力坡降圖Fig.2 After one min the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

圖3 中間站停電事故30 min后的水力坡降圖Fig.3 After thirty minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

研究表明：中間注入站事故停電,泵機組停運，首站出站壓力逐步升高。10.5 min后，出站壓力開始超過管道最大允許壓頭。30 min后，首站最大水擊壓頭達1 140 m，遠超過管道設計壓力，故需采取水擊超前保護措施。

2）水擊保護控制過程（圖4-5）

（1）中間泵站停電，泵機組發出停運信號；

（2）接收泵機組停運信號30 s后，打開中間站越站閥門；

圖4 采取水擊保護1.5 min后的水力坡降圖Fig.4 After one point five minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

（3）中間站越站閥門開啟30 s后，將首站出站壓力調至6.2 MPa，確保管道沿線以700 m3/h的輸量運行；

（4）程序滿足條件自動觸發，在執行過程中遇到問題立即報警。

圖5 采取水擊保護8 min后的水力坡降圖Fig.5 After eight minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

中間泵站停電事故，采取水擊保護措施后，全線無超壓工況，且水力瞬變過渡過程平穩快速，8 min后管道全線將以700 m3/h的穩定輸量運行。

3.2 中間注入泵站出站閥門事故關斷

1）無水擊保護措施

中間注入泵站出站閥門事故關斷，導致沿線斷流。管道不同時刻的流量及壓頭變化見圖6-7。

圖6 中間站停電事故4 min后的水力坡降Fig.6 After four minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

圖7 中間站停電事故18 min后的水力坡降Fig.7 After eighteen minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

研究表明：中間注入泵站出站閥門事故關斷，產生增壓波向上游傳遞，減壓波向下游傳遞。若不采取水擊保護措施，首站至中間注入站管道壓力遠超過管道最大允許壓頭，且末站附近高點（234.9 km）處出現負壓工況，引起高點氣體逸出，故需采取水擊超前保護措施。

2）水擊保護控制過程（圖8-9）

（1）出站閥門事故關斷，系統發出關閥信號；

（2）接收閥門關閉信號30 s后，打開中間越站閥門，同時停運中間注入站所有泵機組；

（3）第二步執行30 s后，調整首站出站壓力為6.73 MPa，末站進站壓力為1.0 MPa，保證管道沿線以700 m3/h的輸量運行。

（4）程序滿足條件自動觸發，在執行過程中遇到問題立即報警。

圖8 采取水擊保護1.5 min后的水力坡降圖Fig.8 After one point five minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

圖9 采取水擊保護12 min后的水力坡降圖Fig.9 After twelve minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

研究表明：中間站出站閥門誤關斷，采取水擊保護措施后，全線無超壓工況，且水力瞬變過渡過程平穩快速，12 min后管道全線將以700 m3/h的穩定輸量運行。

3.3 4#監控閥室線路截斷閥事故關斷

1）無水擊保護措施

4#監控閥室線路截斷閥事故關斷，不同時刻的管道流量及壓頭變化見圖10-11。

研究表明：4 #監控閥室閥門事故關斷，產生增壓波向上游傳遞，產生減壓波向下游傳遞，閥門開始關閉4 min后首站至4#監控閥室段管道超壓，隨著時間的延長，進站高點處出現負壓，故需采取水擊超前保護措施。

圖10 4#截斷閥事故關斷5 min后的水力坡降Fig.10 After five minutes hydraulic gradient map of 4#cut-off valve turn off

圖11 4#截斷閥事故關斷14 min后的水力坡降Fig.11 The hydraulic gradient map fourteen minutes after turning off 4# cut-off valve

2）水擊保護控制過程（圖12-13）

（1）4#監控閥室閥門閥門事故關斷，系統發出關閥信號；

（2）接收閥門關閉信號30 s后，停運首站所有輸油泵；

（3）在第二步執行后30 s后，調整中間站出站壓力為2.4 MPa，末站壓力為1.0 MPa；保證中間站至末站管道以500 m3/h的輸量運行。

（4）程序滿足條件自動觸發，在執行過程中遇到問題立即報警。

研究表明：4#監控閥室截斷閥門誤關斷，采取水擊保護措施后，全線無超壓和負壓工況，且水力瞬變過渡過程平穩快速，16 min后中間站至末站管線將以500 m3/h的穩定輸量運行。

圖12 采取水擊保護4 min后的水力坡降圖Fig.12 After four minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

圖13 采取水擊保護16 min后的水力坡降圖Fig.13 After sixteen minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

4 結論及建議

通過對成品油管道水擊超前保護系統的應用研究，并綜合以往的設計方案，建立了水擊優化控制基本模型。結合實例，采用SPS軟件建立管道系統物理模型和邏輯控制關系，動態分析了不同水力瞬變工況下，水擊超前保護系統的實用性能。計算結果表明：該方法達到了滿意的設計效果，設計思想可為工程實際應用提供一定的理論指導。

［1］李樹慧.水擊方程的完善與計算方法[D]. 鄭州:鄭州大學碩士學位論文，2006-05.

［2］熊輝.原油管道仿真系統的開發[D].東營：中國石油（華東）大學碩士學位論文，2010-05.

［3］袁運棟.輸油管線水擊超前保護與 ESD系統的應用研究[D]. 西安:西安石油大學碩士學位論文，2011-11.

［4］宮 敬，嚴大凡，張維東.長輸管道水擊控制的數學模型.[J]管道技術與設計，1994，2（2）:3-7.

［5］韓春宇，黃 春，陳飛,等.東臨復線水擊保護實例分析.[J]油氣儲運，2008,27（2）:53-55.

［6］鐘仕榮.勇滬寧原油管道水擊分析與超前保護[J].化工自動化及儀表,2005,32（6）:48 -50.