基于SPS的成品油庫汽車發油系統水擊瞬態分析

姜連華，李惠杰，許立娟，高 偉，李邵杰

（1. 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； 2. 華北油田公司基建工程部，河北 任丘 062552）

基于SPS的成品油庫汽車發油系統水擊瞬態分析

姜連華1，李惠杰2，許立娟1，高 偉1，李邵杰1

（1. 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； 2. 華北油田公司基建工程部，河北 任丘 062552）

成品油庫工藝系統的水擊破壞往往不被人們所重視，以某成品油庫為例，應用SPS軟件建立了油庫汽車發油系統物理模型和控制關系，數值模擬了變頻泵機組不同發油工況，管線水擊壓力的變化情況。研究表明：當6鶴管中同時有1～2鶴管發油結束，工藝系統產生的水擊壓力較小；當6鶴管中同時有3～4個鶴管發油結束，發油系統水擊壓力增大明顯，最大水擊壓力可達1.15 MPa；當6鶴管同時發油結束，閥門關閉瞬間，水擊壓力超過系統設計壓力，雖然持續時間較短，但系統長期從事類似的操作，會對管線、閥門、尤其是儀表設備造成一定的破壞，適當增加泄壓工藝是防止水擊破壞的有效措施。

SPS軟件；成品油庫；發油系統；水擊

成品油庫內的工藝管線與長輸管道相比，管徑小、距離短，且尚未做到全密閉輸送，因此，成品油庫在運行過程中所形成的水擊往往不被人們重視。

隨著成品油庫自動化水平的不斷提高，精密儀表、緊急切斷工藝的不斷應用，對水擊危害的防治也越來越受到人們的廣泛關注，尤其在成品油庫發油系統中，閥門的突然啟閉會導致管道中流體的流速瞬時加劇，形成水擊。實驗表明［1，2］，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。因此，對于工程設計單位來說，模擬水擊工況，制定合理有效的防護措施，將水擊壓力控制在正范圍內，對后期運行來說具有重要的實際意義。這里以某成品油庫為例，利用 SPS軟件建立發油系統物理模型和邏輯控制關系，數值模擬了發油系統油品切換及緊急切斷時的水擊工況，所得成果可為預防水擊破壞和優化泄壓流程提供一定的理論指導。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本油庫汽車發油系統采用多泵對多鶴位分組調頻工藝，即控制系統通過識別作業鶴管的數量，控制啟泵數及整個并聯泵機組的運行頻率；下面以柴油裝車為例，來分析汽車裝車結束，數控電液閥突然關斷時的管線水擊壓力變化情況。這里采用世界通用的SPS管道水擊分析軟件進行瞬態模擬計算；電液閥關斷時間按10 s計，假設柴油最多可同時運行6個鶴管，SPS建立的物理模型見圖1。

圖1 汽車發油系統物理模型Fig.1 Physical model of automobile oil system

1.2 數學模型［3］

數控電液閥在突然關閉過程中，由于閥芯面積減小，流量降低，導致閥兩側壓力不斷變化。根據瞬變流動理論，建立閥門關閉過程的水擊控制方程如下：

連續性方程：

運動方程：根據裝車結束時間的不同，汽車發油系統也存在 6種不同的水擊工況，詳見下面分析。

2.1 水擊工況1、2

當6路鶴管中的1路鶴管發油結束，剩余5路正常發油時，此時控制系統發出調頻指令，泵機組降頻，輸出流量變為500 m3/h；發油結束瞬間泵機組調頻過程中管線壓力變化見圖2，3，穩定后的水力迫降見圖4。

式中：V — 流速，m/s；

P — 壓力，MPa；

D — 管道內徑，m；

α — 管道與水平方向夾角。

2 數值模擬及結果分析

圖2 發油系統正常運行時的管道系統水力迫降圖Fig.2 The normal operation of the hydraulic system of oil pipeline landing system

圖3 單路電液閥關閉時發油系統水力迫降變化圖Fig.3 Single channel electro-hydraulic valve closed hydraulic oil system landing Fig.

6鶴管正常發油時的水力坡降見圖2，此時泵機組出口匯管流程600 m3/h；單個鶴管流量100 m3/h，系統運行壓力遠低于管線設計壓力。

6路鶴管在某一時刻存在同時運行的工程，則

圖4 單路電液閥關閉后系統重新穩定的水力坡降圖Fig.4 The new stable hydraulic gradient map single electro-hydraulic valve closed system

研究表明：當6路鶴管中的1路鶴管發油結束，電液閥關段瞬間，管線出現壓力波動，但波動幅度較小，水擊壓力遠低于管道允許的最大承壓，此工況對儀表等設備影響較小。

當6路鶴管中的2路鶴管同時發油結束，泵機組降頻輸出流量400 m3/h，關閥瞬間，水擊壓力波動與1路鶴管發油結束壓力波動相比，略有增長，但波動幅度仍不大，對儀表等設備影響較小，此處不再扼要。

2.2 水擊工況3、4

當6路鶴管中的3路鶴管同時發油結束時，剩余3路正常發油，此時泵機組降頻，系統輸出流量為300 m3/h，發油結束瞬間泵機組調頻過程中管線壓力變化見圖5，穩定后的水力迫降見圖6。

圖5 3臺電液閥同時關閉時發油系統水力迫降變化圖Fig.5 3 Teclast valve closed at the same time when the hydraulic oil system landing Fig.

圖6 3臺電液閥關閉后系統重新穩定的水力坡降圖Fig.6 3 Teclast liquid valve closed system stable hydraulic gradient map

研究表明：當6路鶴管中的3路鶴管同時發油結束，3臺電液閥關段瞬間，發油管線出現較大壓力波動（最大水擊壓力約0.9 MPa），雖然水擊壓力仍不超過管道允許的最大承壓，但長時間類似的壓力波動會對精密儀表的精度造成一定的影響。

當6路鶴管同時有4路發油結束，剩余2路正常發油時，此時泵機組降頻，系統輸出流量為200 m3/h，電液閥關段瞬間，管內水擊壓力波動增大，最大水擊壓力可達到1.15 MPa，雖然不超過管道允許的最大承壓，但水擊壓力對發油系統的影響已經相當明顯。

2.3 水擊工況5、6

當6路鶴管中的7路鶴管同時發油結束時，剩余1路正常發油，此時泵機組降頻，系統輸出流量為100 m3/h，發油結束瞬間泵機組調頻過程中管線壓力變化見圖7。

圖7 5臺電液閥同時關閉時發油系統水力迫降變化圖Fig.7 5 Teclast valve closed at the same time when the hydraulic oil system landing Fig

圖8 6臺電液閥同時關閉瞬間發油系統水力迫降變化圖Fig.8 6 Teclast valve closed at the same time instant oil hydraulic landing Fig.

圖9 6臺電液閥同時關閉4 s后發油系統水力迫降變化圖Fig.9 6 Teclast valve oil hydraulic system diagram and close the landing changes after 4 S

研究表明：當6路鶴管中的5路鶴管同時發油結束，電液閥關段瞬間，管內水擊壓力波動幅度繼續增大（最大水力壓力1.42 MPa），已逐漸接近管道最大承壓值，且水力壓力波動時間較長，對儀表等設備的影響的越發嚴重。

當6路鶴管同時發油結束，泵機組停運，系統輸出流量為0 m3/h，此時，電液閥突然關閉，泵機組連鎖停運過程中的管線壓力變化見圖8、9、10。

圖10 6臺電液閥同時關閉10 s后發油系統水力迫降變化圖Fig.10 6 Teclast valve and close the oil hydraulic system diagram 10s changes after landing

研究表明：當6路鶴管同時發油結束，電液閥關段瞬間，管內水擊壓力迅速增大，超過管道允許的最大承壓，雖然超壓持續時間只有5 s，但每次最后一個鶴管發油結束后，都會出現上述工況，長期以往會對管線、閥門、尤其是儀表設備造成一定的不可修改性破壞；因此，建議設計單位對重要設備兩端增加卸壓流程，以減少由水擊壓力過大對工藝系統造成的破壞。

3 結論及建議

通過對成品油庫汽車發油系統進行水擊模擬分析可知：當發油系統采用變頻泵機組時，只要整個系統在最終運行結束前，通過調頻來控制流量和壓力，管線內雖然壓力波動較大，但不會超過工藝系統的設計壓力；只有當泵機組最終停運時，此時工藝系統的水擊壓力會瞬時超過設計壓力，盡管超壓持續時間較短，但系統長期從事類似的操作，會對管線、閥門、尤其是儀表設備造成一定的破壞（尤其是一泵一鶴管的發油系統），因此，建議增加泄壓工藝或調整泵的控制措施，來消除或降低水擊壓力。

［1］杜明俊，商峰，熊新強，等.基于 SPS 的成品油管道水擊超前保護工藝分析［J］. 當代化工， 2013，42（10）: 1387-1391.

［2］李樹慧. 水擊方程的完善與計算方法［D］. 鄭州: 鄭州大學，2006-05.

［3］劉洪明，杜明俊，李惠杰， 等. 基于SPS 的成品油庫汽車發油系統火災事故 ESD 過程控制研究［J］. 當代化工， 2014，43（9）: 1830-1832.

［4］趙會軍，李俊玲，劉凱， 等. 油庫發油系統水擊控制關斷方案［J］.油氣儲運，2009， 28（10）: 22-25.

Water Hammer Transient Analysis of the Oil Tank Vehicle Oil Dispensing System Based on SPS

JIANG Lian-hua1，LI Hui-jie2，XV li-juan1，GAO-wei1，LI Shao-jie1
（1. China Petroleum Engineering Co.， Ltd. North China Company，Hebei Renqiu 062552，China；2. Huabei Oilfield Company Capital Construction Engineering Department，Hebei Renqiu 062552，China）

The water hammer damage of refined oil dispensing system in oil depots is always ignored. In this paper，taking a refined oil depot as an example， physical model and control relationships of vehicle dispensing oil system was established by SPS software. Under different oil dispensing condition of variable frequency pump， numerical simulation of pipeline water hammer pressure change was carried out. The results show that： when 1～2 crane tubes among the 6 crane tubes stop oil filling， the water hammer pressure produced in the process system is smaller； when 3～4 crane tubes among the 6 crane tubes stop oil filling， the water hammer pressure produced in the process system increases significantly， the maximum water hammer pressure is up to 1.15 MPa； when 6 crane tubes all stop oil filling，the valve is closed instantly， the water hammer pressure exceeds the design pressure， although the time is short， but the long-term similar operations will cause pipes， valves， especially instrument equipments damage， it's pointed out that it is appropriate to add the discharge pressure process to prevent water hammer damage.

SPS software； Oil depot； Oil system； Water hammer

TE 624

A

1671-0460（2015）12-2872-04

2015-07-28

姜連華（1964-），男，河北任丘人，高級工程師，主要從事油庫工程建設及管理工作。E-mail：dmj260750009@163.com。