水擊超前保護在日照-儀征原油管線上的應用

孫敬禮(中石化管道儲運有限公司運銷處， 江蘇 徐州 221008)

水擊超前保護在日照-儀征原油管線上的應用

孫敬禮(中石化管道儲運有限公司運銷處， 江蘇 徐州 221008)

在密閉輸油管線上，由于某種原因導致管線中原油流速急劇下降，管線壓力出現大幅的變化，形成水擊，嚴重威脅管道安全。要確保原油管線的安全運行，輸油管線上必須要投用可靠的保護系統。

水擊；水擊超前保護；水擊超前保護應用

日照-儀征原油管線(以下簡稱日儀線)始于山東省日照市止于江蘇省儀征市，輸油管道全長378公里，管道內徑914毫米，設計輸油壓力8.5兆帕，管線初始設計日輸量3.6萬噸/天[1]。2011年10月日儀線順利投產，有效解決了南京和沿江地區各石化企業原油缺口和接卸運輸難、供應不穩定的問題。作為沿江煉廠的生命線，2015年日儀線為沿江石化企業輸送原油超設計輸量20%。在日儀線輸油作業中，任何引起壓力管線中流速的變化，都會對壓力管線造成水擊。而流速的突然大幅下降引起的水擊對壓力管道造成的危險性極大，極有可能造成輸油管線的損壞。水擊超前保護的應用，不僅能夠可靠有效的避免水擊對輸油管線造成的危害，而且能夠避免因水擊造成設備故障或非計劃停輸給沿江煉廠帶來原油斷供風險。

1 水擊及其危害

水擊實際上是一種能量的轉化過程，即在液體減速的情況下由動能轉化成壓能[2]，在液體加速的情況下由壓能轉變為動能。在壓力管道中，由于某種原因導致管線內原油流速變化，引起的壓力波在管線內迅速傳遞，同時可以聽到管線內有沖擊管壁的聲音，這樣現象就叫水擊。

水擊形成的原因有很多種，如泵站突然停泵，干線閥門突然關閉或開關過快，輸油泵站突然停電等[2]。當中間泵站由于某種原因全面停電時，該站的輸油泵突然停運，但上站仍以常量給該站輸油，此時該站的進站管線由于原油流速突然下降造成原油堆積將承受很大的壓力；而下站由于該站突然停泵，但由于慣性原因，原油仍以一定的速度向下站流動，在流動過程中由于原油輸量的減少，在某段管線中會形成真空，少量的液體會因此蒸發，液體蒸發集聚形成氣泡，當氣泡相互碰撞破裂時，就形成高壓。

水擊嚴重時會使輸油管道出現爆裂事故。如前蘇聯奧木斯克-索庫爾輕油輸油管線，有一中間輸油站因電源故障，突然全部停泵，引起停電站至下站管線原油流速急劇下降，而上站按常量正常供油，停電站至上站管線承受壓力過高導致管線爆裂。在壓力管線中，尤其是“從泵到泵”的壓力管線中，在設計時要考慮這一點，如不考慮這一點，將發生嚴重的后果，常導致原油管線爆裂事故。

2 水擊超前保護

水擊超前保護是指在壓力管線中發生水擊后，在壓力波沒有到達上下站之前，上下站采取相應的措施，發出一個與迎面而來的壓力波相反的壓力波，以此來相互抵消[2]。水擊超前保護與泵站和管道連鎖保護有本質的區別，泵站和管道聯鎖保護是在壓力波到達泵站后，達到該站保護值時，連鎖保護才作出相應的反應，如：輸油站進出站管線高低壓泄壓閥、進出站管線壓力調節閥等。水擊超前保護是否能夠實現取決于以下幾個因素：

2.1站間距和水擊壓力波的傳播速度[2]

在日儀線上5座輸油站，站間距在70-90公里，水擊壓力波在原油管線內傳輸速度大約是1km/s，這就意味著在日儀線上實現水擊超前保護要在70-90秒內完成。

2.2 要有高水平自動化系統和完善可靠的數據傳輸系統[2]

日儀線于2011年10月投產，此管線自動化程度高，SCADA系統采用上海福克斯波羅PLC系統，數據傳輸準確可靠。

2.3 要有可靠準確的工況分析軟件和控制軟件

在“從泵到泵”密閉輸油管線中，輸油工況變化大且復雜，水擊產生的原因很多。在發生水擊時，壓力波能夠通過SCADA系統迅速傳遞至工況分析軟件和控制軟件，并按照之前模擬分析的結果編制的程序，全線各輸油站實施水擊超前保護[3]。

3 水擊超前保護的應用

日儀線采用上海福克斯波羅SCADA控制系統，通過調度控制中心進行監控[1]。沿線各站均采用PLC來完成對本站數據的采集、傳輸和控制，各站PLC及遠控閥室RTU完好[3]，通訊暢通，相關壓力、閥門、泵的狀態顯示準確，能夠真實反映出水擊源。當輸油管道發生水擊時，日儀線SCADA系統根據沿線各站工藝參數，分析判斷出水擊源，同時調控中心水擊保護軟件向沿線所有泵站發出水擊控制信號，防止管線出現超壓和真空情況，確保管道和設備的安全。

3.1 日儀線原油輸送現狀

日儀線有5座泵站，其中日照油庫和淮安站分別有4臺美國福斯泵，東海站和觀音站是壓力越站流程，以下是日儀線工況運行情況：

日照 淮安 輸量m3儀征進站MPa兩大一小 兩大 3500 5.4 3.6 1.4 5.2 2.9 0.1兩大 一大一小 3000 4.7 3.0 1.1 4.0 2.1 0.1一大一小 一大 2700 3.8 3.8 1.3 3.4 2 0.1一大 一小 2200 3.1 2.1 1.2 2.3 1.3 0.1一大 全越站 1800 3.2 2.6 1.9 1.8 1.1 0.1日照出站MPa東海進站MPa淮安進站MPa淮安出站MPa觀音進站MPa

3.2 控制軟件基本要求

如前所述，日儀線基本具備了水擊超前保護的三大條件，而水擊超前保護的實現所依賴的控制軟件，也需要具備以下基本要求：

(1)輸油泵非正常全部停運的邏輯判斷條件：最后一臺運行泵停止運行，且有儀表聯鎖停泵報警信號或壓力開關動作信號。

(2)水擊超前保護停泵應執行單泵急停程序，程序執行時不受該泵(就地/遠控)狀態、泵(進/出)口閥(就地/遠控)狀態、泵(進/出)口閥非全開狀態的限制。

(3)由調控中心下發的水擊超前保護指令，應確保每個站場無論處于站控或是中控狀態，都應執行，站控PLC執行中控下發的水擊命令后應自動復位。

(4)各站的水擊源均設置可投用/摘除的軟開關。

(5)水擊超前保護的相關設定值可在SCADA中控系統界面上修改。

在日儀線具體了以上所述的所有條件后，水擊超前保護便可實現。

3.3 水擊超前保護的實施

根據目前日儀線實際工況及工藝調度控制情況，水擊超前保護暫設置兩種水擊工況，即：干線閥門誤動作和日照油庫非正常全部停運。

(1)干線閥門誤關閉。在日儀線正常輸油過程中，出現以下任一種情況，都會造成水擊，水擊超前保護程序都將進行動作：

①各站進出站閥門，即：日照油庫1111閥，東海站2101閥、2111閥，淮安站3101閥、3111閥，觀音站4101閥、4111閥，儀征站5101閥等閥門關至小于90%,且5s后開度繼續減小。

②日儀線上任一座遠控截斷閥室的閥門前后壓差大于0.2MPa。

③東海站進站壓力持續2s大于6.0MPa、淮安站進站壓力持續2s大于6.0MPa、觀音站進站壓力持續2s大于6.0MPa、儀征站進站壓力持續2s大于1.2MPa。

上述情況觸發水擊時，水擊超前保護程序的控制策略為：各站運行輸油泵同時緊急停運，日照商儲庫給油泵通過給油泵與輸油泵間的停泵聯鎖功能全部停運。

(2)日照油庫輸油泵非正常全部停運。當日照油庫輸油泵由于某種原因，如突然停電，造成非正常全部停運時，水擊超前保護程序觸發，此時淮安站運行輸油泵同時緊急停運，同時日照商儲庫給油泵通過給油泵與輸油泵間的停泵聯鎖功能全部停運。

4 結語

水擊超前保護是原油管線上諸多保護之一，同時也是唯一一種基于全管段SCADA數據做出全線保護的系統。它與泵站及管線連鎖保護本質區別在于水擊超前保護是管線壓力或閥門達到某設定值時做出全線停泵指令，因此水擊超前保護能夠更全面地、更迅速的消除水擊，避免管道受到危害，保障輸油管線安全平穩運行。

水擊超前保護在日儀線上的投用，可大大提高日儀管線的安全性和可靠性。在水擊超前保護應用期間，日儀線未發生因水擊造成非計劃停輸事故，有效保障了沿江各煉廠原油的供應。日儀線二期工程也即將完工，屆時日儀線運行工況及輸量將達到一個新的高度，水擊超前保護的作用也將日益凸顯。

[1]運銷處.日照-儀征原油操作手冊[M].

[2]黃春芳.石油管道輸送技術.中國石化出版社∶2008.

[3]運銷處.日儀線水擊超前保護邏輯[M].

孫敬禮，男，本科工程師。