大落差成品油管道停輸期間壓力波動分析

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(中國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

蘭鄭長成品油管道慶陽支線起始于甘肅省慶陽市西峰區董志鎮，全長216.3 km，接收位于慶陽市董志鎮慶陽石化煉廠的油品，經計量后進罐分儲，并重新組織批次輸送至陜西省咸陽市的咸陽油庫。管道設計壓力為9.0 MPa，設計輸量為1.8×106t/a，油管外徑323.9 mm，支線具有途經地形地貌多變、落差大、管徑較細及甘陜地區溫度變化不同步等特點。慶陽支線在近幾年的輸油運行中，在停輸靜態工況下，出現壓力波動，因此研究水擊產生的原因，避免此類情況的發生尤為必要。

1　壓力變化的條件及基礎數據

1.1　慶陽支線地形地貌

蘭鄭長慶陽支線管道沿線地勢復雜，高程落差較大，最高點海拔達到1 394 m，而最低點咸陽站海拔500 m，并且管道沿線溝壑縱橫，經過猴子溝、大戶王溝、二溝圈、三不同溝、爛泥溝、和盛東溝、四驅溝和無日天溝，溝上沿至溝底最大垂直高差在100 m左右，同時管線穿越馬蓮河、四郎河、紅巖河、涇河、太峪河五次河流穿越，復雜的地形和管道走向使得運行壓力控制非常困難。

1.2　慶陽支線壓力分布

由于特殊的地形和管道分布，慶陽支線管線壓力情況也較為復雜，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)下管道中各點的壓力分布情況如圖1所示，在管道的最高點處存在一個低壓點，在此工況下，出站壓力為3.8 MPa時，高點壓力為0.6 MPa，因此停輸期間確保管道最高點壓力大于油品飽和蒸氣壓非常必要。

b)壓力分布圖

1.3　慶陽支線壓力波動

慶陽支線2010年10月9日投產運行以來，在運行監測中逐漸出現壓力跳變這個問題，管道停輸狀態下，在某個時間出站壓力會出現跳變，隨之趨于平穩，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，慶陽支線最高點之前的5#RTU閥室變化情況。

圖2　慶陽支線5#閥室壓力變化

2　原因分析

2.1　壓力波動概述

當管線處于停輸狀態下，高點壓力較小，此時仍然大于油品的飽和蒸氣壓，隨著停輸時間的延續，管線內油品溫度逐漸降低，壓力亦隨著溫度逐漸降低，當管線內高點液體壓力小于油品的飽和蒸氣壓時，油品瞬間會發生氣化。由于氣體較液體更容易壓縮，管線內的液體隨著氣體壓縮發生瞬間流動產生水擊，在水擊波傳遞過程中發生疊加，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

理想正壓流體在有勢能的流體力作用下作定常運動時，運動方程(即歐拉方程)沿流線積分而得到的表達運動流體機械能守恒的方程。因著名的瑞士科學家D.伯努利于1738年提出而得名。對于重力場中的不可壓縮均質流體，方程為[1]：

p+ρ×g×h+(1/2)×ρ×v2=C

式中，p為流體的壓強，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。

伯努利方程揭示流體在重力場中流動時的能量守恒。慶陽支線在停輸狀態下，流體在發生水擊之前，油品處于靜止狀態，在管線內任意一點處沒有能量進入或離開。因此，管線內任意一點的總能量等于管線處其他點的總能量。靜止管線的唯一能量是由于壓強(靜壓壓頭)和高程(高程壓頭)引起的潛在能量。靜止管線內靜壓壓頭和高程壓頭的和稱為總壓頭。只要管線內的液體密度不變，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。

慶陽支線在停輸過程中，流體最終趨于靜止狀態。隨著時間的推移，管道外部溫度場逐漸降低，管線內油品溫度與外部發生熱交換，油品溫度逐漸降低，壓力亦隨著溫度的降低而降低。當壓力低于油品的飽和蒸氣壓時，油品發生氣化，氣體被周圍油品在壓強的作用下瞬間壓縮，油品在壓縮的過程中產生流動，管線內油品隨之產生壓力波動。

2.3　定量計算

表1為蘭鄭長成品油管道慶陽支線5#閥室及高點的海拔高度及里程數據。

表1　海拔高度及里程數

2.3.1停輸時高點壓力計算

根據2.2中所列的伯努利方程，將表1中蘭鄭長慶陽支線5#閥室、高點的里程、高程、壓力參數代入伯努利方程計算停輸時高點壓力p高=70 kPa。

2.3.2發生壓力波動瞬間高點壓力

根據2.2中所列的伯努利方程，將表1中蘭鄭長慶陽支線5#閥室、高點的里程、高程、壓力參數代入伯努利方程計算壓力波動瞬間時高點壓力p高=5 kPa。

2.4　結果分析

油品在停輸過程中，管道內油品壓力波隨著時間的延長而逐漸消減，壓力也慢慢降低。當壓力高于油品的飽和蒸氣壓時，油品不會發生氣化，當壓力低于油品的飽和蒸氣壓時，油品發生氣化。柴油飽和蒸氣壓通過實驗得出，見表2。

表2　柴油飽和蒸氣壓

通過上述計算，停輸瞬間高點壓力為70 kPa，高于柴油的飽和蒸氣壓，油品不會發生氣化。壓力波動瞬間，通過計算高點壓力為5 kPa，低于柴油飽和蒸氣壓，油品發生了氣化。此時，管線內高點附近液體處于氣、液兩相狀態，由于氣體較之液體更易被壓縮，高點周圍液體向高點氣化空間流動，隨之產生了壓力波動。

3　結論與建議

1)為保證停輸后不發生油品氣化而產生壓力波動，最高點處的壓力不能低于油品的飽和蒸汽壓，否則可能發生高點油品氣化，發生液柱分離現象。

2)借鑒蘭成渝輸油管道做法，在高點安裝壓變、溫變，并將其引入SCADA系統，隨時監控高點參數。

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