輸油管道投產過程管輸流量值的計算方法

楊振江

中國石油北京油氣調控中心 （北京 100007）

管道投產是涉及多個專業協調配合的復雜系統工程，由單體設備試運、系統調試、管道充水與投油等一系列步驟組成。輸油管道常見的投產方式主要有空管投油、水隔離段后投油與全線水聯運后投油3種[1-3]。無論采取哪一種投產方式，其本質是液相的油或水驅替管道內部氣體的同時逐漸充滿整條管道的過程。管道投產的成功與否直接關系到后續能否正常生產運行，只有投產工作順利推進才能為其后的運行打下良好的基礎[4-7]。

1 流量控制的意義

空管啟泵進水或投油是管道投產不可或缺的重要步驟。輸油管道多采用超聲波流量計。然而由于流量計在空管狀態下無法進行設備調試，因此空管啟泵后管輸流量往往處于不可知的狀態，這無疑為投產工作帶來一定的風險與隱患[8-9]。

首先，流量控制是離心泵平穩工作的保證。每臺離心泵出廠時都標明了其額定工作點和最佳效率點，同時也對其最小連續流量和最大流量做了規定。如果離心泵長時間低于最小連續流量或高于最大流量將會產生離心泵振動、電機過載等一系列問題，不僅會對泵體產生不利影響，甚至會對驅動電機造成潛在傷害[10-11]。

其次，管道內清管器運移速度對流量控制也有要求。管道采用空管投油會在油品出站后發出一枚油-氣隔離球；水隔離段投油或全線水聯運投油會在水出站后發送一枚水-氣隔離球。如果投產時管輸流量過大、清管器運移速度過快則很有可能會使清管器結構受損，嚴重時甚至會在管道內解體。

最后，流量控制是投產方案的客觀要求。由于整個管道投運工程涉及到工藝、線路、儀表自動化等各個專業，投產時水頭或油頭的速度直接影響到投產工作的整體進度與日程計劃，各專業也都按照已經編制好的進度表開展工作[12]。例如：線路組安排人員進行跟球、高點與閥室排氣；儀表自動化組進行儀表安裝與調試等。

2 流量計算

比較常見的一種計算流量值的方法是通過發油罐液位進行計算。通常在管道投產前都會提前使用清潔水投用儲油罐，并對儲罐進行標定做出儲罐容積表（表1）。但采用此方法進行流量的計算也存在一定的技術缺陷，發油體積只能在經過一個時間段后才能夠計算得出，也即在T2時刻才可以計算T1至T2時刻的發油量，以此發油量為參照可近似得到T2時刻的瞬時流量。因此，采用這種方法是無法直接獲得某一個時刻管道的瞬時流量的，所以只能采取其他技術手段通過管路上的設備運行參數間接獲知流量值。

表1 儲罐容量表（節選）

2.1 泵特性曲線法

泵是管輸系統的供能設備，離心泵則是輸油管道首站給油泵與主泵最常見的類型。離心泵由電機驅動在一定轉速下向管道內的流體提供能量，使其獲得較高的能頭。離心泵在一定轉速下的流量與揚程、流量與功率、流量與效率和流量與吸入高度的關系曲線被稱為泵的工作特性曲線（圖1），它們表示泵的工作狀態[13]。

由此可得流量與揚程、功率、效率和吸入高度均具有一一對應的關系，但由于泵揚程測量方便，因此可考慮使用離心泵流量-揚程曲線（H-Q曲線）進行管輸流量的間接計算。對泵出口壓力與入口壓力直接取差值便可測得泵對流體做功后的壓力增量，根據液體壓強計算公式可得離心泵所提供的揚程值。

圖1 某管道站場泵工作特性曲線

泵工作特性曲線通常由離心泵廠家將泵完成組裝和調試后，在實驗臺使用清潔水測得[14-15]。管道投產時，技術人員只需在特性曲線圖上按照投產方案規定的流量找到其對應的揚程值，使用液體壓強計算公式便可得到要控制的泵進出口壓差。圖1即為典型泵工作特性曲線圖，與其他常見的曲線圖不同的是此圖是泵廠家在實驗臺使用柴油作為測試流體測得的。

2.2 調節閥流量系數法

輸油管道站場出站側一般都設置壓力調節閥，用以控制管道出站壓力、調節管輸流量。同離心泵一樣，調節閥也有其固有工作特性，一般使用閥門流量系數Cv值進行表征。Cv值是指閥門在某一給定開度下，60℉（15.556℃）的清潔水通過閥門后產生1 psi（1 psi=6.895 kPa）壓降時每分鐘的體積（1 gal（美）＝3.785 412 L）[16-18]。由以上定義可知，Cv值是使用美制物理量綱進行定義的，不符合我國工程實際。

式中：Cv為閥門流量系數，無量綱；Q為通過閥門的流量，gal/min；SG為流體相對密度，無量綱；Δp為通過閥門前后流體的壓力降，psi。

因而需要按照國際通用物理量綱進行重新定義：閥門在某一給定開度下，20℃的清潔水通過閥門后產生1 Bar壓降時每分鐘的體積。

根據以上定義可得閥門Kv值表達式以及與Cv值的函數關系：

式中：Kv為閥門流量系數，無量綱；Q為通過閥門的流量，m3/h；SG為流體相對密度，無量綱；Δp為通過閥門前后流體的壓力降，Bar或0.1 MPa。

不管是Cv值還是Kv值，都是衡量閥門流通能力的指標，表示通過閥門的流量和該流量下流體通過閥門時壓降間的相互關系[19-20]。

與離心泵工作特性曲線一樣，調節閥經過生產廠家實驗室測試后形成閥門開度變化與對應Cv值曲線圖，管道投產時調度指揮人員只需取得調節閥開度與調節閥前后壓差便可計算得到管輸流量。圖2即為某輸油管道首站出站壓力調節閥流量系數曲線圖。

圖2 某管道站場調節閥工作特性曲線

3 管道投產實例

我國某成品油管道附屬分輸支線全長55.7 km，管徑406.4 mm，設計壓力3 MPa。由于該管線出站未設置流量計，因此流量的計算與控制是投產試運工作的難點。根據投產方案規定，管道投產采用空管投油（柴油推氮氣）的方式，投產時柴油外輸流量控制在500 m3/h。

通過查詢泵工作特性曲線圖，當外輸流量為500 m3/h時，泵所提供的揚程約為330 m，投產時所用油品為柴油，其密度為837.7 kg/m3。經以上數據計算可得，在輸量為500 m3/h的工況下，流體經過泵加壓后其壓力應增加2.71 MPa。

但通過調節閥流量特性進行管輸流量瞬時值的計算較為繁瑣，由于調節閥在不同開度其Cv值并不相同，因此需要結合曲線圖與Cv值計算公式來確定。只要獲得某一工況下調節閥前后壓力以及閥門開度，便可計算出管道流量。

例如：投產過程中泵入口壓力為0.65 MPa，出口壓力為3.45 MPa，差值為2.8 MPa，略高于控制的目標壓力差。由離心泵工作特性可知管輸流量略低于500 m3/h，調度員可適當開啟調節閥增大流量。

同時，該工況下出站壓力為1.03 MPa，調節閥開度39%，通過查圖可得該開度下閥門Cv值約為106，轉換為Kv值約為90.8，計算可得通過調節閥的流量約為488 m3/h。此結果與泵工作特性曲線所得數據基本一致。

4 結論

管道投產時在站場流量計不具備使用條件時，利用離心泵工作特性曲線中的H-Q曲線與調節閥工作特性曲線獲知管輸流量，實踐證明此方法計算簡便、實用性強，同時兩種方法還可以互相印證。在管道正常運行時，如遇到流量計量設備故障，調度員無法進行流量監控時，也可以采用以上方法對管道流量進行估算。