原油管道不滿流工況分析及應對策略研究

馮云 楊金威 馬妍欣 甘亦凡 孟繁琦 張天一

摘 ?????要：通過SPS軟件的水力坡降圖確定了管道翻越點的位置以及發生不滿流工況的管段，并通過讀取末站壓力得出了可避免不滿流工況的下站來油進站壓力設定值，制定了不滿流工況的應對策略。測算了不同管徑對不滿流工況的影響，得出了可避免不滿流工況的最大管徑。為驗證SPS模擬結果的準確性，用公式法計算結果進行了對比驗證，發現SPS模擬結果精度較高，滿足工程要求，可用于不滿流工況應對策略研究。運用SPS軟件可以高效地確定翻越點及產生不滿流工況管段的位置，準確地計算出下游進站壓力設定值，還可以模擬不同參數對不滿流工況的影響，對原油管道安全高效運行具有重要意義。

關 ?鍵 ?詞：SPS;翻越點;不滿流;應對策略

中圖分類號：TE 832 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1763-05

Abstract： Through using the hydraulic gradient diagram of SPS software， the position of pipeline crossing-over point and the slack line flow pipeline section were determined. Through reading the pressure value of the terminal station， the setting value of inlet pressure which can avoid the slack line flow condition at next station was obtained， and the corresponding strategy was formulated. The influence of different pipe diameters on slack line flow conditions was investigated， and the maximum pipe diameter which can avoid the slack line flow was calculated. In order to verify the accuracy of SPS simulation results， SPS simulation results were compared with the results calculated by formula method. It was found that the simulation results of SPS had high accuracy and satisfied the engineering demand. It can be used to research the corresponding strategy of slack line flow conditions. The crossing-over point and slack line flow pipeline section can be determined efficiently and the setting value of inlet pressure can be calculated accurately by using SPS. It can also simulate the effect of different parameters on the slack line flow condition， which is of great significance to the safe and efficient operation of crude oil pipelines.Key words： SPS; Crossing-over point; Slack line flow; Corresponding strategy

位于地形起伏較大地區建設的長距離原油管道，管道會隨高程變化上下起伏，經常有高程變化較大的管段，尤其是長陡下坡管段，液流在翻越高峰點后，存在較多的剩余水頭，容易在下坡管段產生真空不滿流工況。不滿流工況可能會導致對管段事故反應變慢、產生巨大增壓使管道壓力超限、引發管段產生氣蝕和強烈的振動造成管道破壞、加劇管道內壁的腐蝕等，可見不滿流工況對管道安全高效運行有很大的危害[1]。因此，研究不滿流工況的應對策略對管道的安全運行有著重要的意義。Stoner Pipeline Simulator/（SPS）是一種先進的流體仿真應用程序，可以模擬任何現有的或規劃設計中的管道，可對正常或非正常條件下諸如管路破裂、設備故障或其它異常工況等進行模擬，可對各種不同控制策略的結果做出預測。本文通過運用SPS水力坡降圖高效準確地確定了翻越點及發生不滿流工況管段的位置，并模擬得出了不同管道參數對不滿流工況的影響，給出了不同的應對方案，對工程實際具有良好的指導作用[2]。

2.2 ?翻越點定義

當要將一定數量的油品通過管道上的某高點時所需的壓頭比輸送到終點所需的壓頭大，且管道內原油自該高點至終點所得的位能可能大于為克服流動時的摩擦阻力所需的能量，那么此髙點就為原油管輸過程中的翻越點[5]。

2.3 ?翻越點及不滿流管段的確定

做管道里-高程變化圖，在接近管道末端的縱斷面線的上方，按其縱橫坐標的比例作水力坡降線，將水力坡降線向下平移，直到與縱斷面線相切為止。若水力坡降線在與管道終點相交之前，與管道縱斷面線上的某點相切，則存在翻越點，該點即為翻越點，翻越點多為接近管道末端的某髙點[6]。

圖2所示為起點壓力為2 300 kPa時的SPS水力坡降圖（STANDARD.FLOW為流量、ELEVATION為管道高程、HEAD為水力坡降），水頭線與高程線于A點（30.8 km，570.2 m）相切。

根據圖3、圖4壓力變化圖可以看出此時高點壓力為0 kPa，末站壓力為1 160 kPa（圖5），末點壓力折算水頭137.62 m，已知高程差產生的位能為223.12 m，故下坡段摩阻為223.12 m-137.62 m = 85.5 m。位能遠大于克服流動時摩擦阻力所需的能量，故A點即為翻越點，在該點后的管段將產生不滿流工況[7]。

3 ?基于SPS仿真的應對策略研究

3.1 ?可避免不滿流工況的進站壓力設定值模擬

因管道沿線壓力不得低于0.2 MPa，故設置起點壓力為2 500 kPa，水力坡降如圖5所示。沿線壓力變化如圖6所示，此時管道高點壓力值為200 kPa，折算水頭為23.74 m。原油在高點位置已經具有23.73 m的水頭，再加上223.12 m位能，若末站來油進站設定值按照最小進站壓力0.5 MPa（折算為水頭59.32 m）設置則原油在下坡管段更容易發生真空不滿流。

在現場管理過程中，對不同工況下的來油設定值均可根據讀取的末點壓力值進行設置以避免不滿流工況的產生，通過SPS仿真讀取來油進站壓力設定值不僅簡單方便易于操作，還可避免計算過程中產生的錯誤。

3.2 ?可避免不滿流工況的管徑模擬研究

根據達西水力摩阻公式可知，管道的水力摩阻與管徑成反比，與流速的平方成正比，綜合起來，水力摩阻與管徑的5次方成反比[8]。管徑越小摩阻損失越大，在工程中可以采取在下坡段采用小管徑管道的措施，當管道摩阻損失等于位能的增量時便可避免不滿流工況的產生。故在SPS軟件中將末站壓力控制為0.5 MPa（如圖10所示），起點流量控制為2 554.2 m3/h測試滿足工況要求的管徑，該管徑即為可避免不滿流工況的最大管徑[9]。如圖8、圖9所示，將管徑改為 時，沿線翻越點均可通過，原油輸送到末站時壓力值剛好為0.5 MPa，故將下坡段管徑設置為 時可避免不滿流工況的產生。但是采用小管徑管段會對管道清管等操作帶來不便，所以在工程上并不推薦采用縮小管徑的方式作為不滿流工況的應對策略[10]。

4 ?公式法對比

為驗證SPS軟件模擬的準確性，本文采用公式法計算避免不滿流工況應設的末點壓力以及可避免不滿流工況的最大管徑，將其結果與SPS軟件的模擬結果進行比較。

4.2 ?可避免不滿流工況的末站壓力設定值計算

根據現場數據，20攝氏度時黏度為20 mm2/s，高點A到末點B的距離為L1=27 km，高程差△Z=-223.12 m，帶入數據計算得hf=86.10 m。局部磨阻取1%沿程磨阻0.86 m水頭進行計算。取高點壓力為管道允許最低壓力0.2 MPa，列A-B兩點間伯努利方程[12]：

帶入數據Z1=570.2 m，P1=0.2 MPa，Z2=347.08 m，滿流時v1=v2，hz=hf+0.1hf，計算得P2=1.348 MPa，即將末站進站壓力設置為1.348 MPa即可避免不滿流工況的產生。SPS模擬結果與公式法計算結果誤差僅為0.02%，可見SPS模擬結果滿足精度要求，可以作為不滿流工況研究的輔助軟件。

4.3 ?可避免不滿流工況的最大管徑反算

管徑越小摩阻損失越大，在工程中可以采取在下坡段采用小管徑管道的措施，當管道摩阻損失等于位能時便可避免不滿流工況的產生。根據已知數據，反算末站設置為允許進站壓力0.5 MPa時可避免不滿流工況的的管徑[13]：

將數據Z1=570.2 m，P1=0.2 MPa，Z2=347.08 m，P2=0.5 MPa，帶入伯努利方程計算得此時hz=187.53 m，將hz=187.53 m帶入列賓宗公式計算得d=0.650 m，即高點壓力為0.2 MPa，末站進站壓力設置為0.5 MPa時，下游管段選取管徑小于0.650 m的管道可避免不滿流工況的產生。根據管道規格，660 mm×9.5mm的管道滿足要求，與SPS仿真結果一致。

5 ?結 語

本文通過在SPS中輸入里高程等管道基礎參數的條件下自動生成沿程水力坡降線，通過調節起點壓力上下平移水頭線的位置，從而可以更加方便準確地確定翻越點及不滿流工況產生的位置。通過公式法計算結果與SPS軟件模擬結果對比，發現SPS模擬結果準確度較高，可以作為現場輔助管理軟件。將其運用在不滿流工況的研究中可以更加方便直觀地確定翻越點及可能發生不滿流工況管段的位置，通過SPS仿真模擬讀取原油輸送到末站時的壓力值從而制定末站來油進站壓力設定方案可以避免不滿流工況的產生，還可以通過模擬測算得出不同管徑對管道不滿流工況的影響，給出可避免不滿流工況的允許管徑，從而輔助現場工作人員高效地管理運行。

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