成品油管道水擊超前保護邏輯功能分析及改進措施

張洪奎，李彥剛，陳井軍

(中國石化銷售股份有限公司 華中分公司，湖北 武漢 430023)

成品油長輸管道順序輸送汽油、柴油等多種油品，具有線路長、落差大、輸送工藝復雜、水利工況多樣等特點。在運行操作過程中容易出現閥門意外開啟或關閉及油泵機組意外停運等異常情況，會引起水擊現象[1]。水擊也稱為水錘，因管道內流速發生變化，引起壓力的升高或降低，會導致設備損壞、管道破裂等重大安全事故。如前蘇聯奧木斯克-索庫爾輕油輸油管線[2]，有一中間輸油站因電源故障，導致全部停泵，而上站按常量正常供油，突然停電，輸油站至上站管線某處因反向流水擊產生的壓力與輸油壓力疊加造成壓力過高從而引起管線爆裂。長輸管線在設計時要充分考慮水擊的影響，設計壓力調節及水擊控制系統來避免安全事故。

1 長輸管道典型水擊

成品油長輸管道水擊產生的因素很多，基本上可以分為兩類： 一類是有計劃的調整輸量或切換流程導致的水擊；另一類是事故引起的水擊。調整輸量或切換流程等都會引起管道內壓力波動，對此可人為采取措施，在啟、停泵過程中，靠泵出口閥或控制閥來抑制啟、停泵產生的水擊，使水擊壓力波動處于允許范圍內[3]。事故引起的水擊，如泵站停電、泵機組意外停運、干線閥門關閉等引起的流量變化都會造成管道水擊，水擊的劇烈程度，取決于流量變化的情況。如果水擊的壓力超過管道設計壓力就需要對管道控制系統采取相應的調節和保護措施。

首站停電導致泵機組停運或干線閥門意外關閉，向下游站場傳遞減壓波，此時采取全線立即停輸的措施，以避免管道內壓力低于液體的飽和蒸氣壓[4]。中間泵站停電或泵機組停運，電動閥均有斷電保位的特性，上游站場持續供油，中間泵站向上下游站場傳遞的減壓波會被上游站場的增壓波抵消掉，不會產生超過管道允許工作壓力的水擊[5]。有大翻越點的管道則要根據水力計算的結果設置相應保護措施。

2 水擊超前保護邏輯

水擊超前保護是當發生正水擊時，通過自控系統的控制閥或機泵發出一個負水擊波，以攔截向上游傳播的正水擊波，使全線壓力保持在允許范圍內。

2.1 RTU閥室誤關水擊保護邏輯

輸油管道站間RTU閥室的執行機構具有快速關斷的功能，RTU閥室執行機構誤關是輸油站常見事故。執行機構關閉后，導致管道產生水擊波，向上游站場傳遞增壓波，向下游站場傳遞減壓波，上游站場出站區域的壓力信號“三取二”表決后傳送至邏輯控制器。邏輯控制器啟動相應水擊邏輯，通過關小出站控制閥一定開度將泵組壓力截在站內，同時通過關小泵組區出口閥一定開度降低泵組的揚程。因此，將泵組外輸的壓力控制在站內，避免水擊波的疊加，實現水擊保護。但是該邏輯僅能在壓力波到達上下游站場的時候才能動作，不能真正的實現水擊的超前保護，而且此時上游站場的水擊波已經反復疊加，存在管道爆裂的風險。

2.2 站內干線閥門誤關水擊保護邏輯

站內干線閥門誤關分為中間泵站干線閥門誤關及末站干線閥門誤關兩種情況。中間泵站干線閥門誤關保護邏輯如圖1所示，進、出站區6臺壓力變送器獲取管道壓力信號,分別構成2套“三取二”冗余表決結構，進出站管道壓力值高于設定值并持續X秒,干線閥門處于非全開狀態，都可觸發水擊保護邏輯。首先將出站控制閥MOV307關小一定開度，若管道壓力差值持續增大，則執行全線停輸邏輯。

圖1 中間泵站干線閥門意外關閉水擊保護邏輯

末站干線閥門誤關保護邏輯如圖2所示，進站管道壓力迅速升高，高于設定值并持續X秒，此時將末站及相鄰上游站場控制閥MOV407，MOV307關小一定開度，若末站進站管道壓力繼續升高并持續X秒，則執行全線停輸邏輯。

圖2 末站干線閥門意外關閉水擊保護邏輯

成品油管道中間泵站均設置有全越站流程，可實現緊急情況下的管道油品不進站直接越過本站輸送至下站，站內干線閥門誤關的水擊保護邏輯中，只有壓力調節和全線停輸顯然不是最優的控制邏輯。同樣，末站干線閥門誤關的水擊保護邏輯中，也只有壓力調節和全線停輸，管道末站干線閥門誤關可執行除末站外的管道的分段輸送，避免全線停輸等事故工況。

3 水擊超前保護邏輯優化

3.1 RTU閥室誤動作水擊保護邏輯優化

成品油管道長輸管道的RTU閥室與輸油泵站間一般為光纜通信或租用鏈路，通信保障情況良好。RTU閥室電動執行機構的動作信號可以實時傳輸至泵站的邏輯控制器，且閥室內裝有壓力變送器可實時監測執行機構前后的壓力，為實現水擊超前保護提供良好的條件。修改原有保護邏輯并將RTU閥室執行機構兩端管道壓力信號及執行機構動作信號接入邏輯控制器，RTU閥室執行機構兩端壓差超過某個數值時，且在有限的時間段內，執行機構MOV103非全開狀態，則判斷RTU閥室執行機構誤動作。此時，RTU閥室的上下游站場水擊超前保護邏輯同時觸發，上站進行調壓及順序停泵，下站執行關閉進站執行機構的邏輯，保障管道內壓力，避免形成液柱分離的情況。但考慮通信異常的情況及水擊波傳輸的時間，同時為了保證輸油工況的穩定，在控制邏輯上加延時，避免湍流狀態下導致水擊保護邏輯觸發。

經水力分析后，優化原水擊保護邏輯，分為RTU閥室通信正常及中斷兩種情況，通信正常情況下，RTU閥室執行機構兩端壓差值超過YMPa持續X秒，且執行機構非全開狀態，此時判斷RTU閥室執行機構誤動作。優化后的保護邏輯如圖3所示。

圖3 通信正常情況下優化后水擊保護邏輯示意

通信中斷情況下，將原有觸發邏輯增加延時，RTU閥室上游站場出站壓力信號經“三取二”冗余表決后傳送給邏輯控制器，邏輯控制器輸出信號關閉出站開關閥MOV301，關小控制閥MOV307開度，并順序停泵，RTU閥室下游站場進站信號經“三取二”冗余表決后傳送給邏輯控制器，邏輯控制器輸出信號關閉進站開關閥MOV401，優化后的邏輯如圖4所示。

圖4 通信中斷情況下優化后的水擊保護邏輯示意

3.2 干線閥門誤關水擊保護邏輯優化

站內干線閥門誤關水擊保護邏輯優化分為中間泵站干線閥門誤關及末站干線閥門誤關兩種情況。

中間泵站干線閥門誤關水擊保護邏輯優化如圖5所示,在原有壓力調節的基礎上，增加開啟本站全越站流程的邏輯，即在水擊發生時開啟全越流程閥門，后續油品經該流程出站，避免全線停輸。

圖5 中間泵站干線閥門意外關閉水擊保護邏輯

管道末站干線閥門誤關水擊保護邏輯優化如圖6所示,在原有壓力調節的基礎上，增加停上游站場運行輸油泵的邏輯，即在水擊發生時停上游站場運行輸油泵，關閉上游站場出站閥門及末站進站閥門，避免全線停輸。同時增加上游站場與末站邏輯控制器之間的Message指令通信狀態的判斷，避免通信異常情況下的水擊保護邏輯的誤觸發。末站與上游站場之間通信異常時，執行RTU閥室通信中斷情況下的水擊保護邏輯。

圖6 末站干線閥門意外關閉水擊保護邏輯

4 水擊保護失效分析及改進措施

對水擊保護系統失效率采用馬爾科夫模型(Markov Model)[6]進行平均危險失效率(PFD)與安全失效率(PFS)的計算，結果見表1所列。

表1 PFD與PFS計算結果

從各元件PFD對水擊超前保護系統失效的影響看，傳感器及邏輯控制器占的比例較小，分別為3.26%和1.49%，執行器所占比例最大，為95.25%。執行器將是造成水擊超前保護系統失效的最大隱患。增加設備可靠性主要有三方面的措施： 改變功能測試周期、改進系統冗余表決結構與提高單個設備可靠性。改進系統冗余表決結構與提高單個設備可靠性成本較高，一般不采用，可采用改變執行器功能測試周期的方法來提高可靠性。

經驗證將執行器的功能測試周期由1年縮短為3個月，執行器失效率將降低至原失效率的20%，提高可靠性。在水擊超前保護系統因故無法響應或響應不及時的情況下，成品油管道在泵站及末站均設置泄壓罐以消除水擊對外管道及站內設備影響。

5 結束語

針對長輸管道輸油泵站水擊超前保護系統的干線閥門及RTU閥室執行機構誤動作的水擊超前保護邏輯改進，對現有設備進行失效分析，找到薄弱環節為執行器，通過縮短功能測試周期提高了執行器的可靠性。