SPS在蘇丹六區輕油外輸管道工程水擊模擬中的應用

中國石化中原石油工程設計有限公司

SPS在蘇丹六區輕油外輸管道工程水擊模擬中的應用

鄭焯 梅玲玲中國石化中原石油工程設計有限公司

根據蘇丹六區輕油外輸管道工程設計實踐，利用SPS水力模擬軟件，對輸油管道在不同工況下進行水擊模擬分析，為管道水擊保護系統的設計提供依據。本工程中管道瞬態分析的主要目的是要確定末站水擊泄放閥的設定壓力和水擊泄放閥的口徑，以完成管道水擊泄放系統的設計。結合工況一、二、四的計算結果，確定末站水擊泄放閥設定壓力為10.36MPa，口徑為6″。

SPS；輸油管道；水擊模擬；瞬態分析；設定壓力

蘇丹六區輕油外輸管道全長96.55km，管徑12″，管道設計最大輸量397.5m3/h。管道系統采用密閉輸送工藝，共設輸油泵站2座（首站和末站），截斷閥室1座。管道全線設計壓力10MPa，末站最低出站壓力6.5MPa，管材規格API5LX60。

1 輸油管道水擊產生的原因及危害

輸油管道水擊對管道和設備安全造成威脅的原因有：①中間泵站因動力中斷造成輸油泵全部突然關閉，在停泵站進口側產生高壓波，停泵站出口側產生低壓波；②末站因誤操作進站閥門或者泵突然關閉，產生高壓波。其中高壓波與管道中原有輸油壓力疊加后，低壓波則可能在管道造成負壓。

2 水擊計算方程

2.1 水擊壓力

根據動量定理，由于液流速度的瞬時變化所引起的壓力增值可按下式計算

式中ΔH為由于液流速度的瞬時變化所引起的壓力增值（kN/m2）；α為水擊波在管道中的傳播速度（m/s）；g為重力加速度（9.8m/s2）；υ0為正常輸送工況下的液體流速（m/s）；υ為工況突然改變后的液體流速（m/s）。

2.2 水擊波的傳播速度

水擊波的傳播速度α可按下式計算

式中E為管材彈性模量（kN/m2）；D為管道內徑（m）；t為管壁厚度（m）；r為液體密度（kN/m3）；K為液體體積彈性系數（kN/m2）；g為重力加速度（9.8m/s2）。

3 水擊模型工況及模擬結果

3.1 水擊模型工況分析

在工程設計中，一般采用專業軟件進行模擬計算，蘇丹六區輕油外輸管道工程采用SPS（Stoner PipelineSimulator）軟件進行水擊模擬和分析。

根據工程實際情況，管道設計最大輸量為397.5m3/h，正常輸量為265m3/h。造成水擊威脅的原因主要是末站ESDV關斷或者是末站外輸泵緊急停輸。因此水擊模擬分為四種工況，分別是流量為265m3/h時，ESDV關斷和末站停泵；流量為397.5m3/h時，ESDV關斷和末站停泵。

3.2 水擊模擬結果及分析

（1）控制參數。根據《PipelineTransportation SystemsforLiquidHydrocarbonsandOtherLiquids（ASMEB31.4—2009）》中規定，管道最大水擊壓力允許超過管道設計內壓力的10%，即管道全線最大壓力不能超過11MPa。另外ESDV閥門關斷時間越長，產生的水擊壓力越小，反之則越大。本工程中設定末站ESDV關斷時間為0.2min，設定末站水擊泄放閥口徑為6″，經軟件模擬，若滿足要求，則選用合理，反之則需重新選擇。

（2）管道穩態計算結果。輸油管道水擊模擬分析必須基于整個管道系統處于平穩運行階段即管道處于穩態，然后在穩態模型基礎上操作泵或閥門以達到瞬態水力模擬的效果。流量為397.5、265m3/h時的穩態分析結果見表1、表2。

表1 流量397.5m3/h時穩態分析結果

表2 流量265m3/h時穩態分析結果

3.3 管道瞬態分析

本工程中管道瞬態分析的主要目的是要確定末站水擊泄放閥的設定壓力和水擊泄放閥的口徑，以完成管道水擊泄放系統的設計。

當水擊產生后，管道沿線任意一點壓力達到11MPa時，計算的水擊泄放閥閥前壓力即為水擊泄放閥的設定壓力。在管道瞬態分析中，定義MAX.PRESSURE為任意時刻管道沿線各點最大壓力；PO為水擊泄放閥設定壓力，初始設置為11MPa，瞬態分析過程中軟件經過計算后自動重新賦值即為水擊泄放閥設定壓力。

（1）工況一。管道流量265m3/h時，末站ESD閥門關斷。MAX.PRESSURE=10.9498MPa；PO= 10.36MPa。

（2）工況二。管道流量265m3/h時，末站停泵。MAX.PRESSURE=10.9563MPa；PO=10.36MPa。

（3）工況三。管道流量397.5m3/h時，末站ESD閥門關斷。MAX.PRESSURE=10.9276MPa；PO=10.36MPa。

（4）工況四：管道流量397.5m3/h時，末站停泵。MAX.PRESSURE=10.9427MPa；PO=10.3650MPa。

（5）結果分析。以工況三計算曲線為例進行分析（其余工況可參考）。由于模擬輸油管道沿線最大壓力為10.92MPa，小于規范要求的11MPa，證明水擊泄放系統在管道發生水擊時起到了有效的保護作用，即水擊泄放閥口徑選擇合理。此時水擊泄放閥閥前壓力為10.36MPa，也就是說在水擊泄放閥閥前壓力達到10.36MPa，在這一時刻，管道系統中里程7.55km處就已經達到11MPa，因此需將預設泄放閥的設定壓力（11MPa）調整為10.36MPa，水擊泄放閥必須在這一點開啟泄壓，才能有效保護整個管道系統，即水擊泄放閥設定壓力為10.36MPa。根據軟件計算結果，確定水擊泄放閥最大泄放量為139.165m3/h，小于直徑為6″的泄放閥的理論泄放量668.36m3/h。所以在工況三條件下，水擊泄放閥設定壓力為10.36MPa，口徑為6″。

綜上所述，結合工況一、二、四的計算結果確定末站水擊泄放閥設定壓力為10.36MPa，口徑為6″。

4 結語

通過模擬分析，可以得到以下結論，并運用到工程設計和管道運行管理中：末站ESD閥門關斷后，里程7.55km處在閥門開始關閉6.904min后達到最大壓力10.9276MPa；里程7.55km處是整個管道系統中最薄弱的環節，設計過程中可考慮適當的管道增強保護措施；末站水擊泄放閥最大泄放量為139.165m3/h，小于直徑為6″的水擊泄放閥的理論泄放量668.36m3/h，泄放閥尺寸合理；ESD閥門關斷時間的長短與產生的水擊壓力大小及最大壓力出現時間有重要關系，本文暫不討論；水擊泄放罐的容積可根據水擊泄放閥的最大泄放量及泄放時間考慮。

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.037