新疆化—王成品油管道事故瞬態(tài)分析

張 寧，馮玉華，鄧 靜，邱宗君

（新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司）， 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊 830000）

新疆化—王成品油管道事故瞬態(tài)分析

張 寧，馮玉華，鄧 靜，邱宗君

（新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司）， 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊 830000）

以某成品油管道（化—王D273成品油管道）為例，應(yīng)用 SPS 軟件（Stoner Pipeline Simulator）建立了管道系統(tǒng)物理模型。動(dòng)態(tài)分析了該管道末站進(jìn)站ESD閥意外關(guān)斷時(shí)的工況，并結(jié)合瞬變流動(dòng)理論，優(yōu)化水擊保護(hù)控制程序，提出了不同事故工況下的水擊控制方案。研究表明：對(duì)于末站進(jìn)站ESD閥意外關(guān)斷，提出了兩種方案并進(jìn)行安全性分析，最終采用對(duì)該管道實(shí)施末站泄壓保護(hù)和水擊超前保護(hù)雙重措施這一方案，沿線最高瞬時(shí)壓力不超過管道最大允許瞬時(shí)壓力，穩(wěn)定后的壓力不超過管道設(shè)計(jì)壓力，且管道全線瞬變過渡過程平穩(wěn)快速，無負(fù)壓點(diǎn)，滿足管道安全運(yùn)行要求。

SPS；成品油管道；水擊保護(hù)；工藝分析

輸油管道的密閉輸油流程使管道全線成為一個(gè)整體的水力系統(tǒng)，管道沿線某一點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)變化會(huì)在管內(nèi)產(chǎn)生瞬變壓力脈動(dòng)。該壓力脈動(dòng)從擾動(dòng)點(diǎn)沿管道上下游傳播，即引起管道的瞬變流動(dòng)，管道瞬變流動(dòng)引起的壓力波動(dòng)稱為水擊。

水擊壓力和速度的變化與流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量有關(guān)，輕微時(shí)只表現(xiàn)為噪音和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使管道破裂。水擊會(huì)引起管道中的液體密度、管道壓力及管子截面積同步發(fā)生周期性的增減變化，不論造成管道壓力過高或過低，還是造成管道振動(dòng)，都可能引發(fā)嚴(yán)重的后果[1-5]。

1 管道運(yùn)行現(xiàn)狀

新疆烏石化—王家溝成油品支線，管道起點(diǎn)為烏魯木齊石化公司東側(cè)，終點(diǎn)位于王家溝油庫東側(cè)，線路全長38.5 km，管道規(guī)格為D273.1×5.6，管道設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，設(shè)計(jì)輸量為200×104t/a，全線設(shè)首末站各1座。首站外輸泵至下游閥門及管件設(shè)計(jì)壓力均為5.0 MPa，末站進(jìn)站管件承壓為1.6 MPa。

2 事故分析

模擬油品：0#柴油，20 ℃時(shí)油品密度為850 kg /m3，粘度為8 mm2/s，本論文僅針對(duì)設(shè)計(jì)輸量下，利用SPS軟件模擬末站進(jìn)站ESD閥意外關(guān)斷時(shí)，對(duì)管道首末站的影響并提出處理方案。

2.1 無水擊保護(hù)措施

在末站沒有任何保護(hù)措施情況下，對(duì)事故工況進(jìn)行模擬，如圖1。

由圖1可知，事故后，管道全線歷史最大壓力全線超過設(shè)計(jì)壓力 4.0 MPa和最大瞬時(shí)壓力 4.4 MPa。由此可知，在此工況下，會(huì)導(dǎo)致管線停輸，管道已經(jīng)不滿足安全運(yùn)行的條件。

2.2 增設(shè)末站泄壓保護(hù)系統(tǒng)

在末站ESD閥前增設(shè)泄壓閥，泄壓壓力為1.6MPa，模擬結(jié)果如圖2。

圖1 事故后管道線路沿線歷史最高和最低壓力圖Fig.1 The diagram of the max pressure and the min pressure after theaccident

圖2 事故后管道線路沿線歷史最高和最低壓力圖Fig.2 The diagram of the max pressure and the min pressure after theaccident

由圖2可知，當(dāng)泄壓閥泄放壓力為1.6 MPa時(shí)，管道沿線歷史最大壓力超過可允許的最大瞬時(shí)壓力，所以在此工況下，管道已經(jīng)不滿足安全運(yùn)行的條件。

根據(jù)計(jì)算，如果要使管線壓力不超過最大可允許瞬時(shí)壓力4.4 MPa，則需要設(shè)置泄壓閥泄放壓力不高于1.48 MPa。

2.3 增設(shè)超前保護(hù)措施

經(jīng)過上述計(jì)算與分析，優(yōu)化方案如下：設(shè)置當(dāng)末站入口壓力為0.8 MPa時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，在末站入口壓力為1.2 MPa時(shí)實(shí)現(xiàn)停泵并同時(shí)關(guān)閉首站出站閥門，達(dá)到1.4 MPa時(shí)開始泄壓。

注釋：

STANDARD.FLOW：標(biāo)態(tài)下的管道流量；

HEAD：壓頭線；

ELEVATION：高程線；

B0114:P+：首站出站壓力；

B0301:P-：末站進(jìn)站壓力；

B0114:Q+：首站出站流量；

B0301:Q-：末站進(jìn)站流量；

MAOP：最大可允許操作壓力，選定為設(shè)計(jì)壓力4 MPa； MASP：最大可允許瞬間壓力，為設(shè)計(jì)壓力的 1.1倍； MAX.PRESSURE：管線各點(diǎn)在時(shí)間段內(nèi)達(dá)到的最大壓力；

MIN.PRESSURE：管線各點(diǎn)在時(shí)間段內(nèi)達(dá)到的最小壓力

圖3 事故時(shí)烏石化首站出站壓力及王家溝末站進(jìn)站壓力圖Fig.3The diagram of outbound pressure in the first station and inbound pressure in the last station on the accident

圖4 事故時(shí)烏石化首站出站流量及王家溝末站進(jìn)站流量圖Fig.4The diagram of outbound flow in the first station andinbound flow in the last station on the accident

圖5 事故后管道線路沿線歷史最高和最低壓力圖Fig.5The diagram of the max pressure and the min pressure after the accident

圖6 事故后泄壓閥入口流量變化圖Fig.6The diagram of inbound flow in the relief valve after the accident

（1） 由圖4可知：在末站增加泄壓閥后并設(shè)置超前保護(hù)后，末站進(jìn)站ESD閥意外關(guān)斷后，管線流量降為0，造成管線停輸。

（2） 由圖5可知，此時(shí)，管道沿線歷史最大壓力沒有超過設(shè)計(jì)壓力

（3） 由圖3可知，末站進(jìn)站ESD閥意外關(guān)斷30 s后，末站進(jìn)站壓力瞬間上升到0.91 MPa，并在事故發(fā)生后約0.75 min（45 s）時(shí)，末站進(jìn)站壓力升至1.2 MPa，此時(shí)超前保護(hù)程序啟動(dòng)，停泵并且關(guān)閉首站出站閥門；在事故發(fā)生后8.3 min（498 s），泵出口壓力降到0.24 MPa，與泵入口壓力相同；首站出站壓力與泵出口壓力同時(shí)下降，但在事故發(fā)生后1 min（60 s）時(shí)，由于泵后水錘的作用壓力突然上升至2.61 MPa，之后才開始下降。

（4） 在事故發(fā)生后約1 min（60 s），末站進(jìn)站壓力達(dá)到1.4 MPa，此時(shí)泄壓閥開啟，開始泄壓，在事故發(fā)生后4.3 min（258 s），末站進(jìn)站壓力首次低于1.4 MPa，此時(shí)，泄壓閥關(guān)閉，停止泄放。由于泄壓閥關(guān)閉而引起的水力波動(dòng)，使得首站出站壓力與末站進(jìn)站壓力成反比例變化，并由2.3-2可知，經(jīng)過一段時(shí)間波動(dòng)，首站出站壓力和末站進(jìn)站壓力開始緩慢下降。

（5） 由圖4可知，末站進(jìn)站ESD閥意外關(guān)斷30 s后，末站進(jìn)站流量瞬間下降為0；首站出站流量在停泵后由于水錘的作用立刻下降負(fù)值，之后上升為0，并穩(wěn)定。

（6） 由圖6可知，泄壓閥流量從事故發(fā)生后1 min（60 s）開始上升，到事故發(fā)生1.85 min（111 s）升至最大值173.6 m3/h，在事故發(fā)生后4.3 min（258 s），泄壓閥關(guān)閉，流量降為 0。經(jīng)計(jì)算，泄壓時(shí)間為198 s，泄放總體積約為4.7 m3。

綜上所述，可知：

設(shè)定泄壓閥泄放壓力為 1.4 MPa，并設(shè)置超前保護(hù)的工況下，會(huì)造成停輸，而且管道沿線歷史最大壓力不會(huì)超過設(shè)計(jì)壓力，可以滿足安全運(yùn)行要求。

3 結(jié)束語

泵機(jī)組的非正常停運(yùn)，閥門突然開啟和關(guān)閉、開大和開小，物性不同的油品分界面經(jīng)過泵、管道泄壓后重新充液排氣時(shí)，都會(huì)造成水擊，導(dǎo)致管道的不穩(wěn)定流動(dòng)過程。水擊波的傳播速度非常快，因而，水擊事故很難預(yù)警，也不能用人工操作方法處理事故，最有效的防護(hù)手段是依靠管道的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。

王家溝末站進(jìn)站ESD閥意外關(guān)斷，分別就無水擊保護(hù)措施、增設(shè)泄壓保護(hù)措施、增設(shè)超前保護(hù)措施等三種情況進(jìn)行分析計(jì)算，最終選定保護(hù)方案：在王家溝末站進(jìn)站ESD閥前增設(shè)泄壓閥，泄放壓力為1.4MPa，同時(shí)增設(shè)超前保護(hù)措施，程序?yàn)樵O(shè)置當(dāng)末站入口壓力為0.8MPa時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，在末站入口壓力為1.2MPa時(shí)實(shí)現(xiàn)停泵并同時(shí)關(guān)閉首站出站閥門。

［1］張國權(quán)，劉凱.成品油管道的水擊及其防護(hù)措施[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(12)：61-63.

［2］趙竟奇.管道產(chǎn)生水擊的原因分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1999，18(5)：35-41.

［3］鐘仕榮，王建華，卞保武，等.甬滬寧原油管道水擊分析與超前保護(hù)[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，2005，32(6)：48-50.

［4］甄潔，張茂林，尚增輝, 等.三塘湖輸油管道大落差地區(qū)的水擊保護(hù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013，32(1)：101-104.

［5］王立憲，陳常洲.停泵水錘的防護(hù)措施[J].化工給排水設(shè)計(jì)，1995(4).

Transient Analysis on Failures of Hua-wang Products Pipeline in Xinjiang

ZHANG Ning，F(xiàn)ENG Yu-hua，DENG Jing，QIU Zong-jun

（Xinjiang Petroleum Investigation Design and Research Institute( Co.,Ltd.),Xinjiang Urumchi 830000，China）

Taking a oil product pipeline from Urumqi petrochemical company to Wangjiagou as an example，a physical model of the piping system was established by SPS software (Stoner Pipeline Simulator).Water hammer of the pipeline occurred in working condition was dynamically simulated, and protection procedures of water hammer were optimized combined with the transient flow theory. The study shows: the pressure relief protection of end station and advanced protection of water hammer should be applied into the pipeline. Steady pressure does not exceed the design pressure of the pipeline, and the transient process of the whole pipeline is steady and rapid, and there is no negative point.

SPS; Product oil pipeline; Water hammer protection; Technology analysis

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0629-03

2014-10-21

張寧（1988-），男，新疆烏魯木齊人，助理工程師，碩士，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，研究方向：從事油氣長輸管道設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：329627023@qq.com。