靖惠輸油管道密閉輸送的水擊分析及保護

陳佳羽，田愛紅，王立濤，王端瑞，趙 馨

（中國石油長慶油田分公司第三輸油處，寧夏銀川 750006）

原油管道“密閉輸送”工藝輸送成本低，油氣損耗小，便于實現全線的統一管理和控制，是當前輸油系統建設的趨勢。但也正是由于它的密閉性和連續性，一旦發生如閥門誤關斷、輸油泵停運、管線泄漏等事故，管道內部將產生嚴重的水擊現象。因此，“密閉輸送”工藝的實現要求場站具備高度自動化的控制系統和完善的水擊保護措施。

長慶油田第三輸油處靖惠輸油管道三座主要的輸油站運行十余年，均采用“旁接油罐”形式進行原油輸送。為實現降本增效，推進輸油工作高質量發展，現已制定“密閉輸送”改造方案，但此方案僅提出了工藝流程倒改的方法，在“密閉輸送”改造投用前，還應根據實際情況，對管道水擊事故工況進行模擬分析，論證極端工況下水擊事故的危害程度，針對水擊保護系統和自動控制調節系統的投用現狀提出建議，做出改進，最大程度上避免水擊事故的發生，使新工藝得以安全穩定運行[1]。

1 密閉輸送水擊分析

1.1 管道概況

靖惠輸油管道2003 年9 月投產，始于陜西省靖邊縣周河鄉，止于寧夏鹽池縣惠安堡鎮。由一條輸油主干線和兩條插輸支線組成，主干線全長216.65 km，設計輸油量250×104t/a，規格φ377×6 mm，設計壓力6.4 MPa。全線共設截斷閥室12 座；輸油站五座。

1.2 全越站密閉輸送水擊風險

（1）在全越站流程運行下，中間站接收首站來油直接外輸，不加壓、不加熱、不計量，將導致部分管段的管道泄漏檢測系統失效，一旦發生泄漏事故，無法對其及時進行泄漏點的定位、控制措施的實施。建議在密閉輸送方案正式投用前，對失效管段裝設數據檢測裝置，恢復泄漏檢測和定位的功能。

（2）全越站運行時，中間站進站調壓閥是全開的，因中間站進站無法調壓，前半段管線翻越點后原油流動很容易在管道內產生不滿流的現象，使得翻越點后管段長期遭受輕度水擊振蕩的破壞，造成管道的老化和腐蝕，成為一個不可忽視的安全隱患。建議對全越站流程進行系統的水力計算、熱力計算，從而確定安全運行工藝參數的控制范圍，并嚴格執行，將水擊造成的負面影響降到最低。

（3）當首站來油與儲罐來油混輸時，由于儲罐來油已經加壓加熱，與首站來油壓力、排量不一致，容易導致管線超壓、高低壓泄放閥誤動作的危險。控制措施：盡量保證首站出站排量穩定，中間站出站最好不要與儲罐來油混輸，避免水擊波的產生[2]。

1.3 水擊事故工況仿真模擬分析

本節內容利用管網仿真軟件，對靖惠輸油管道全越站輸送時中間站進站閥門因信號錯誤或故障而突然關閉的異常事故工況進行模擬，以全越站首站-中間站管段為研究對象，預測在最大輸量的極端工況下，管道水擊事故發生的嚴重程度，校核該段管道對于水擊的承受能力，為靖惠輸油管道密閉輸送水擊保護措施的改進提供依據。

1.3.1 穩態模型建立 根據模擬結果在輸量403 m3/h，出站壓力3.65 MPa 下，沿線壓力在高程最低點“溝底”（43 km，1 370 m），達到5.15 MPa 的高壓，處于管線安全壓力范圍內；壓力最低點在中間站進站處，1.79 MPa。全線正常運行，流量波動穩定。模型基本符合實際情況。

1.3.2 關閥水擊事故工況動態仿真模擬

1.3.2.1 中間站進站閥突然關閉，首站停泵事故工況由模擬結果可知，整個水擊過程持續時間約16 min，由中間站關閥至首站水擊增壓波傳播時間約為110 s，傳播速度約為1.03 km/s。各點壓力變化均呈水擊規律上下波動。沿線最大壓力點（溝底）的變化較為平緩，最大壓力5.15 MPa，可觀察到所有節點壓力變化均在管道安全壓力范圍內，無超壓狀況出現。

1.3.2.2 中間站進站閥突然關閉，首站不停泵事故工況由模擬結果可知，整個水擊過程持續時間約26 min，因首站外輸泵加壓，與中間站關閥傳來的增壓波相對，起到抑制增壓波的傳播作用，故而增壓波傳播時間與停泵工況模型相比長一些，約為230 s，傳播速度約為0.49 km/s。沿線最大壓力點（溝底）的壓力隨水擊振蕩和首站出站的加壓不斷上升，最大壓力6.8 MPa，超出設計壓力，有破管危險。

1.3.3 動態仿真模擬結論 模擬結果充分表明，在60 s關閥且正常停泵的事故工況下，發生的水擊現象對管道影響不大，未出現超壓現象；而在60 s 關閥不停泵的事故工況下，發現由于低點原因，“溝底”、1#閥室、2#閥室出現超壓現象，有管線破裂危險。由此可見，當發生異常關閥水擊事故時，必須立刻停泵，同時由于水擊對管道流量流速變化的敏感性，對于管道重要閥門的關閥時間，要盡可能設置的長一點。所以說，當水擊發生時，對于水擊的控制和保護一定要及時，高度自動化的控制系統和完善的水擊保護措施非常重要。

2 水擊保護措施及建議

2.1 水擊超前保護

水擊超前保護的機理是利用中央控制系統提前設定好的程序，對管道工藝參數進行分析，檢測到水擊現象的發生，在水擊波到來之前，對其予以遏制。根據上文的水擊模擬結果，水擊波在靖惠輸油管道中的傳播速度大致在1 km/s，三座輸油站間距均在113 km 左右，這意味著在該管道上實現水擊超前保護要在110 s 內完成。根據水擊發生的原因，建議靖惠輸油管道水擊超前保護指令應在以下條件下觸發：（1）各站進出站閥門故障關閉開度持續減小；（2）干線閥室截斷閥前后壓差超過規定范圍；（3）各站進出站壓力達到或超過管道設計的安全壓力；（4）首站外輸泵動力中斷突然停運。

2.2 壓力安全聯鎖保護

靖惠輸油管道SCADA 系統里設定了全線水擊聯鎖及泄放保護、站內輸油泵啟停、儲罐高低液位故障等聯鎖內容，并出臺了聯鎖管理制度。目前聯鎖報警和控制措施觸發正常，能一定程度上對站內設備、管段水擊現象的發生做出保護。但水擊保護方案未設置截斷閥關閉工況的聯鎖保護，需要進一步完善。

2.3 全線緊急停車系統（ESD 系統）

全線緊急停車系統（ESD 系統）一般裝設于各場站的控制系統之中，能夠對現場各類設備、ESD 閥門的運行狀態進行直接干預。在發生場站火災、管線破裂、原油泄漏、劇烈水擊等危急情況時，ESD 系統啟動，控制全線緊急停車，達到安全保護的目的。ESD 系統是水擊保護的最后一道防線，當超前保護、泄壓保護均無法對水擊產生有效的抑制時，ESD 系統會對全線執行緊急停車的操作[3，4]。對于密閉輸送管道，ESD 的裝設很有必要。

3 結語

實際工作中，應該對水擊的發生時刻保持警惕，生產運行中必須控制排量壓力處在規定范圍，設備啟停時要嚴格按操作規程執行，將水擊發生的源頭徹底切斷，再結合技術性的保護措施，達到萬無一失的平穩，實現管道高質量安全輸送。