基于SPS的成品油管道水击超前保护工艺分析

杜明俊，商 峰，熊新强，谭红梅，公茂柱

（中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司， 河北 任丘 062552）

“水击”是密闭输油管道运行过程中不可避免的现象。实验研究表明，管道发生水力瞬变所引起的压力升降具有较高的频率，且该压力变化幅值可达到正常管压的几倍、几十倍甚至上百倍[1]。管内压力的大幅波动易引起管道强振，造成局部管段液柱分离、泵汽蚀等破坏，有时甚至引发爆管泄漏等重大事故[2]。因此，对于管道工程设计来说，模拟水击工况，制定合理有效的保护措施具有重要的实际意义。

所谓水击超前保护是指控制中心在接收到可能引起破坏性水力瞬变时，控制系统自行启动相应于不同水击源而预先设定的优化控制程序[3]。其控制原理是，当管道发生水击时，控制系统迅速向上、下游站场发出指令（顺序停泵或关闭阀门等），使上、下游分别产生一个与水击压力波反向的扰动波，从而削弱流体压力脉动对管道的破坏。

笔者基于SPS软件，结合瞬变流动理论，在分析以往水击超前保护措施的基础上，优化控制方案，动态模拟了不同水力瞬变工况下，管道系统实施水击超前保护措施的全过程。设计思想可为工程实际应用提供一定的理论指导。

1 管道概况

某成品油管道全线长 240 km，设计压力 8.0 MPa，沿线设首站、中间注入泵站和末站3座站场，6座RTU阀室。首站至中间注入站，管径D457×7.1 mm，中间注入站至末站，管径D508×7.1 mm。采用SPS软件建立管道物理模型和逻辑控制关系，并进行水击工况模拟及分析计算。

2 控制方程

当发生水击时，水击超前保护控制程序可以合理的调整管道压力、流量的变化。其控制变量为：泵的启停数量，阀门的开、关及开度设定值，变频泵的频率调节等[4-6]。这些变量相互制约，每一项的改变都将影响管道的流量和各站的进、出站压力。结合实际管道的控制方法，这里选择压力调节作为控制变量。控制方程如下：

式中：Pci—各站出站压力，MPa；

Pcig—管道最大允许出站压力，MPa；

PJi—管道进站压力，MPa；

PJig—管道最小允许进站压力，MPa；

PGij—管道各点运行压力，MPa；

PVig—流体气化压力，Mpa；

PViz—管道的最大允许承压，MPa；

Cp—停泵调节特性；

Cg—变频泵调节特性；

CV—阀门调节特性。

3 水击过程分析

水击过程分析主要模拟以下工况：

(1)泵站停电事故工况；

(2)各站场进、出站阀门事故关断工况；

(3)线路监控阀室截断阀事故关断工况。

瞬态计算（水击）是在稳态计算基础上，对管道正常运行情况下可能发生的各种事故工况进行模拟分析。这里以某一工况（首站900 m3/h，注入站200 m3/h）下输送柴油（输送柴油时的压力和流量变化幅度大于输送汽油时的工况）为例，进行稳态计算及瞬态分析。稳态输送过程的水力坡降见图1。

图1 稳态运行的水力坡降图Fig.1 The hydraulic gradient map of steady-state operation

3.1 中间注入泵站事故停电

1）无水击保护措施

中间注入泵站停电事故，导致泵机组停运。管线不同时刻的流量及压头变化见图2-3。

图2 中间站停电事故1 min后的水力坡降图Fig.2 After one min the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

图3 中间站停电事故30 min后的水力坡降图Fig.3 After thirty minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

研究表明：中间注入站事故停电,泵机组停运，首站出站压力逐步升高。10.5 min后，出站压力开始超过管道最大允许压头。30 min后，首站最大水击压头达1 140 m，远超过管道设计压力，故需采取水击超前保护措施。

2）水击保护控制过程（图4-5）

（1）中间泵站停电，泵机组发出停运信号；

（2）接收泵机组停运信号30 s后，打开中间站越站阀门；

图4 采取水击保护1.5 min后的水力坡降图Fig.4 After one point five minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

（3）中间站越站阀门开启30 s后，将首站出站压力调至6.2 MPa，确保管道沿线以700 m3/h的输量运行；

（4）程序满足条件自动触发，在执行过程中遇到问题立即报警。

图5 采取水击保护8 min后的水力坡降图Fig.5 After eight minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

中间泵站停电事故，采取水击保护措施后，全线无超压工况，且水力瞬变过渡过程平稳快速，8 min后管道全线将以700 m3/h的稳定输量运行。

3.2 中间注入泵站出站阀门事故关断

1）无水击保护措施

中间注入泵站出站阀门事故关断，导致沿线断流。管道不同时刻的流量及压头变化见图6-7。

图6 中间站停电事故4 min后的水力坡降Fig.6 After four minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

图7 中间站停电事故18 min后的水力坡降Fig.7 After eighteen minutes the hydraulic gradient map of intermediate station Power outage

研究表明：中间注入泵站出站阀门事故关断，产生增压波向上游传递，减压波向下游传递。若不采取水击保护措施，首站至中间注入站管道压力远超过管道最大允许压头，且末站附近高点（234.9 km）处出现负压工况，引起高点气体逸出，故需采取水击超前保护措施。

2）水击保护控制过程（图8-9）

（1）出站阀门事故关断，系统发出关阀信号；

（2）接收阀门关闭信号30 s后，打开中间越站阀门，同时停运中间注入站所有泵机组；

（3）第二步执行30 s后，调整首站出站压力为6.73 MPa，末站进站压力为1.0 MPa，保证管道沿线以700 m3/h的输量运行。

（4）程序满足条件自动触发，在执行过程中遇到问题立即报警。

图8 采取水击保护1.5 min后的水力坡降图Fig.8 After one point five minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

图9 采取水击保护12 min后的水力坡降图Fig.9 After twelve minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

研究表明：中间站出站阀门误关断，采取水击保护措施后，全线无超压工况，且水力瞬变过渡过程平稳快速，12 min后管道全线将以700 m3/h的稳定输量运行。

3.3 4#监控阀室线路截断阀事故关断

1）无水击保护措施

4#监控阀室线路截断阀事故关断，不同时刻的管道流量及压头变化见图10-11。

研究表明：4 #监控阀室阀门事故关断，产生增压波向上游传递，产生减压波向下游传递，阀门开始关闭4 min后首站至4#监控阀室段管道超压，随着时间的延长，进站高点处出现负压，故需采取水击超前保护措施。

图10 4#截断阀事故关断5 min后的水力坡降Fig.10 After five minutes hydraulic gradient map of 4#cut-off valve turn off

图11 4#截断阀事故关断14 min后的水力坡降Fig.11 The hydraulic gradient map fourteen minutes after turning off 4# cut-off valve

2）水击保护控制过程（图12-13）

（1）4#监控阀室阀门阀门事故关断，系统发出关阀信号；

（2）接收阀门关闭信号30 s后，停运首站所有输油泵；

（3）在第二步执行后30 s后，调整中间站出站压力为2.4 MPa，末站压力为1.0 MPa；保证中间站至末站管道以500 m3/h的输量运行。

（4）程序满足条件自动触发，在执行过程中遇到问题立即报警。

研究表明：4#监控阀室截断阀门误关断，采取水击保护措施后，全线无超压和负压工况，且水力瞬变过渡过程平稳快速，16 min后中间站至末站管线将以500 m3/h的稳定输量运行。

图12 采取水击保护4 min后的水力坡降图Fig.12 After four minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

图13 采取水击保护16 min后的水力坡降图Fig.13 After sixteen minutes hydraulic gradient map of taken the water hammer protection

4 结论及建议

通过对成品油管道水击超前保护系统的应用研究，并综合以往的设计方案，建立了水击优化控制基本模型。结合实例，采用SPS软件建立管道系统物理模型和逻辑控制关系，动态分析了不同水力瞬变工况下，水击超前保护系统的实用性能。计算结果表明：该方法达到了满意的设计效果，设计思想可为工程实际应用提供一定的理论指导。

［1］李树慧.水击方程的完善与计算方法[D]. 郑州:郑州大学硕士学位论文，2006-05.

［2］熊辉.原油管道仿真系统的开发[D].东营：中国石油（华东）大学硕士学位论文，2010-05.

［3］袁运栋.输油管线水击超前保护与 ESD系统的应用研究[D]. 西安:西安石油大学硕士学位论文，2011-11.

［4］宫 敬，严大凡，张维东.长输管道水击控制的数学模型.[J]管道技术与设计，1994，2（2）:3-7.

［5］韩春宇，黄 春，陈飞,等.东临复线水击保护实例分析.[J]油气储运，2008,27（2）:53-55.

［6］钟仕荣.勇沪宁原油管道水击分析与超前保护[J].化工自动化及仪表,2005,32（6）:48 -50.