水击超前保护在日照-仪征原油管线上的应用

孙敬礼(中石化管道储运有限公司运销处， 江苏 徐州 221008)

水击超前保护在日照-仪征原油管线上的应用

孙敬礼(中石化管道储运有限公司运销处， 江苏 徐州 221008)

在密闭输油管线上，由于某种原因导致管线中原油流速急剧下降，管线压力出现大幅的变化，形成水击，严重威胁管道安全。要确保原油管线的安全运行，输油管线上必须要投用可靠的保护系统。

水击；水击超前保护；水击超前保护应用

日照-仪征原油管线(以下简称日仪线)始于山东省日照市止于江苏省仪征市，输油管道全长378公里，管道内径914毫米，设计输油压力8.5兆帕，管线初始设计日输量3.6万吨/天[1]。2011年10月日仪线顺利投产，有效解决了南京和沿江地区各石化企业原油缺口和接卸运输难、供应不稳定的问题。作为沿江炼厂的生命线，2015年日仪线为沿江石化企业输送原油超设计输量20%。在日仪线输油作业中，任何引起压力管线中流速的变化，都会对压力管线造成水击。而流速的突然大幅下降引起的水击对压力管道造成的危险性极大，极有可能造成输油管线的损坏。水击超前保护的应用，不仅能够可靠有效的避免水击对输油管线造成的危害，而且能够避免因水击造成设备故障或非计划停输给沿江炼厂带来原油断供风险。

1 水击及其危害

水击实际上是一种能量的转化过程，即在液体减速的情况下由动能转化成压能[2]，在液体加速的情况下由压能转变为动能。在压力管道中，由于某种原因导致管线内原油流速变化，引起的压力波在管线内迅速传递，同时可以听到管线内有冲击管壁的声音，这样现象就叫水击。

水击形成的原因有很多种，如泵站突然停泵，干线阀门突然关闭或开关过快，输油泵站突然停电等[2]。当中间泵站由于某种原因全面停电时，该站的输油泵突然停运，但上站仍以常量给该站输油，此时该站的进站管线由于原油流速突然下降造成原油堆积将承受很大的压力；而下站由于该站突然停泵，但由于惯性原因，原油仍以一定的速度向下站流动，在流动过程中由于原油输量的减少，在某段管线中会形成真空，少量的液体会因此蒸发，液体蒸发集聚形成气泡，当气泡相互碰撞破裂时，就形成高压。

水击严重时会使输油管道出现爆裂事故。如前苏联奥木斯克-索库尔轻油输油管线，有一中间输油站因电源故障，突然全部停泵，引起停电站至下站管线原油流速急剧下降，而上站按常量正常供油，停电站至上站管线承受压力过高导致管线爆裂。在压力管线中，尤其是“从泵到泵”的压力管线中，在设计时要考虑这一点，如不考虑这一点，将发生严重的后果，常导致原油管线爆裂事故。

2 水击超前保护

水击超前保护是指在压力管线中发生水击后，在压力波没有到达上下站之前，上下站采取相应的措施，发出一个与迎面而来的压力波相反的压力波，以此来相互抵消[2]。水击超前保护与泵站和管道连锁保护有本质的区别，泵站和管道联锁保护是在压力波到达泵站后，达到该站保护值时，连锁保护才作出相应的反应，如：输油站进出站管线高低压泄压阀、进出站管线压力调节阀等。水击超前保护是否能够实现取决于以下几个因素：

2.1站间距和水击压力波的传播速度[2]

在日仪线上5座输油站，站间距在70-90公里，水击压力波在原油管线内传输速度大约是1km/s，这就意味着在日仪线上实现水击超前保护要在70-90秒内完成。

2.2 要有高水平自动化系统和完善可靠的数据传输系统[2]

日仪线于2011年10月投产，此管线自动化程度高，SCADA系统采用上海福克斯波罗PLC系统，数据传输准确可靠。

2.3 要有可靠准确的工况分析软件和控制软件

在“从泵到泵”密闭输油管线中，输油工况变化大且复杂，水击产生的原因很多。在发生水击时，压力波能够通过SCADA系统迅速传递至工况分析软件和控制软件，并按照之前模拟分析的结果编制的程序，全线各输油站实施水击超前保护[3]。

3 水击超前保护的应用

日仪线采用上海福克斯波罗SCADA控制系统，通过调度控制中心进行监控[1]。沿线各站均采用PLC来完成对本站数据的采集、传输和控制，各站PLC及远控阀室RTU完好[3]，通讯畅通，相关压力、阀门、泵的状态显示准确，能够真实反映出水击源。当输油管道发生水击时，日仪线SCADA系统根据沿线各站工艺参数，分析判断出水击源，同时调控中心水击保护软件向沿线所有泵站发出水击控制信号，防止管线出现超压和真空情况，确保管道和设备的安全。

3.1 日仪线原油输送现状

日仪线有5座泵站，其中日照油库和淮安站分别有4台美国福斯泵，东海站和观音站是压力越站流程，以下是日仪线工况运行情况：

日照 淮安 输量m3仪征进站MPa两大一小 两大 3500 5.4 3.6 1.4 5.2 2.9 0.1两大 一大一小 3000 4.7 3.0 1.1 4.0 2.1 0.1一大一小 一大 2700 3.8 3.8 1.3 3.4 2 0.1一大 一小 2200 3.1 2.1 1.2 2.3 1.3 0.1一大 全越站 1800 3.2 2.6 1.9 1.8 1.1 0.1日照出站MPa东海进站MPa淮安进站MPa淮安出站MPa观音进站MPa

3.2 控制软件基本要求

如前所述，日仪线基本具备了水击超前保护的三大条件，而水击超前保护的实现所依赖的控制软件，也需要具备以下基本要求：

(1)输油泵非正常全部停运的逻辑判断条件：最后一台运行泵停止运行，且有仪表联锁停泵报警信号或压力开关动作信号。

(2)水击超前保护停泵应执行单泵急停程序，程序执行时不受该泵(就地/远控)状态、泵(进/出)口阀(就地/远控)状态、泵(进/出)口阀非全开状态的限制。

(3)由调控中心下发的水击超前保护指令，应确保每个站场无论处于站控或是中控状态，都应执行，站控PLC执行中控下发的水击命令后应自动复位。

(4)各站的水击源均设置可投用/摘除的软开关。

(5)水击超前保护的相关设定值可在SCADA中控系统界面上修改。

在日仪线具体了以上所述的所有条件后，水击超前保护便可实现。

3.3 水击超前保护的实施

根据目前日仪线实际工况及工艺调度控制情况，水击超前保护暂设置两种水击工况，即：干线阀门误动作和日照油库非正常全部停运。

(1)干线阀门误关闭。在日仪线正常输油过程中，出现以下任一种情况，都会造成水击，水击超前保护程序都将进行动作：

①各站进出站阀门，即：日照油库1111阀，东海站2101阀、2111阀，淮安站3101阀、3111阀，观音站4101阀、4111阀，仪征站5101阀等阀门关至小于90%,且5s后开度继续减小。

②日仪线上任一座远控截断阀室的阀门前后压差大于0.2MPa。

③东海站进站压力持续2s大于6.0MPa、淮安站进站压力持续2s大于6.0MPa、观音站进站压力持续2s大于6.0MPa、仪征站进站压力持续2s大于1.2MPa。

上述情况触发水击时，水击超前保护程序的控制策略为：各站运行输油泵同时紧急停运，日照商储库给油泵通过给油泵与输油泵间的停泵联锁功能全部停运。

(2)日照油库输油泵非正常全部停运。当日照油库输油泵由于某种原因，如突然停电，造成非正常全部停运时，水击超前保护程序触发，此时淮安站运行输油泵同时紧急停运，同时日照商储库给油泵通过给油泵与输油泵间的停泵联锁功能全部停运。

4 结语

水击超前保护是原油管线上诸多保护之一，同时也是唯一一种基于全管段SCADA数据做出全线保护的系统。它与泵站及管线连锁保护本质区别在于水击超前保护是管线压力或阀门达到某设定值时做出全线停泵指令，因此水击超前保护能够更全面地、更迅速的消除水击，避免管道受到危害，保障输油管线安全平稳运行。

水击超前保护在日仪线上的投用，可大大提高日仪管线的安全性和可靠性。在水击超前保护应用期间，日仪线未发生因水击造成非计划停输事故，有效保障了沿江各炼厂原油的供应。日仪线二期工程也即将完工，届时日仪线运行工况及输量将达到一个新的高度，水击超前保护的作用也将日益凸显。

[1]运销处.日照-仪征原油操作手册[M].

[2]黄春芳.石油管道输送技术.中国石化出版社∶2008.

[3]运销处.日仪线水击超前保护逻辑[M].

孙敬礼，男，本科工程师。