大落差成品油管道停输期间压力波动分析

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(中国石油天然气股份有限公司管道公司西安输油气分公司　陕西　西安　710000)

0　引　言

兰郑长成品油管道庆阳支线起始于甘肃省庆阳市西峰区董志镇，全长216.3 km，接收位于庆阳市董志镇庆阳石化炼厂的油品，经计量后进罐分储，并重新组织批次输送至陕西省咸阳市的咸阳油库。管道设计压力为9.0 MPa，设计输量为1.8×106t/a，油管外径323.9 mm，支线具有途经地形地貌多变、落差大、管径较细及甘陕地区温度变化不同步等特点。庆阳支线在近几年的输油运行中，在停输静态工况下，出现压力波动，因此研究水击产生的原因，避免此类情况的发生尤为必要。

1　压力变化的条件及基础数据

1.1　庆阳支线地形地貌

兰郑长庆阳支线管道沿线地势复杂，高程落差较大，最高点海拔达到1 394 m，而最低点咸阳站海拔500 m，并且管道沿线沟壑纵横，经过猴子沟、大户王沟、二沟圈、三不同沟、烂泥沟、和盛东沟、四驱沟和无日天沟，沟上沿至沟底最大垂直高差在100 m左右，同时管线穿越马莲河、四郎河、红岩河、泾河、太峪河五次河流穿越，复杂的地形和管道走向使得运行压力控制非常困难。

1.2　庆阳支线压力分布

由于特殊的地形和管道分布，庆阳支线管线压力情况也较为复杂，在同种油品相同工况(柴油，管道外径323.9 mm，油品流速233 m3/h)下管道中各点的压力分布情况如图1所示，在管道的最高点处存在一个低压点，在此工况下，出站压力为3.8 MPa时，高点压力为0.6 MPa，因此停输期间确保管道最高点压力大于油品饱和蒸气压非常必要。

b)压力分布图

1.3　庆阳支线压力波动

庆阳支线2010年10月9日投产运行以来，在运行监测中逐渐出现压力跳变这个问题，管道停输状态下，在某个时间出站压力会出现跳变，随之趋于平稳，如图2所示。图2即为2016年12月11日22:30分停输之后，在12月12日14:55分，庆阳支线最高点之前的5#RTU阀室变化情况。

图2　庆阳支线5#阀室压力变化

2　原因分析

2.1　压力波动概述

当管线处于停输状态下，高点压力较小，此时仍然大于油品的饱和蒸气压，随着停输时间的延续，管线内油品温度逐渐降低，压力亦随着温度逐渐降低，当管线内高点液体压力小于油品的饱和蒸气压时，油品瞬间会发生气化。由于气体较液体更容易压缩，管线内的液体随着气体压缩发生瞬间流动产生水击，在水击波传递过程中发生叠加，从而使原本微小的一次水击变化显得比较明显。

2.2　理论依据

理想正压流体在有势能的流体力作用下作定常运动时，运动方程(即欧拉方程)沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家D.伯努利于1738年提出而得名。对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为[1]：

p+ρ×g×h+(1/2)×ρ×v2=C

式中，p为流体的压强，Pa；ρ为密度，kg/m3；v为速度，m/s；h为铅垂高度，m；g为重力加速度，m/s2；C为常数。

伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能量守恒。庆阳支线在停输状态下，流体在发生水击之前，油品处于静止状态，在管线内任意一点处没有能量进入或离开。因此，管线内任意一点的总能量等于管线处其他点的总能量。静止管线的唯一能量是由于压强(静压压头)和高程(高程压头)引起的潜在能量。静止管线内静压压头和高程压头的和称为总压头。只要管线内的液体密度不变，总压头保持不变。高程越低，静压压头越大，压力越高。高程越高，压力越低。

庆阳支线在停输过程中，流体最终趋于静止状态。随着时间的推移，管道外部温度场逐渐降低，管线内油品温度与外部发生热交换，油品温度逐渐降低，压力亦随着温度的降低而降低。当压力低于油品的饱和蒸气压时，油品发生气化，气体被周围油品在压强的作用下瞬间压缩，油品在压缩的过程中产生流动，管线内油品随之产生压力波动。

2.3　定量计算

表1为兰郑长成品油管道庆阳支线5#阀室及高点的海拔高度及里程数据。

表1　海拔高度及里程数

2.3.1停输时高点压力计算

根据2.2中所列的伯努利方程，将表1中兰郑长庆阳支线5#阀室、高点的里程、高程、压力参数代入伯努利方程计算停输时高点压力p高=70 kPa。

2.3.2发生压力波动瞬间高点压力

根据2.2中所列的伯努利方程，将表1中兰郑长庆阳支线5#阀室、高点的里程、高程、压力参数代入伯努利方程计算压力波动瞬间时高点压力p高=5 kPa。

2.4　结果分析

油品在停输过程中，管道内油品压力波随着时间的延长而逐渐消减，压力也慢慢降低。当压力高于油品的饱和蒸气压时，油品不会发生气化，当压力低于油品的饱和蒸气压时，油品发生气化。柴油饱和蒸气压通过实验得出，见表2。

表2　柴油饱和蒸气压

通过上述计算，停输瞬间高点压力为70 kPa，高于柴油的饱和蒸气压，油品不会发生气化。压力波动瞬间，通过计算高点压力为5 kPa，低于柴油饱和蒸气压，油品发生了气化。此时，管线内高点附近液体处于气、液两相状态，由于气体较之液体更易被压缩，高点周围液体向高点气化空间流动，随之产生了压力波动。

3　结论与建议

1)为保证停输后不发生油品气化而产生压力波动，最高点处的压力不能低于油品的饱和蒸汽压，否则可能发生高点油品气化，发生液柱分离现象。

2)借鉴兰成渝输油管道做法，在高点安装压变、温变，并将其引入SCADA系统，随时监控高点参数。

[1] 罗惕乾.流体力学[M].北京：机械工业出版社，2007，01(4)：1-7.