水击超前保护系统在安亳成品油管道的应用

黄大可

（国家石油天然气管网集团有限公司华中分公司，安徽 合肥 231200）

1 概述

近年来，安徽省国民经济保持较快增长，成品油消费水平不断提升。安徽省境内只有安庆石化一个石化企业，成品油要覆盖到全省，通过铁路运输方式不仅运输距离过长，导致了物流费用的大幅增加，而且还存在空车返回率高、装卸运送过程中油品跑冒滴漏损失较大、送达时间较长等缺点，对于规模运输成品油来说，不符合可持续发展的要求。水路运输也存在受河流走向限制、运量低、气候汛期等自然因素影响，损耗大、环境污染严重。相对而言，成品油管道输送运费低廉、油品损耗少，便于实现自动控制管理。

国家石油天然气管网集团有限公司华中分公司安亳管道，是安庆石化800 万t/a 炼化一体化配套成品油管道工程，包括三条输油管线（即主线安庆-阜阳、支线淮南-蚌埠、支线合肥-六安输油管线）和六座输油站。安庆-阜阳输油管线起点自中石化安庆油库的安庆站，止于阜阳油库的阜阳末站，沿途设合肥分输泵站、淮南分输泵站；淮南-蚌埠输油管线起点自中石化淮南油库的淮南分输泵站，止于中石化油库的蚌埠末站，管线于2016 年投入运行；合肥-六安输油管线起于合肥分输泵站，止于中石化六安油库的六安末站，管线于2019 年投入运行。安庆-合肥管道管径为Φ406.4 mm，合肥-淮南管道管径为Φ323.9 mm，淮南-蚌埠管道管径为Φ273.1 mm，淮南-阜阳管道管径为Φ273.1 mm，合肥-六安管道管径为Φ273.1 mm。管道设计压力9.5 MPa，管道设计输油量为410 万t/a。全线采用密闭工艺顺序输送92# 汽油、95# 汽油、0#柴油3 个品种。管道外防腐采用熔结环氧粉末，穿越管段采用加强级防腐。阴极保护采用强制电流。通信光缆采用同沟并行敷设。管道沿途经过的大部分地区地势平坦，高程在20 m～120 m 范围内缓慢变化，无大落差的水力翻越点。管道已整体通过管道内检测。

2 水击

水击也称为水锤，是在有压管道中，液体流速发生急剧变化所引起的压强大幅度波动的现象。在这种系统中，管道、液体都有本身的弹性模量，导致水击波在管道系统内传播，其传播速度如式（1）所示[1]：

式中：Ew为液体的体积弹性模量；ρ 为液体密度；r 为管道内径；K 为管道的抗力系数，与弹性模量有关。

从定义可知，产生水击一般都是在管道系统之中部分节点（水击源）快速变化，如快速开关主线阀门、输油泵突然停泵、管道撕裂等，以此变化节点为参照，水击发生后，在上游管道形成很高的正压，有可能超过管道强度，造成破裂、泄漏等重大安全事故，在下游管道形成负压，造成液体被拉空，管道内产生气泡。对于密闭管道水力系统，刘水辉通过EXCEL VBA 编制程序进行水击分析，仅在8.45 km 的管道上，水击时管道内压力可达到正常静压力的13 倍～16 倍。而成品油管道输送距离更长，水击时压力变化更大。

成品油管道以经济效益为目标，需要不断提高输油量、就要在节能的范围内尽量提高管道内流速；其次，成品油采用顺序批次输送，提高流速能有效防止返混带来的混油量增加。而从水击的成因方面讲，只要是管道内流体流速快速变化，都有可能产生水击。这造就了成品油密闭输送管道的一对天生“矛盾”：要不产生水击，就要以极其缓慢的流速运行，要维持管道经济运行，却要尽量提高流速。所以，设计规范要求输油站的安全保护应根据管道全线及输油站的工艺过程，出现水击工况，应设置不出站压力控制回路联锁功能及输油泵机组顺序停运联锁功能。

水击产生的因数有很多，基本上可以分为两类：一是按照计划进行调整工艺状况引起水击，如启停输、切换流程等，二是非计划工况变化，即事故引起的水击，如阀门突然关闭、泵站输油泵突然停泵等。必须采取措施，将发生水击时的系统压力控制在一定范围内，防止设备损坏的情况发生。

3 安亳管道水击控制与保护现状

3.1 设备现状

3.1.1 输油管道

管道输送介质为易燃液体，一旦发生事故，后果较为严重，因此合理选择钢管材质较为重要。钢管除了要求具有良好的强度之外，还应具有较好的韧性和可焊性，以使得钢管具有抵抗破坏的能力和满足施工要求。安亳管道设计压力为9.5 MPa，所用的管材等级相应也越高，选用壁厚相对大的L415MB 和L360MB钢级的管材，以使得钢管能有较强的抵抗外界破坏的能力。

3.1.2 主输油泵

输油泵作为输油管道的重要设备，产品的可靠性、安全性、高效性和自动化程度非常重要。由于离心泵具有结构简单，体积小，重量轻，操作平稳，流量稳定，性能参数范围广，易于制造，便于维修等优点，因此，各泵站主输油泵采用卧式水平中开国产离心泵。泵排量是根据设计输量并向上圆整确定的，总扬程是对应输油泵排量下管道需要的总扬程。输油泵有较宽的高效区，以适应管道输量变化。在调节泵的排量时，使泵在排量的80%～120%的流量范围均处于输油泵的高效区内。

由于安亳管道沿线地势较平坦，各站输油泵的扬程主要用于克服管道摩阻，所以全线各站场输油主泵均按串联配置，共设置主输油主泵17 套（安庆4套、合肥向淮南4 套向六安3 套，淮南向阜阳和蚌埠方向各3 套）。

3.1.3 阀门

凡与油品切换、下载调节等相关的需要快速开关的阀门以及进出站、越站等重要部位的阀门均采用进口电动球阀（视开启扭矩、关闭扭矩、运行最大扭矩来确定），收发球筒的主管和支管、泄压阀前等部位采用国产电动球阀。站内其它主要流程切换阀门采用平板闸阀，其中泵出口、流量计出口、调节阀旁通和调节阀前的闸阀采用调节型平板闸阀，过滤器前的闸阀采用带导流孔平板闸阀，平板闸阀全部采用国产。进口电动阀门（调节阀）以及调节型阀门电动执行机构由国外引进，其他部位电动阀门采用国产执行机构。

3.2 工艺现状

安亳管道发生水击事故且影响较大的工况主要有：各站进出站阀门、线路截断阀门等关键阀门误关闭，泵站突然停泵等，根据各种水击工况可能造成的危害，采取如下措施进行水击保护：

1）全线设置调节阀。泵站出站端设置调节阀，各中间泵站油品下载处设置调节阀。站控系统以首站出站压力、末站进站流量为控制参数进行调节，由调节阀调节各站进出站压力，保证全线平稳运行。

2）分输泵站进站设置低压泄放阀，出站设置高压泄放阀。

3）站控系统顺序停泵保护。当泄放阀泄放后仍不能满足工艺要求时，站控系统PLC 将根据逻辑程序，顺序停一台或数台输油泵，达到保护站内设备和工艺管道的目的。

4 水击超前保护与控制

水击超前保护，就是要在水击泄放流程动作之前启动，进一步降低系统承受的最高压力。SCADA 系统根据对各站工艺参数的分析判断其水击大小，由控制中心对各站进行超前控制与保护。要综合管道的长度、系统的巡检周期、事故确认及控制中心发布命令等步骤考虑率所需时间总和。其中，泵站设计有紧急停泵保护逻辑，泵的运行状态也是日常运行监控重点项目，故本次设计和应用的水击超前保护，只考虑阀门意外关闭的情况。

4.1 根据水击源列举如下：

分别有：MOV1301 阀、MOV2121 阀、MOV2122阀、MOV2125 阀、MOV2401 阀、MOV2301 阀、MOV3101阀、MOV3102 阀、MOV3401 阀、MOV3402 阀、MOV3105阀、MOV3301 阀、MOV3351 阀、MOV4101 阀、MOV4102阀、MOV5101 阀、MOV5102 阀、MOV1001 阀、MOV1101阀、MOV1601 阀、MOV1701 阀。各个阀触发条件如下：

4.1.1 MOV1301 阀

触发条件为同时满足：MOV1301 处于非全开位状态、PT1301 及PT1442 在2 s 内增加1.0MPa、安庆出站流量FT1301 在2 s 内减少100 m3/h。

水击逻辑：执行全线紧急停输，急停安庆输油泵、给油泵，同时安庆站PV1307 开度关至10%（全线紧急停输：急停安庆、合肥、淮南运行的给油泵及输油泵，2 min 后关闭安庆出站阀MOV1302，4 min 后关闭合肥进出站阀MOV2121、MOV2301、MOV2351，6 min后关闭淮南进出站阀MOV3101、MOV3301、MOV3351，关闭阜阳进站阀MOV4101、蚌埠进站阀MOV5101）。

4.1.2 MOV2121 阀

触发条件为同时满足：MOV2121 处于非全开位状态、PT2121 在2 s 内下降超过0.5 MPa。

水击逻辑：合肥单输时，安庆站紧急停输油泵和给油泵，同时出站调节阀PV1307 开度关至10%，停泵后关闭MOV1302 阀；淮南方向输油时，合肥紧急停淮南方向输油泵，合肥站PV2307 开度降至10%，关闭MOV2302 阀。

4.1.3 MOV2122 阀

触发条件为同时满足：MOV2122 阀非全开位、合肥站PT2121 在2 s 内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：合肥单输时，安庆站急停输油泵，同时出站调节阀PV1307 开度关至10%，停泵后关闭安庆出站MOV1302；淮南方向输油时，打开MOV2130 阀，合肥站急停淮南方向输油泵，合肥站PV2307 开度至10%，关闭合肥站MOV2302 阀。

4.1.4 MOV2125 阀

触发条件为同时满足：MOV2125 阀非全开位、合肥站PT2121 在2 s 内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：合肥单输时，安庆站急停输油泵，同时出站调节阀PV1307 开度关至10%，停泵后关闭安庆出站MOV1302 和合肥进站MOV2122；合肥分输时，安庆站停1 台输油泵（P1-P4 仅停序号最大的1 台），同时出站调节阀PV1307 开度关至70%。

4.1.5 MOV2401 阀

触发条件为同时满足：MOV2401 阀非全开位、合肥站PT2121 在2 s 内压力上升超过0.5 MPa。

水击逻辑：打开合肥站MOV2130 阀，合肥站急停淮南方向输油泵，合肥站PV2307 开度至10%，关闭合肥站MOV2302 阀。安庆站停1 台输油泵（P1-P4 仅停序号最大的1 台），同时出站调节阀PV1307 开度关至70%。

4.1.6 MOV2301 阀

触发条件为同时满足：MOV2301 阀非全开位、合肥站PT2301 在2 s 内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：打开合肥站MOV2130 阀，合肥站急停淮南方向输油泵，合肥站PV2307 开度至10%，关闭合肥站MOV2302 阀。安庆站停1 台输油泵（P1-P4 仅停序号最大的1 台），同时出站调节阀PV1307 开度关至70%。

4.1.7 MOV3101 阀

触发条件为同时满足：MOV3101 阀非全开位、淮南站PT3101 在2 s 内压力上升超过0.5 MPa。

水击逻辑：淮南站单输时，合肥站急停淮南方向输油泵，同时出站调节阀PCV2307 开度关至10%；停泵后关闭合肥MOV2401 和MOV2302。安庆站停1 台输油泵（P1-P4 仅停序号最大的1 台），同时出站调节阀PV1307 开度关至70%；阜阳方向分输时，打开淮南全越站MOV3130，淮南站急停阜阳方向输油泵，同时出站调节阀PV3307 开度关至10%；停泵后关闭淮南出站MOV3302；蚌埠方向分输时，打开淮南全越站MOV3131，淮南站急停蚌埠方向输油泵，同时出站调节阀PV3327 开度关至10%；停泵后关闭淮南出站MOV3352。

4.1.8 MOV3102 阀

触发条件为同时满足：MOV3102 阀非全开位、淮南站PT3101 在2 s 内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：淮南站单输时，合肥站急停淮南方向输油泵，同时出站调节阀PCV2307 开度关至10%；停泵后关闭合肥MOV2401 和MOV2302。安庆站停1 台输油泵（P1-P4 仅停序号最大的1 台），同时出站调节阀PV1307 开度关至70%；阜阳方向分输时，打开淮南全越站MOV3130，淮南站急停阜阳方向输油泵，同时出站调节阀PV3307 开度关至10%；停泵后关闭淮南出站MOV3302；蚌埠方向分输时，打开淮南全越站MOV3131，淮南站急停蚌埠方向输油泵，同时出站调节阀PV3327 开度关至10%；停泵后关闭淮南出站MOV3352。

4.1.9 MOV3401 阀

触发条件为同时满足：MOV3401 阀非全开位、淮南站PT3411 在2 s 内压力下降超过0.5 MPa。

水击逻辑：打开淮南全越站MOV3130，淮南站急停阜阳方向输油泵，同时关闭MOV3302 阀。

4.1.10 MOV3402 阀

触发条件为同时满足：MOV3402 阀非全开位、淮南站PT3441 在2 s 内压力下降超过0.5 MPa。

水击逻辑：打开淮南全越站MOV3131，淮南站急停阜阳方向输油泵，同时关闭MOV3352 阀。

4.1.11 MOV3105 阀

触发条件为同时满足：MOV3015 阀非全开位、淮南站PT3105 在2 s 内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：淮南单输时，合肥站急停淮南方向输油泵，同时出站调节阀PCV2307 开度关至10%；停泵后关闭合肥MOV2401 和MOV2302。安庆站停1 台输油泵（P1-P4 仅停序号最大的1 台），同时出站调节阀PV1307 开度关至70%。

4.1.12 MOV3301 阀

触发条件为同时满足：MOV3301 阀非全开位、淮南站PT3301 在2 s 内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：打开MOV3130 阀，淮南站急停阜阳方向输油泵，PV3307 开度至10%，关闭阜阳方向出站MOV3302 阀。

4.1.13 MOV3351 阀

触发条件为同时满足：MOV3351 阀非全开位、淮南站PT3351 在2 s 内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：打开MOV3131 阀，淮南站急停蚌埠方向输油泵，PV3327 开度至10%，关闭阜阳方向出站MOV3352 阀。

4.1.14 MOV4101 阀

触发条件为同时满足：MOV4101 阀非全开位、阜阳站PT4101 在2 s 内压力上升超过0.2 MPa、淮南站P1～P3 泵任一泵为启动状态、淮南出站PT3301 在120 秒内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：淮南站急停阜阳方向输油泵（P1、P2、P3），同时淮南站PV3307 开度关至10%；待阜阳方向输油泵停泵后，关闭淮南站MOV3401 和MOV3302阀。

4.1.15 MOV4102 阀

触发条件为同时满足：MOV4102 阀非全开位、阜阳站PT4101 在2 s 内压力上升超过0.2 MPa、淮南站P1-P3 泵任一泵为启动状态、淮南出站PT3301 在120 s 内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：淮南站急停阜阳方向输油泵（P1、P2、P3），同时淮南站PV3307 开度关至10%；待阜阳方向输油泵停泵后，关闭淮南站MOV3401 和MOV3302阀。

4.1.16 MOV5101 阀

触发条件为同时满足：MOV5101 阀非全开位、蚌埠站PT5101 在2 s 内压力下降超过0.2 MPa、淮南站P4～P6 泵任一泵为启动状态、淮南出站PT3351 在90 s内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：淮南站急停阜阳方向输油泵（P4、P5、P6），同时淮南站PV3327 开度关至10%；待阜阳方向输油泵停泵后，关闭淮南站MOV3402 和MOV3352阀。

4.1.17 MOV5102 阀

触发条件为同时满足：MOV5102 阀非全开位、蚌埠站PT5101 在2 s 内压力下降超过0.2 MPa、淮南站P4～P6 泵任一泵为启动状态、淮南出站PT3351 在90 s内压力上升超过1 MPa。

水击逻辑：淮南站急停阜阳方向输油泵（P4、P5、P6），同时淮南站PV3327 开度关至10%；待阜阳方向输油泵停泵后，关闭淮南站MOV3402 和MOV3352阀。

4.1.18 MOV1001、MOV1101 阀

触发条件为同时满足：阀室阀门非全开位、前后压力差增加超过0.5 MPa；通信中断时，只能通过上下游进出站压力变化触发水击逻辑。当10#或11#阀室通信状态显示异常、淮南出站PT3301 在2 s 内上升0.5MPa、阜阳进站PT4101 在2 s 内下降0.5 MPa。

水击逻辑：关闭淮南往阜阳方向出站MOV3302、急停淮南站阜阳方向所有输油泵、阜阳进站MOV4102。

4.1.19 MOV1601、MOV1701 阀

触发条件为同时满足：阀室阀门非全开位、前后压力差增加超过0.5 MPa；通信中断时，只能通过上下游进出站压力变化触发蚌埠进站PT5101 在2 s 内下降0.5 MPa。

水击逻辑：关闭淮南往蚌埠方向出站MOV3352、急停淮南站蚌埠方向所有输油泵、蚌埠进站MOV5102。

4.2 不同工况下的水击逻辑

1）安庆出站阀门关闭，执行MOV1301 阀逻辑；

2）合肥下载时，阀门关闭，可能有MOV1301 阀、MOV2121 阀、MOV2122 阀、MOV2125 阀，执行相应逻辑；

3）淮南输油时，阀门关闭，可能有MOV1301 阀、MOV2121 阀、MOV2122 阀、MOV2125 阀、MOV2401阀、MOV2301 阀、MOV3101 阀、MOV3102 阀、MOV3105 阀，执行相应逻辑；

4）阜阳输油时，阀门关闭，可能有MOV1301 阀、MOV2121 阀、MOV2122 阀、MOV2125 阀、MOV2401阀、MOV2301 阀、MOV3101 阀、MOV3102 阀、MOV3401 阀、MOV4101 阀、MOV4102 阀、MOV1001阀、MOV1101 阀，执行相应逻辑；

5）蚌埠输油时，阀门关闭，可能有MOV1301 阀、MOV2121 阀、MOV2122 阀、MOV2125 阀、MOV2401阀、MOV2301 阀、MOV3101 阀、MOV3102 阀、MOV3402阀、MOV5101 阀、MOV5102 阀、MOV1601 阀、MOV1701阀，执行相应逻辑。

5 方案验证

5.1 通过设计数据对比

通过查阅设计资料可知，最远端阜阳末站进站阀以外关闭6 min 后，阜阳末站压力达水击泄放阀动作压力。从动作时间上判断，上述逻辑动作的时间总和在6 min 以内，说明逻辑可行，能够在水击泄放阀动作之前发挥作用。

5.2 通过正常运行工况验证

查阅正常运行时压力调节的数据，如表1 所示。

表1 阜阳启下载时工艺参数调整数据表（10 月1 日）

从上述总和时间基本与设计时间一致，当然若多次测试得到的时间会更加准确。若发生水击超前保护，将会在上述保护时间之前动作，对管道系统形成保护，避免或减少水击泄放阀开启次数。

6 结论

当发生异常压力升高时，应用水击超前保护，在水击泄放流程启动前，产生与水击正压波向抵消的负压波，有效降低管道系统承受的最高压力，有力保障了安亳管道安全运行。