蘭成渝管道水擊分析與防范

蘭成渝管道水擊分析與防范

一、水擊的發(fā)生機理油氣管道是一個單一的力系統(tǒng)。當系統(tǒng)中的某些地方發(fā)生壓力擾動時，壓力波將傳播到管道的下游，使油氣流和壓力突然發(fā)生變化，導致水勢。因此，泵壓和速度的變化與流動的質(zhì)量和重量有關(guān)。輕度時僅顯示噪音和振動，嚴重時則管道破裂。對于長距離、大口徑、高落差、高壓力的蘭成渝管道,分析與防止水擊事故具有重要的意義。1、水打擊波的水壓力和速度的計算(1)壓力波傳播速度公式c=1ρK+ρ?dcpE?δ√(1)dcp=0.5(D+d)c=1ρΚ+ρ?dcpE?δ(1)dcp=0.5(D+d)式中c——壓力波傳播速度,m/s;ρ——液體的密度,kg/m3;K——液體的體積模量,Pa;E——管材彈性模量,Pa;d——管道內(nèi)徑,mm;δ——管壁厚度,mm;D——管道外徑,mm。例如,蘭成渝管道蘭州—江油管段(平均壁厚為9.1mm),在輸送0號柴油時(ρcy=840kg/m3),根據(jù)式(1)計算求得壓力波的傳播速度約為1122m/s。(2)油氣流場傳播速度根據(jù)茹科夫斯基HE公式,可以計算因流速急劇變化引起的壓力變化值為:ΔP=ρ·c·Δυ(2)式中ρ——油品密度;c——水擊波的傳播速度。例如,蘭成渝管道(?508管段)以750m3/h的流量輸送0號柴油(ρcy=840kg/m3,K=15×108Pa;E=20×1010Pa,管道壁厚9.1mm),計算得到由干線截斷閥突然關(guān)斷引起的壓力變化和壓力沖擊波的傳播速度(c)為1122m/s,油品流速為υ=4Q/(π·d2)=1.066(m/s)。顯然,在干線截斷閥突然關(guān)斷時,柴油流速的變化為Δυ=1.066m/s,由式(2)計算得到的壓力變化值為ΔP=1.0MPa。二、油氣表的原因和特點1、道泄漏、斷閥關(guān)閉成品油管道系統(tǒng)在運行過程中必然會出現(xiàn)運行參數(shù)變化的工況,例如,啟停泵、機組轉(zhuǎn)速變化或管道泄漏、截斷閥關(guān)閉等,這些工況會使管道從原來某一個穩(wěn)定的運行狀態(tài)向另一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡。由于管道中的流體具有流動的慣性,在工況變化(或事故)點將發(fā)生能量轉(zhuǎn)換,例如,突然的關(guān)閥使輸送油品的動能轉(zhuǎn)化為勢能(壓力),這種能量轉(zhuǎn)化以波的形式向管道的上下游傳播,從而產(chǎn)生水擊。2、油氣表水擊的特點(1)水擊波的下隔時間長輸管道的泵站間距一般都在幾十、上百公里,以水擊波傳播速度為1000m/s估算,某站發(fā)生的水擊波要經(jīng)過約幾十、上百秒才能傳到相鄰的泵站,然后再發(fā)生反射,所以反射的間隔時間比較長。(2)管道充裝壓力假設某長輸管道終點閥門突然關(guān)閉,油品的流動突然停止,引起動能轉(zhuǎn)化為勢能所產(chǎn)生的壓力稱為勢涌水擊,介質(zhì)的流速越高,勢涌水擊越強。在終點閥門突然關(guān)閉水擊波到達上游泵站之前,泵站仍然正常輸油,此時終點管段因壓力升高發(fā)生彈性膨脹,容納上游來油,這種現(xiàn)象稱為管道充裝。在充裝時管壁不斷膨脹,液體不斷被壓縮,由此產(chǎn)生充裝壓力。管道越長,充裝壓力越高。管道終點閥門處的水擊壓力是勢涌水擊與充裝壓力之和。(3)生水擊的影響目前,成品油管道均采用泵到泵的密閉輸送工藝,管道沿線某處如果發(fā)生水擊,全線都將受到影響。如果關(guān)閉管道終端閥門,其上游泵站的輸量則會急劇下降。進站壓力迅速升高,進站壓力疊加在泵壓上,使得出站壓力進一步升高。這種同步與疊加的如此往復,將會加速破壞管道。(4)液體供應對于長輸管道,如果中間泵站意外停機,猶如在管道中間突然關(guān)閥,阻礙了上游流體的流動,由此產(chǎn)生的增壓波使事故站的進站壓力迅速上升;對于下游站,則是停止液體供應而產(chǎn)生減壓波,使出站壓力迅速下降。而出站方向的減壓波則可能使沿線動水壓頭較低的地段產(chǎn)生氣穴流和液柱分離,也可能使下游站進站壓力過低而發(fā)生氣蝕或抽空。三、水擊事故原因長輸管道的劇烈水擊可能造成相關(guān)設施的破壞而引發(fā)水擊事故。水擊事故可能由意外的原因引起,例如停電、誤操作等。水擊的傳播速度非常快,因而,水擊事故很難預警,也不能用人工操作方法處理事故,最有效的防護手段是依靠管道的自動保護系統(tǒng)。1、事故點的上下游站的水擊波制造技術(shù)如果長輸管道某中間站(事故點)停泵,將會向上游傳播增壓波,向下游傳播減壓波。如果事故點的壓力持續(xù)增加,管道就要受到破壞。對此,可以在事故點的上下游站采取部分停泵的方法制造新的水擊波,因為新的水擊波與事故點的水擊波疊加后相互抵消,使水擊波受到攔截,從而消除或減弱水擊的危害。水擊波攔截技術(shù)的關(guān)鍵是準確判斷水擊,適時向事故點上下游泵站發(fā)出相關(guān)動作(停泵)的指令。在管道實際運行中,應將水擊波攔截技術(shù)作為水擊保護方案中的一種措施編入SCADA系統(tǒng)中,依靠其功能自動進行事故辨認,對各泵站的主泵等設備直接下發(fā)操作指令,及時消除水擊危害。2、單設備泄壓罐在輸油過程中難免會產(chǎn)生進站壓力超低和超高的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象雖多屬低強度水擊,但會導致管道不穩(wěn)定運行,嚴重的會使管道運行工況失控。因此,長輸管道各泵站都設有自動泄壓罐,當泵站的入口壓力高于設定值時,泵入口泄壓閥(低壓泄壓閥)開啟,將部分油品泄入泄壓閥,使泵站入口壓力降至正常值;當泵站的入口壓力低于設定值時,泵站出口泄壓閥(高壓泄壓閥)開啟,部分油品流至泵站入口,將泵站入口壓力提升到正常值。蘭成渝管道的蘭州站出站段、隴西站進站段、重慶站進站段及臨洮站、成縣站、廣元站、成都站、內(nèi)江站的進出站段都安裝了泄壓閥,當進出站壓力大于泄壓設定值時,泄壓閥自動開啟泄壓。當進出站壓力恢復到正常設定值時,泄壓閥自動關(guān)閉,從而保證了管道的安全運行。3、自動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定當管道發(fā)生低強度水擊擾動時,管道的運行參數(shù)在接近超限的情況下,SCADA系統(tǒng)能自動向泵站發(fā)出調(diào)節(jié)閥門或調(diào)速電機的指令,保持管道運行穩(wěn)定。4、建議保證瞬變過渡為了減少水擊對管道系統(tǒng)的沖擊,管道運行參數(shù)或泵站運行參數(shù)嚴重超限時就要停泵。對應不同的工況和要求,應建立相應的停泵順序邏輯,盡量保證管道在瞬變過程中平穩(wěn)過渡。水擊所產(chǎn)生的壓力波在管內(nèi)液體中的傳播速度取決于液體的壓縮性和管壁的彈性,其關(guān)系式為:在液體流速發(fā)生突變時(干線截斷閥突然關(guān)閉),管道的壓力也會發(fā)生突變,這種壓力突變在管道的低洼處和正常運行時的高壓力管段,例如蘭成渝管道的成縣站進站段,都可能引發(fā)管道破裂,也可能使下游站的進站壓力急劇下降,導致泵的進口壓力超低保護而甩泵。5、自動運行監(jiān)測長輸管道的水擊防護一般是在采用SCADA系統(tǒng)控制下,以水擊波攔截技術(shù)為主,以調(diào)節(jié)為輔的綜合防護方案。SCADA系統(tǒng)中有水擊保護程序,但管道的某些運行控制參數(shù)需要管道操作人員提供。例如,調(diào)節(jié)閥進站壓力設定值(確定調(diào)節(jié)閥動作的壓力界限)、泄壓閥進出站壓力設定值(確定泄壓閥動作的壓力界限)以及順序停泵進出站壓力設定值(確定泵的壓力界限)。在實際應用中,保護程序自動運行的功能有兩個,一是監(jiān)測管道的異常信號判斷事故;二是根據(jù)事故的程度下達保