兰成渝管道水击分析与防范

兰成渝管道水击分析与防范

一、水击的发生机理油气管道是一个单一的力系统。当系统中的某些地方发生压力扰动时，压力波将传播到管道的下游，使油气流和压力突然发生变化，导致水势。因此，泵压和速度的变化与流动的质量和重量有关。轻度时仅显示噪音和振动，严重时则管道破裂。对于长距离、大口径、高落差、高压力的兰成渝管道,分析与防止水击事故具有重要的意义。1、水打击波的水压力和速度的计算(1)压力波传播速度公式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——压力波传播速度,m/s;ρ——液体的密度,kg/m3;K——液体的体积模量,Pa;E——管材弹性模量,Pa;d——管道内径,mm;δ——管壁厚度,mm;D——管道外径,mm。例如,兰成渝管道兰州—江油管段(平均壁厚为9.1mm),在输送0号柴油时(ρcy=840kg/m3),根据式(1)计算求得压力波的传播速度约为1122m/s。(2)油气流场传播速度根据茹科夫斯基HE公式,可以计算因流速急剧变化引起的压力变化值为:ΔP=ρ·c·Δυ(2)式中ρ——油品密度;c——水击波的传播速度。例如,兰成渝管道(ϕ508管段)以750m3/h的流量输送0号柴油(ρcy=840kg/m3,K=15×108Pa;E=20×1010Pa,管道壁厚9.1mm),计算得到由干线截断阀突然关断引起的压力变化和压力冲击波的传播速度(c)为1122m/s,油品流速为υ=4Q/(π·d2)=1.066(m/s)。显然,在干线截断阀突然关断时,柴油流速的变化为Δυ=1.066m/s,由式(2)计算得到的压力变化值为ΔP=1.0MPa。二、油气表的原因和特点1、道泄漏、断阀关闭成品油管道系统在运行过程中必然会出现运行参数变化的工况,例如,启停泵、机组转速变化或管道泄漏、截断阀关闭等,这些工况会使管道从原来某一个稳定的运行状态向另一个稳定状态过渡。由于管道中的流体具有流动的惯性,在工况变化(或事故)点将发生能量转换,例如,突然的关阀使输送油品的动能转化为势能(压力),这种能量转化以波的形式向管道的上下游传播,从而产生水击。2、油气表水击的特点(1)水击波的下隔时间长输管道的泵站间距一般都在几十、上百公里,以水击波传播速度为1000m/s估算,某站发生的水击波要经过约几十、上百秒才能传到相邻的泵站,然后再发生反射,所以反射的间隔时间比较长。(2)管道充装压力假设某长输管道终点阀门突然关闭,油品的流动突然停止,引起动能转化为势能所产生的压力称为势涌水击,介质的流速越高,势涌水击越强。在终点阀门突然关闭水击波到达上游泵站之前,泵站仍然正常输油,此时终点管段因压力升高发生弹性膨胀,容纳上游来油,这种现象称为管道充装。在充装时管壁不断膨胀,液体不断被压缩,由此产生充装压力。管道越长,充装压力越高。管道终点阀门处的水击压力是势涌水击与充装压力之和。(3)生水击的影响目前,成品油管道均采用泵到泵的密闭输送工艺,管道沿线某处如果发生水击,全线都将受到影响。如果关闭管道终端阀门,其上游泵站的输量则会急剧下降。进站压力迅速升高,进站压力叠加在泵压上,使得出站压力进一步升高。这种同步与叠加的如此往复,将会加速破坏管道。(4)液体供应对于长输管道,如果中间泵站意外停机,犹如在管道中间突然关阀,阻碍了上游流体的流动,由此产生的增压波使事故站的进站压力迅速上升;对于下游站,则是停止液体供应而产生减压波,使出站压力迅速下降。而出站方向的减压波则可能使沿线动水压头较低的地段产生气穴流和液柱分离,也可能使下游站进站压力过低而发生气蚀或抽空。三、水击事故原因长输管道的剧烈水击可能造成相关设施的破坏而引发水击事故。水击事故可能由意外的原因引起,例如停电、误操作等。水击的传播速度非常快,因而,水击事故很难预警,也不能用人工操作方法处理事故,最有效的防护手段是依靠管道的自动保护系统。1、事故点的上下游站的水击波制造技术如果长输管道某中间站(事故点)停泵,将会向上游传播增压波,向下游传播减压波。如果事故点的压力持续增加,管道就要受到破坏。对此,可以在事故点的上下游站采取部分停泵的方法制造新的水击波,因为新的水击波与事故点的水击波叠加后相互抵消,使水击波受到拦截,从而消除或减弱水击的危害。水击波拦截技术的关键是准确判断水击,适时向事故点上下游泵站发出相关动作(停泵)的指令。在管道实际运行中,应将水击波拦截技术作为水击保护方案中的一种措施编入SCADA系统中,依靠其功能自动进行事故辨认,对各泵站的主泵等设备直接下发操作指令,及时消除水击危害。2、单设备泄压罐在输油过程中难免会产生进站压力超低和超高的现象,这种现象虽多属低强度水击,但会导致管道不稳定运行,严重的会使管道运行工况失控。因此,长输管道各泵站都设有自动泄压罐,当泵站的入口压力高于设定值时,泵入口泄压阀(低压泄压阀)开启,将部分油品泄入泄压阀,使泵站入口压力降至正常值;当泵站的入口压力低于设定值时,泵站出口泄压阀(高压泄压阀)开启,部分油品流至泵站入口,将泵站入口压力提升到正常值。兰成渝管道的兰州站出站段、陇西站进站段、重庆站进站段及临洮站、成县站、广元站、成都站、内江站的进出站段都安装了泄压阀,当进出站压力大于泄压设定值时,泄压阀自动开启泄压。当进出站压力恢复到正常设定值时,泄压阀自动关闭,从而保证了管道的安全运行。3、自动控制系统运行稳定当管道发生低强度水击扰动时,管道的运行参数在接近超限的情况下,SCADA系统能自动向泵站发出调节阀门或调速电机的指令,保持管道运行稳定。4、建议保证瞬变过渡为了减少水击对管道系统的冲击,管道运行参数或泵站运行参数严重超限时就要停泵。对应不同的工况和要求,应建立相应的停泵顺序逻辑,尽量保证管道在瞬变过程中平稳过渡。水击所产生的压力波在管内液体中的传播速度取决于液体的压缩性和管壁的弹性,其关系式为:在液体流速发生突变时(干线截断阀突然关闭),管道的压力也会发生突变,这种压力突变在管道的低洼处和正常运行时的高压力管段,例如兰成渝管道的成县站进站段,都可能引发管道破裂,也可能使下游站的进站压力急剧下降,导致泵的进口压力超低保护而甩泵。5、自动运行监测长输管道的水击防护一般是在采用SCADA系统控制下,以水击波拦截技术为主,以调节为辅的综合防护方案。SCADA系统中有水击保护程序,但管道的某些运行控制参数需要管道操作人员提供。例如,调节阀进站压力设定值(确定调节阀动作的压力界限)、泄压阀进出站压力设定值(确定泄压阀动作的压力界限)以及顺序停泵进出站压力设定值(确定泵的压力界限)。在实际应用中,保护程序自动运行的功能有两个,一是监测管道的异常信号判断事故;二是根据事故的程度下达保