秦京管输水击压力保护方案的改进

秦京管输水击压力保护方案的改进

一、管道输油监控系统1975年6月15日建成的秦景管道全长346.19公里，管道直径529mm，壁厚7.8mm。管道沿线有五个车站：昌黎、潜安、丰润、宝井和大兴中间热泵站，以及芦山、花园的输油站（水库），以及线路上的八销阀室。自20世纪90年代初期以来,秦京管道经改造,输量已由原额定设计值的600×104t/a提高至840×104t/a,实现了分段密闭输油工艺、各站输油参数自动采集和集中监控,主要运行参数上传至分公司调度室、北京和廊坊主备调控中心。2005年1月,秦京管道在输送大庆原油的同时,开始承输由高尚堡—迁安管道输入的冀东原油,管道输量为320×104t/a,基本在相关规程规定的最低输量下运营,为此,在昌黎站采取了压力越站方式,在迁安站—房山站混输大庆和冀东原油,将秦京管道输量提高至600～800×104t/a之间。二、秦京管道水击保护仿真结果目前,秦京管道仍延用2001年设计的水击保护方式,即各站安装有调节阀、高压泄压阀、低压泄压阀及压力超高停泵控制,但缺少水击超前保护手段(见表1和表2)。经过计算、试验及实际运行验证,原保护措施能够避免各种工况下某运行泵突停造成的管道超压及压力脉动,维持管道平稳运行,但因缺少水击超前保护功能,不能对某站工艺阀门(进站阀)动作失灵误关闭、人为误操作等管道断流产生的水击破坏进行控制。分析仿真系统模拟秦京管道5泵工况,大兴站进站阀门突关后全线的压力变化曲线(见图1)可知,突然关闭大兴站进站阀门,流速会产生直接压力瞬变,51s后,在管道充装作用下,阀门上游压力会超过管道允许最大压力4.2MPa。但此刻,该水击波尚未传至上游泵站宝坻,故在宝坻站调节阀、泄压保护及停泵保护未能满足动作条件前,两站间的管道已遭到损害甚至破裂。其它常用工况均通过仿真进行类似模拟,结果基本相同。目前秦京管道水击保护方案虽然实现了进出站压力自动调节,SCADA系统参数自动采集,具备遥测、遥信、遥调功能,但不具备遥控功能,自动控制与密闭输油保护不完善,不能实现管道闭锁控制、水击超前保护、流程自动切换、设备安全连锁保护、清管器自动越站跟踪等重要功能。因此,原有水击保护方案已不能满足秦京管道当前的运行要求。根据秦京管道目前设施及工艺情况,结合与加拿大ENBRIDGE管道公司对标管理报告及国内其他管道的先进运营管理经验,有必要重新制订秦京管道水击保护方案。三、水力系统运行方式冀东油从迁安站进入后,在全部设备不进行重新匹配更换前,只能分为秦皇岛—迁安、迁安—房山两个水力系统运行。工况运行和水力控制比以前相对简单、方便,要完善水击压力保护方案,需要从实际出发,真正实现压力调节加停泵保护。1、间站断流超压保护瞬变过程的水击超前保护是建立在高度自动化基础上的一项保护技术,一般分为输油站失电超前保护和中间站断流超前保护。管道一旦发生严重扰动时,为了防止压力波传播造成管道压力超限破坏,扰动源会通过通信系统迅速向上、下游泵站发出信号并产生一个与传来的压力波相反的扰动,两波相遇后相互抵消,不会对管道形成威胁性压力。由于秦京管道输量变化频繁,通常采用9种运行工况(见表3)。(1)负压波传播模式站内加热系统包括换热器、加热炉本身等虽然都有自身保护功能,但是在上游站停泵后,负压波一般在60s后传到下游邻近站。当负压波传到后,设备自身保护功能才能发挥作用,为此,依据输油管道水击超前保护原则及各站实际运行工况,在现行秦京管道输油站失电超前保护方案基础上,将加热炉用于超前保护中,实现了系统与自身的双重保护。(2)工艺自身优化,对设备进行配套针对某站工艺阀门(进站阀)动作失灵误关闭、人为误操作等管道断流产生的水击破坏,制定超前水击保护方案通常采取两种方法,一是通过对各工艺阀门监控,当判定有误关发生,系统程序进行连锁反应,超前停运相关运行泵机组,达到提前保护的目的;二是通过及时准确地监视,判断瞬变压力信号,当压力信号瞬变到一定值时,系统程序连锁反应,超前停运相关运行泵机组。秦京管道目前整体设备水平较低,大部分阀门为20世纪70年代投产时的设备。应以就地控制为主,其水击超前保护方案的制定若按上述的第一种方法,需要现场改造的工作量非常大,短期内不易实施。而采用第二种方法,则只需要进行简单改造。由于目前的进站压力传感器安装在进站阀下游,不能真实反映进站阀动作时的压力,为此,只需在各站进站阀上游加装压力传感器用于超前保护中即可。对应秦京管道9种常用运行工况(见表3),通过仿真系统逐一对各站进站阀门进行突关水击模拟试验,并记录阀前压力瞬变值(见表4),按输量分为3种情况。但需要注意的是,密闭输油时串联泵失电产生的水力瞬变在1.35MPa左右,易与工艺阀门误操作产生的压力瞬变混淆,影响程序中对跳泵进行的超前保护判断,因此,不取压力瞬变值作为依据。通过仿真试验,以各站各种工况下运行时进站压力为基数,加上该站断流(进站阀突关)瞬变值,即当某站进站压力在某种工况下达到表4所列值时,在水击允许条件下,误操作(站内阀门失灵)产生水击,可通过SCADA系统实施超前保护。在“5泵”工况时,大兴站进站阀门突关前瞬变后的压力变化(见图2)可知,进站阀突关后,进站压力从2.32MPa瞬间上升到3.50MPa,如果不进行超前保护,将出现图1的情况。大兴站进站阀突关后,在宝坻—房山管段水力系统内,大兴站的减压波向下往房山站传递,增压波向上往宝坻站传递,该增压波与宝坻站运行泵充装压力波相叠加,将会出现危险情况。按照超前保护方案,当大兴进站压力达到“5泵”工况下表4所列值时,秦京管道超前保护动作,即宝坻站超前停运行泵机组后压力变化(见图3)。宝坻站超前停泵后,减压波从宝坻向大兴方向传递,两个减压波相遇时,该段管道压力达到峰值并开始下降,最终稳定在图4所示状况,有效地对该管段实施了保护。2、节阀部分改造秦京管道压力自动调节系统相对比较完善,2007年对调节阀整体结构进行了部分改造更新,解决了以前存在的液压油及阀头运行时经常出现过热的问题,目前运行良好。如果从提高设备本身水平考虑,应将国产阀体更换为进口阀体。(1)pmk调节器信号输出为满足串联泵密闭输油的压力调节,秦京管道各站均装有一台DN250电液联动调节阀,可对泵入口压力和出站压力有选择地进行调节。当进泵压力(PV1)低于进泵压力设定值(SV1)时,为了防止泵抽空,从PMK调节器输出关阀信号驱动伺服执行器,使出站调节阀适当关闭,以保证进泵压力在给定值上;当出站压力(PV2)高于出站压力设定值(SV2)时,为了防止管线超压破裂,从PMK调节器输出关阀信号,关阀信号驱动伺服执行器,使出站调节阀适当关闭,以保证出站压力维持在给定值以下。当进泵压力和出站压力对阀门开度要求不一致时,PMK调节器优先选择关阀信号输出;在正常工作时,即进泵压力高于设定值,出站压力低于设定值时,阀门全开,以减少摩阻损失。密闭时各站(除秦皇岛外)串联泵入口压力设定值一般定为0.45MPa,出站压力设定值一般为4.0MPa(宝坻为4.2MPa)。压力调节系统框图见图5。(2).2mpa宝以出站压力为调节对象,其设定值一般为4.2MPa(宝坻为4.5MPa)。取消对进泵压力的调节作用,既将该站PMK第一回路(泵入口压力)设定值设为0。(3)带型统一阀超压伺服执行器调节阀在控制器里设有电气限位,即当调节讯号关阀时,只能关至开度的30%;机械限位措施使调节阀在任何情况下不能关死而造成憋压,限位调整在开度的25%左右;调节阀伺服执行器当其液压马达电源中断或PMK调节器因故没有输出讯号时,使阀基本保持原位不变,防止超压或憋压;当调节阀前后压差大于1.2MPa时,可能造成阀门动作受阻,此时报警提示值班人员处理。3、秦京管道对标保护秦京管道在2001年改造时,各站(除房山外)出站端均安装有机械先导角式自力泄压阀,近两年,各站进站端安装了电磁换向角式自力泄压阀。此前迁安站、宝坻站原有电动泄压阀及秦皇岛首站泵出口汇管电动回流阀也一直在用,参与水击压力保护。在秦京管道对标过程中,根据ENBRIDGE专家意见,应在秦皇岛首站、房山站、迁安站高迁线进站端设置进站PCV和进站泄压阀。当进罐流程意外阻断时,可保护低压进罐管道,该压力值设定为2.50MPa,其它仍按照表1中压力泄放保护值设定。通过计算、仿真系统模拟及近几年实际运行验证,该方案完全能够满足要求。4、秦京管道停泵保护值确定GB50253—2003《输油管道工程设计规范》和美国APIB31.4—1974《ANSI输油管道系统》均规定,正常操作中,如果由于扰动和其它变化造成的瞬态压力上升,在管道系统和设备中任何一点都不得超过设计内压力的10%,即保护措施动作的限定压力应该置于不超过管道最大允许压力的110%范围内。根据上述高压限定值及离心泵的吸入特性要求,确定了秦京管道各站停泵保护值。(1)对于秦皇岛首站、迁安站、丰润站、大兴站出站压力保护,当出站压力大于4.50MPa时,电气程序控制停泵;如果上述程序未动作,当出站压力大于4.60MPa时,压力开关动作停泵。宝坻站出站压力大于4.80MPa时,电气程序控制停泵;如果上述程序未动作,当出站压力大于4.90MPa时,压力开关动作停泵。(2)对于秦皇岛首站、迁安和宝坻2座中意热泵站的出泵汇管压力保护,分别为秦皇岛首站出泵压力大于5.10MPa、迁安站出泵压力大于5.30MPa、宝坻站出泵压力大于5.60MPa时,程序延时5s停泵。(3)对于各站离心泵保护,若串联泵运行,当进泵压力小于0.16MPa时,压力开关动作停泵;若并联泵运行,当秦皇岛首站进泵压力小于0.25MPa、迁安站和宝坻站进泵压力小于零时,压力开关动作停泵。此外,不应忽略对设备自身安全的考虑,如果温度、振动等超标停泵保护,需按照技术说明书设定,本研究不进行论述。四、增设微波通信方式综上所述,新水击保护方案通过仿真系统模拟,能够基本满足秦京管道由于站内因素造成的管道瞬变流动控制要求,但仍存在一些不足。一是线路截断阀为就地手动阀门,阀前后压力不具备远传功能,误动作关闭产生的水击,该方案不能涵盖。一旦管道发生大量泄漏事故,中心控制室只能命令上、下游站停运,而不能通过指令迅速关闭泄漏点两侧截断阀。二是SCADA系统采用微波通信方式,该方式在雨、雪、雾恶劣条件下中断率较高,没有备用通信。三是缺少ESD紧急关断系统。针对上述不足,可进行以下三个方面的改进。(1)将线路截断阀远控、阀前后压力参与到水击保护中;租用网通专用数据线路与微波通信互为备用;各站增加ESD紧急关断系统。(2)中心控