长输原油管道水击分析与控制
摘要本文对长庆油田吴西线原油长输管道项目中可能出现水击的原因进行了分析，并阐述了水击可能造成的危害，着重的解释了原油长输管道水击防护措施。
关键词原油；水击；自动控制；泄放阀
中图分类号TQ055 文献标识码 A 文章编号1673-9671-(2012)062-0164-02
1 项目简介
长庆油田吴西线原油长输管道，起点吴起县，终点西峰市，全线长188公里，共有4座输油站场，均在原有管线输油站场中扩建，以便于管理。
依次是PS1（首站）、PS2（中间站1）、PS3（中间站2）、PS4（末站）。
PS1至PS2管线管径为Φ273，长度78公里，设计最大输量为200 m3/h，设计压力为6.4 MPa，PS2至PS4管线管径为Φ377，长度110公里，设计最大输量为，400 m3/h，设计压力为8 MPa。
长庆油田吴西线原油管道所有泵站泵机组的连接形式为并联，输油泵为离心泵。
2 水击的产生
2.1 水击的定义
原油在管线中流动时，液体断面上各点流速和压强保持一定，不随时间变化的叫稳定流，反之叫不稳定流。
在实际的输油过程中各点流速和压强不随时间变化的较少，如果在一般情况下变化很小，可以基本上认为是在稳定状态的。
当输油的稳定状态受到破坏，压力发生顺便时，流速和压强发生极具变化，叫做水击。
2.2 水击产生的主要原因
2.2.1 有计划的调整管道的输量
全线输量将由380 m3/h逐步增长到500 m3/h，当输量突然提升泵的排量时，管线的流量也突然增加，就会从PS1主泵的出口开始产生增压波，并向PS2传递，油品进入PS2主泵，从PS2主泵的出口增压波得到加强，并向下游传递。
同样当需要减少管线的输量时，就会从PS1主泵的出口开始产生减压波，并向下游传递。
当改变某一站阀门的阀门开度时，会造成全线的压力波动。
如减小PS4的进站阀门的开度，就会从阀门处产生一个减压波，并下游传递，从阀门处产生一个增压波，并上游传递。
在某中间输油站的启动和停输时，产生水击。
泵站泵机组的连接形式为并联，配置为两用一备，当两台泵中的一台出现故障时，需要开启备用泵，并关闭运行的故障泵，在泵机组的切换过程中会产生压力波动。
2.2.2 管道的某些操作程序
首末站的倒换油罐，输送过程中会产生水击。
全线的首站PS1和末站PS4设有几具储罐，所以，在PS1的一个油罐的油快输完时，要倒到另一个罐输油，可能产生水击。
同理，在PS2收油时，一个罐快满时，要将原油切入另一个储罐，可能产生水击。
在PS1和PS2输送过程中的储罐切换时，要在汇管处切换，开启另一储罐汇管处阀门，关闭前一储罐的汇管阀门。
在汇管切换时，可能产生水击。
2.2.3 管道操作过程的事故状态
泵机组出现机械故障，泵机组保护系统作用使泵机组停车，一些程序的误操作使阀门误操作，中间泵站的突然停电，还有管道发生泄露和管道破裂等都会使管道产生不稳定流动。
3 水击的危害
3.1 水击可能发生超压
水击增压波造成管道超压引起强度破坏。
当管道产生水击时，水击波会以1000 m/s的速度沿管道传播。
水击波增加的的压力叠加在管道稳定剩余压力上，构成液体压强。
当叠加后的液体压强超过管道的最大允许工作压力，就有可能引起强度破坏。
水击增压波沿管道传播过程中，凡是稳定运行时动水压力接近管道临界承压能力的位置，有可能造成管道超压，造成强度破坏。
3.2 水击可能发生液柱分离的危害
水击减压波使管内压力降低至真空压力，使管道失稳产生变形，或分离后的液柱相遇产生的高压力造成强度破坏。
全线的最高点在PS2与PS4之间，此处也是全线的翻越点，在出现水击时，此处可能出现液柱分离现象。
3.3 水击使中间泵站的泵产生气蚀
减压波传递到下游泵站时，会使下游泵站吸入端压力下降，影响下游泵机组工作。
4 水击防护措施
4.1 自动控制
对于密闭输送的管道，压力调节和和水击控制是保证输油主泵正常工作和管道安全运行必不可少的措施。
在吴西线项目中在每个泵站出站都设有调节阀，用于调节水击过程中管道系统的压力脉动，防止进站压力过低和出站压力过高。
在中间下载站进站、分输管线、末站进站处也设有调节阀，调节进站或分输压力。
一旦管道发生水击时，通过提前改变出站的压力设定值，起到控制水击的作用。
泵站出站的调节阀的调节方式有两种：节流调节和转速调节。
中间下载站进站及末站进站调节阀的调节方式为节流调节。
在每个泵站设有3个压力控制器，分别设置在进站、主泵出口、出站位置。
泵出口压力控制器通过调节液力耦合器来控制泵的转速，起到调节压力的作用。
出站压力控制器通过调节调节阀的开度，起到调节压力的作用。
泵出口压力控制器的设定压力要低于出站压力控制器的设定压力。
在正常操作条件下，出站调节阀是全开状态的，因为泵出口的压力是低于出站压力控制器的设定压力，并且进站压力是高于进站压力控制器的设定压力。
当管道发生剧烈扰动时，压力超过了控制器的设定值时，系统将通过减小调节阀的开度来降低出站压力。
当进站压力超过进站压力控制器的设定值时，进站压力控制器就会发出一个正作用信号，传递到低值选择器；当出站压力超过出站压力控制器的设定值时，出站压力控制器就会发出一个反作用信号，传递到低值选择器。
低值选择器选择一个低值在确定调节阀的开度。
当出泵压力超高时，泵出口压力控制器就会发出一个反作用信号，传递到低值选择器，就会通过调节液力耦合器，来降低主泵的转速。
如果压力依旧升高，出站压力控制器就会发出一个反作用信号传递到低值选择器，最终通过使降低阀门的开度来调节压力。
泵出口压力控制器的设定压力要低于出站压力控制器的设定压力。
在压力超高时，首先作用的是对主泵的转速调节，在效果不明显时再通过减小阀门的开度来调节压力。
这样可以避免使用调节阀来调节压力，减少能量的浪费。
4.2 设置水击泄放阀
水击泄放是当管道系统产生扰动时，把部分液体泄放到常压罐中去。
水击泄放阀可分为先导式和氮气式两种。
先导式的特点是：完全自力，价格较低，响应速度相对慢，压力调节适应能力有限。
适合用于比较洁净的介质，而不适合用于比较脏的介质，一般只用于成品油上。
氮气式的特点是：对介质没有限制，适合比较脏和粘稠的液体，相应时间快，只要最大泄放量和压力等级满足，泄放压力现场可以灵活调节。
原油介质一般采用氮气式，吴西线原油管道的四个站场各设置一套氮气式水击泄放阀。
氮气式水击泄放阀的CV值较高，是普通安全阀的1-2倍，保证运行平稳。
氮气式水击泄放阀由泄放阀体、氮气缓冲瓶、氮气控制柜组成。
氮气缓冲瓶一般埋地设置，以减少环境温度对设定值的影响。
氮气控制柜是用来控制氮气补气、排气，设有气源低压报警，和调压后高、低压报警。
泄放阀工作原理：在阀体内有一个氮气腔，腔体中充满氮气，腔体一端固定，另一端是可以沿轴向运动的锥形阀芯。
腔体内的氮气的压力就是阀门的设定值，当管线发生剧烈的水击时，管线内的压力升高并超过水击泄放阀的设定值时，油品将会压缩氮气腔，锥形阀芯向阀芯内移动，泄放阀处于开启状态。
油品就会从锥形阀芯的四周流入阀后的泄压管线进入泄放罐，管线的压力会被迅速的泄放下来。
当压力泄放到小于氮气的压力时，阀门将关闭，泄放结束。
阀体内的氮气由控制柜内的氮气瓶提供，通过导气管和调压器与阀体联通，调压器用来调节阀体内氮气波动，使其压力恒定。
调压器有呼吸作用，在白天将阀体内膨胀的氮气放空，晚上向阀体内补气。
氮气在呼吸作用中有损耗，氮气瓶要定期充氮气。
另外泄放阀还设置了一个埋地的温差平抑氮气瓶，用了减少温度对阀设定值的影响。
4.3 回流保护
吴西原油管道工程在每个泵站主泵的进出口之间设置了回流线，可以用于进站压力超低限的保护，回流线可以调整进站压力，维持离心泵正常工作。
4.4 超前保护
建立在高度自动化基础上保护技术，运用SCADA系统。
在某泵站突然停电、发生水击时，通过通信系统迅速向所有泵站发出信号，按预先进行水击模拟分析的结果而编制的水击控制程序，提前降低出站压力设定值或者停泵的方式，防止管道出现超压或液柱分离，危机管道和设备的安全。
5 结束语
在吴西线项目中主要通过自动控制、设置水击泄放阀、设置主泵回流线、SCADA系统超前保护，来预防水击产生并控制水击对管线及设备的破坏。
参考文献
[1]张国忠编.管道瞬变流动分析[J].石油大学出版社,1994.
[2]杨筱蘅,张国忠编.输油管道设计与管理[J].石油工业出版社,1996.
[3]原油长输管道工程设计[J].石油大学出版社.。
