劉超 董一凡 蔡宇 楊振江 楊葳 呂慕昊 任衡泰

（中國石油北京油氣調控中心）

長輸管道首站工藝區(qū)通常由儲罐區(qū)、給油泵區(qū)、輸油主泵區(qū)、閥組區(qū)和發(fā)球區(qū)等功能區(qū)域組成，有些站場還設置有計量區(qū)、加熱處理區(qū)等。各工藝區(qū)按壓力等級分區(qū)，一般儲罐區(qū)、給油泵區(qū)、閥組區(qū)、計量區(qū)和加熱處理區(qū)為低壓區(qū)；輸油主泵區(qū)、調壓區(qū)和發(fā)球區(qū)為中壓或高壓區(qū)。

某成品油長輸管道首站在管道停輸、泵機組停運過程中偶發(fā)低壓區(qū)超壓現(xiàn)象。通過對歷次停輸數(shù)據(jù)的梳理，尋找偶發(fā)性事件的共同點，分析站場工藝流程與泵停運控制邏輯、瞬態(tài)過程前后各設備狀態(tài)的變化，找出低壓區(qū)超壓原因。結合實際運行情況和水擊波產(chǎn)生、傳播規(guī)律，提出了解決方案。

1 站場及泵機組基本情況

1.1 首站工藝設施

某長輸成品油管道首站主要功能為接收煉廠來油進罐、油品重新組織批次、增壓外輸至下游泵站、發(fā)送清管器、油品倒罐、壓力泄放等。主要工藝設施包括：2×104m3內(nèi)浮頂油罐10座，2臺互為備用的給油泵，3用1備共4臺外輸泵，1臺倒罐泵，互為備用的2套調壓閥組及清管、計量等設施。工藝流程如圖1所示。

圖1 首站工藝流程示意圖

工藝設計閥組區(qū)與給油泵區(qū)為站場低壓區(qū)，壓力等級為 2.0 MPa，設計壓力 2.0 MPa，干管采用D508 mm×7.9 mm；主泵區(qū)、調壓區(qū)與發(fā)球區(qū)為站場高壓區(qū)，壓力等級分別為10.0 MPa和15.0 MPa，設計壓力10.0 MPa和15.0 MPa，管線采用D508 mm×17.5 mm和D508 mm×23.8 mm。首站泵的技術參數(shù)見表1。

表1 首站泵機組技術參數(shù)表

1.2 泵機組控制

管道停輸時，停泵原則為先停運所有輸油主泵，再停運給油泵；對于串聯(lián)設置的外輸泵機組，在管道停輸時則要求按照泵號由大至小逆序停泵。例如，管道停輸之前運行的給油泵B601與外輸主泵B401、B402、B403，停泵順序為：

（1）停運B403泵，

（2）B403泵停止后第10 s，停運B402泵，

（3）B402泵停止后第10 s，停運B401泵，

（4）B401泵停止后第10 s，停運B601泵，

單泵聯(lián)鎖停泵邏輯為：站控PLC收到聯(lián)鎖停泵命令后，分別向泵電機及泵出口閥同時下發(fā)停車命令和關閥命令。

2 超壓原因分析

該成品油管道在某幾次管道停輸時，低壓區(qū)瞬時壓力值達到2.5 MPa，超過2.0 MPa的設計壓力，其他運行狀況正常。雖為偶發(fā)性超壓事件，但一旦發(fā)生事故，危害極大，必須找到超壓原因。

在管道停輸過程中，管道運行狀態(tài)發(fā)生變化，首站出站流量突然降為 0，在管內(nèi)引起瞬變流動，產(chǎn)生瞬變壓力和壓力波的傳播。這一過程流量變化大、變化時間短，產(chǎn)生劇烈變化的瞬變壓力［1］。對于出站側的管道而言，流量瞬間降至 0，出站壓力瞬間下降；而對于停運泵入口而言，停運瞬間會產(chǎn)生突然上升的水擊壓力，使泵入口匯管的壓力上升。

水擊波是一種彈性縱波，遵循機械波的傳播規(guī)律［2］，油品作為傳播介質在管道中進行壓力的傳導和能量的傳遞。低壓區(qū)瞬時壓力超限，說明水擊壓力波通過傳播介質由高壓區(qū)傳向了低壓區(qū)。

調查生產(chǎn)運行記錄發(fā)現(xiàn)并不是每次停輸操作都會造成低壓區(qū)瞬時壓力超限。根據(jù)生產(chǎn)記錄大數(shù)據(jù)，對每次停輸操作進行分析梳理，尤其是對幾次低壓區(qū)超壓案例的分析，發(fā)現(xiàn)低壓區(qū)超壓事件均發(fā)生在停運B401輸油主泵時。表2為管線停輸瞬間低壓區(qū)壓力統(tǒng)計表。

表2 管線停輸瞬間低壓區(qū)壓力統(tǒng)計表

輸油主泵停輸按照泵號由大至小順序停運，驅動電機與泵出口閥同時收到站控 PLC下達的停車/關閥命令。但泵出口閥為閘板閥，其全行程時間為90 s。當主泵突然停止運行時，主泵入口匯管產(chǎn)生水擊壓力，并通過尚未全關的泵出口閥向上游傳遞。

B401泵運行情況與低壓區(qū)發(fā)生超壓密切相關。當管道停輸之前B401泵不參與運行時，最后停運的B402泵產(chǎn)生的水擊高壓波被單向409閥隔斷，壓力無法向上游傳播，低壓區(qū)不會發(fā)生超壓。B401泵參與運行時，B401泵最后停泵，產(chǎn)生的水擊高壓波通過尚未全關的泵出口405閥和B401泵傳遞至給油泵出口匯管。由于B401泵出口未安裝單向閥，而給油泵出口卻安裝有單向閥，停運主泵B401時，水擊高壓波逆流傳至到低壓區(qū)，產(chǎn)生了低壓區(qū)壓力超限。

3 應對措施

解決低壓區(qū)瞬時超壓現(xiàn)象可從兩方面入手：一是截斷逆流向上游傳播的水擊壓力，將壓力波控制在站場高壓區(qū)；二是對其進行疏導，將已傳遞至低壓區(qū)的水擊壓力泄放。結合站場實際情況提出了以下三種技術方案。

3.1 主泵出口增加單向閥

在輸油主泵B401出口增加單向閥，可以截斷發(fā)生水擊時向上游低壓區(qū)傳播的水擊波。這種方法適宜在管道設計階段采用，管線建設時單向閥與其他設備一起安裝。如果在管道投油運行之后再進行站場改造，工程量較大且影響正常生產(chǎn)。

3.2 給油泵出口匯管增加安全閥

安全閥可以在管道運行壓力超過其設定的安全值時開閥泄壓降低管線壓力，保護管線安全。給油泵出口匯管屬于低壓區(qū)，在此處增加安全閥，即在610閥門前后的管線上開孔，接入新增安全閥，可以將水擊壓力泄放消解。

3.3 停運主泵時開啟回流閥

利用站場已有的回流閥 610，在停運第一臺主泵后立即開啟回流閥 610，隨后按照停泵步驟繼續(xù)停運其他泵機組。這一方法與安裝安全閥原理類似，泄放消解水擊壓力。但此方式的最大缺陷是當站場由于失電或者執(zhí)行站場ESD（Emergency Shut Down）程序時，所有泵機組在同一時刻突然停運，回流閥610不能即刻開啟。

在本例中，主泵出口閥門及管線均埋地設置，而610閥門設于地上。經(jīng)過方案比選，最終選擇了第二、三種方案相結合的方式：即在正常停輸停泵時開啟回流閥610；當站場停電或執(zhí)行ESD程序停泵時，安全閥超壓自動進行壓力泄放。

經(jīng)站場工藝改造和停泵程序改進，不論 B401泵是否參與運行，首站低壓區(qū)停輸過程中最高壓力均在1.2～1.7 MPa之間，再未發(fā)生超壓現(xiàn)象。這也佐證了水擊波的傳導過程與路徑分析是正確的，采用的水擊壓力的消減措施是合理的。

4 結束語

輸油主泵停輸時必然會產(chǎn)生瞬時的水擊壓力，管道運行壓力超限通常是一個短暫的狀態(tài)，應全面分析瞬態(tài)前后流程變化以及各設備運行狀態(tài)變化。為避免低壓區(qū)超壓現(xiàn)象，應在管道設計階段采用合理的工藝設計及優(yōu)化控制邏輯等方式進行壓力消減和預防。