楊振江

中國石油北京油氣調(diào)控中心 （北京 100007）

管道投產(chǎn)是涉及多個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)配合的復(fù)雜系統(tǒng)工程，由單體設(shè)備試運(yùn)、系統(tǒng)調(diào)試、管道充水與投油等一系列步驟組成。輸油管道常見的投產(chǎn)方式主要有空管投油、水隔離段后投油與全線水聯(lián)運(yùn)后投油3種[1-3]。無論采取哪一種投產(chǎn)方式，其本質(zhì)是液相的油或水驅(qū)替管道內(nèi)部氣體的同時(shí)逐漸充滿整條管道的過程。管道投產(chǎn)的成功與否直接關(guān)系到后續(xù)能否正常生產(chǎn)運(yùn)行，只有投產(chǎn)工作順利推進(jìn)才能為其后的運(yùn)行打下良好的基礎(chǔ)[4-7]。

1 流量控制的意義

空管啟泵進(jìn)水或投油是管道投產(chǎn)不可或缺的重要步驟。輸油管道多采用超聲波流量計(jì)。然而由于流量計(jì)在空管狀態(tài)下無法進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，因此空管啟泵后管輸流量往往處于不可知的狀態(tài)，這無疑為投產(chǎn)工作帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)與隱患[8-9]。

首先，流量控制是離心泵平穩(wěn)工作的保證。每臺離心泵出廠時(shí)都標(biāo)明了其額定工作點(diǎn)和最佳效率點(diǎn)，同時(shí)也對其最小連續(xù)流量和最大流量做了規(guī)定。如果離心泵長時(shí)間低于最小連續(xù)流量或高于最大流量將會產(chǎn)生離心泵振動、電機(jī)過載等一系列問題，不僅會對泵體產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)︱?qū)動電機(jī)造成潛在傷害[10-11]。

其次，管道內(nèi)清管器運(yùn)移速度對流量控制也有要求。管道采用空管投油會在油品出站后發(fā)出一枚油-氣隔離球；水隔離段投油或全線水聯(lián)運(yùn)投油會在水出站后發(fā)送一枚水-氣隔離球。如果投產(chǎn)時(shí)管輸流量過大、清管器運(yùn)移速度過快則很有可能會使清管器結(jié)構(gòu)受損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)诠艿纼?nèi)解體。

最后，流量控制是投產(chǎn)方案的客觀要求。由于整個(gè)管道投運(yùn)工程涉及到工藝、線路、儀表自動化等各個(gè)專業(yè)，投產(chǎn)時(shí)水頭或油頭的速度直接影響到投產(chǎn)工作的整體進(jìn)度與日程計(jì)劃，各專業(yè)也都按照已經(jīng)編制好的進(jìn)度表開展工作[12]。例如：線路組安排人員進(jìn)行跟球、高點(diǎn)與閥室排氣；儀表自動化組進(jìn)行儀表安裝與調(diào)試等。

2 流量計(jì)算

比較常見的一種計(jì)算流量值的方法是通過發(fā)油罐液位進(jìn)行計(jì)算。通常在管道投產(chǎn)前都會提前使用清潔水投用儲油罐，并對儲罐進(jìn)行標(biāo)定做出儲罐容積表（表1）。但采用此方法進(jìn)行流量的計(jì)算也存在一定的技術(shù)缺陷，發(fā)油體積只能在經(jīng)過一個(gè)時(shí)間段后才能夠計(jì)算得出，也即在T2時(shí)刻才可以計(jì)算T1至T2時(shí)刻的發(fā)油量，以此發(fā)油量為參照可近似得到T2時(shí)刻的瞬時(shí)流量。因此，采用這種方法是無法直接獲得某一個(gè)時(shí)刻管道的瞬時(shí)流量的，所以只能采取其他技術(shù)手段通過管路上的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)間接獲知流量值。

表1 儲罐容量表（節(jié)選）

2.1 泵特性曲線法

泵是管輸系統(tǒng)的供能設(shè)備，離心泵則是輸油管道首站給油泵與主泵最常見的類型。離心泵由電機(jī)驅(qū)動在一定轉(zhuǎn)速下向管道內(nèi)的流體提供能量，使其獲得較高的能頭。離心泵在一定轉(zhuǎn)速下的流量與揚(yáng)程、流量與功率、流量與效率和流量與吸入高度的關(guān)系曲線被稱為泵的工作特性曲線（圖1），它們表示泵的工作狀態(tài)[13]。

由此可得流量與揚(yáng)程、功率、效率和吸入高度均具有一一對應(yīng)的關(guān)系，但由于泵揚(yáng)程測量方便，因此可考慮使用離心泵流量-揚(yáng)程曲線（H-Q曲線）進(jìn)行管輸流量的間接計(jì)算。對泵出口壓力與入口壓力直接取差值便可測得泵對流體做功后的壓力增量，根據(jù)液體壓強(qiáng)計(jì)算公式可得離心泵所提供的揚(yáng)程值。

圖1 某管道站場泵工作特性曲線

泵工作特性曲線通常由離心泵廠家將泵完成組裝和調(diào)試后，在實(shí)驗(yàn)臺使用清潔水測得[14-15]。管道投產(chǎn)時(shí)，技術(shù)人員只需在特性曲線圖上按照投產(chǎn)方案規(guī)定的流量找到其對應(yīng)的揚(yáng)程值，使用液體壓強(qiáng)計(jì)算公式便可得到要控制的泵進(jìn)出口壓差。圖1即為典型泵工作特性曲線圖，與其他常見的曲線圖不同的是此圖是泵廠家在實(shí)驗(yàn)臺使用柴油作為測試流體測得的。

2.2 調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)法

輸油管道站場出站側(cè)一般都設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，用以控制管道出站壓力、調(diào)節(jié)管輸流量。同離心泵一樣，調(diào)節(jié)閥也有其固有工作特性，一般使用閥門流量系數(shù)Cv值進(jìn)行表征。Cv值是指閥門在某一給定開度下，60℉（15.556℃）的清潔水通過閥門后產(chǎn)生1 psi（1 psi=6.895 kPa）壓降時(shí)每分鐘的體積（1 gal（美）＝3.785 412 L）[16-18]。由以上定義可知，Cv值是使用美制物理量綱進(jìn)行定義的，不符合我國工程實(shí)際。

式中：Cv為閥門流量系數(shù)，無量綱；Q為通過閥門的流量，gal/min；SG為流體相對密度，無量綱；Δp為通過閥門前后流體的壓力降，psi。

因而需要按照國際通用物理量綱進(jìn)行重新定義：閥門在某一給定開度下，20℃的清潔水通過閥門后產(chǎn)生1 Bar壓降時(shí)每分鐘的體積。

根據(jù)以上定義可得閥門Kv值表達(dá)式以及與Cv值的函數(shù)關(guān)系：

式中：Kv為閥門流量系數(shù)，無量綱；Q為通過閥門的流量，m3/h；SG為流體相對密度，無量綱；Δp為通過閥門前后流體的壓力降，Bar或0.1 MPa。

不管是Cv值還是Kv值，都是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，表示通過閥門的流量和該流量下流體通過閥門時(shí)壓降間的相互關(guān)系[19-20]。

與離心泵工作特性曲線一樣，調(diào)節(jié)閥經(jīng)過生產(chǎn)廠家實(shí)驗(yàn)室測試后形成閥門開度變化與對應(yīng)Cv值曲線圖，管道投產(chǎn)時(shí)調(diào)度指揮人員只需取得調(diào)節(jié)閥開度與調(diào)節(jié)閥前后壓差便可計(jì)算得到管輸流量。圖2即為某輸油管道首站出站壓力調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)曲線圖。

圖2 某管道站場調(diào)節(jié)閥工作特性曲線

3 管道投產(chǎn)實(shí)例

我國某成品油管道附屬分輸支線全長55.7 km，管徑406.4 mm，設(shè)計(jì)壓力3 MPa。由于該管線出站未設(shè)置流量計(jì)，因此流量的計(jì)算與控制是投產(chǎn)試運(yùn)工作的難點(diǎn)。根據(jù)投產(chǎn)方案規(guī)定，管道投產(chǎn)采用空管投油（柴油推氮?dú)猓┑姆绞?，投產(chǎn)時(shí)柴油外輸流量控制在500 m3/h。

通過查詢泵工作特性曲線圖，當(dāng)外輸流量為500 m3/h時(shí)，泵所提供的揚(yáng)程約為330 m，投產(chǎn)時(shí)所用油品為柴油，其密度為837.7 kg/m3。經(jīng)以上數(shù)據(jù)計(jì)算可得，在輸量為500 m3/h的工況下，流體經(jīng)過泵加壓后其壓力應(yīng)增加2.71 MPa。

但通過調(diào)節(jié)閥流量特性進(jìn)行管輸流量瞬時(shí)值的計(jì)算較為繁瑣，由于調(diào)節(jié)閥在不同開度其Cv值并不相同，因此需要結(jié)合曲線圖與Cv值計(jì)算公式來確定。只要獲得某一工況下調(diào)節(jié)閥前后壓力以及閥門開度，便可計(jì)算出管道流量。

例如：投產(chǎn)過程中泵入口壓力為0.65 MPa，出口壓力為3.45 MPa，差值為2.8 MPa，略高于控制的目標(biāo)壓力差。由離心泵工作特性可知管輸流量略低于500 m3/h，調(diào)度員可適當(dāng)開啟調(diào)節(jié)閥增大流量。

同時(shí)，該工況下出站壓力為1.03 MPa，調(diào)節(jié)閥開度39%，通過查圖可得該開度下閥門Cv值約為106，轉(zhuǎn)換為Kv值約為90.8，計(jì)算可得通過調(diào)節(jié)閥的流量約為488 m3/h。此結(jié)果與泵工作特性曲線所得數(shù)據(jù)基本一致。

4 結(jié)論

管道投產(chǎn)時(shí)在站場流量計(jì)不具備使用條件時(shí)，利用離心泵工作特性曲線中的H-Q曲線與調(diào)節(jié)閥工作特性曲線獲知管輸流量，實(shí)踐證明此方法計(jì)算簡便、實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)兩種方法還可以互相印證。在管道正常運(yùn)行時(shí)，如遇到流量計(jì)量設(shè)備故障，調(diào)度員無法進(jìn)行流量監(jiān)控時(shí)，也可以采用以上方法對管道流量進(jìn)行估算。