华北管网水击保护控制系统的设计及应用

华北管网水击保护控制系统的设计及应用

【摘要】华北原油管网肩负着给华北地区各炼化企业提供原油。该管网采用加热密闭输送工艺。由于流程切换和事故将引起水击现象。华北管网采用了压力调节、水击超前保护和水击泄放保护的联合水击保护控制系统。保证原油管道安全平稳运行。

【关键词】水击；控制；泄压阀

1.引言

华北原油管网是中石化近期建成的大型输油管道，分段加热密闭输送多种进口原油至华北地区天津石化、燕山石化、沧州炼化、石家庄炼油厂等石化企业。其中燕山石化和天津石化两家原油加工企业作为我国华北地区的重要企业，不仅是石化集团公司暨石化股份公司的重要成员，而且对当地的社会经济发展也具有重大的影响。京津唐经济圈的快速发展，使得成品油和化工产品需求大幅增长，需要炼化企业扩大生产规模。华北原油管网拥有曹妃甸、汉沽、天津、南疆、沧州、石家庄、廊坊、牛口峪等多个输油站场，分期建有塘燕线、曹津线、河石线、天河线等多条输油干线，以输送进口原油为主，解决了华北地区原油供应不足和供应不稳定的问题，提供了高效畅通的运输手段，降低了运输成本，为华北地区的经济发展作出重要贡献。

2.水击产生原因及危害

从原油管道运行管理角度分析，引起管道系统流量突变并发生水击的因素有两类：一类是有计划的调整输量或切换流程，另一类是事故引起的流量变化。前者包括计划调整流量（如启/停中间泵站、泵站启/停泵、泵机组调速），计划改变流程（如管道首末站倒罐，管道分支线路启/停）。后者包括管道泄漏、泵站突然停电，泵机组故障停机，调节阀动作失灵误关闭，干线截断阀关闭等。水击产生的增压波叠加在原有的压力之上，形成的压力波值超出了管道允许的弹性值及设备的承压能力时，引起输油管道和输油设备的损坏，严重时造成爆管事故的发生，威胁管道运行安全。

如果保护措施不到位，常见后果有：法兰轴向撕开，管道焊接处爆裂，管道纵向爆裂，泵从连接处断裂，管道及管道支撑、过滤器和泄压罐等严重受损，管道上的各种仪表不能正常工作等。这种情况往往发生在密闭输送的出站端和进站端。尤其是在密闭输送状态下的突然断电造成停泵、阀门的快速开启和关断、打孔盗油引起堵塞或泄漏、站场控制仪表失灵造成误操作、炼厂接油误操作等等，都会使稳定状态遭到破坏。

有计划调整流量可以在调整过程中采取顺序停泵、缓慢开关阀门等措施有意识地加以防范。事故引起的流量突变可以归纳为中间泵站停电、阀门快速关闭和调节阀误关闭三种情况。

第一种情况，中间泵站意外停电，使全部运行中的泵机组处于减速中，引起管内水力瞬变，泵站排量迅速减小，出站压力迅速下降，且向下游方向产生减压波；进站压力迅速上升，且向上游产生增压波。这种情况对泵站的进站端产生危害。

第二种情况，当阀门快速关闭，稳态流动的流体受到外力作用后停止流动，动能减少，原油在自身惯性作用下压缩体积并扩张管子直径，动能转化为压缩液体和膨胀管道的弹性势能。停止流动后，压缩液体在分子间斥力作用下膨胀，膨胀管道在原子间引力作用下收缩，共同推动原油流动，势能转化为动能。阀门的上游是增压波，压力增加；阀门下游是减压波，压力下降。这种情况对泵站的下载端产生危害。

第三种情况，中间泵站出站调节阀控制失灵误关闭，在上游泵站的充装作用下事故站的进站压力会上升，此压力与事故泵站提供的外输压力形成压力波叠加，有可能造成泵站出口管道的破坏。

3.压力调节和水击控制系统

华北管网原油管道压力调节与水击控制系统采用了集中控制方式，实时准确地监控全线运行工况，采用调节、控制与保护措施控制水击，以达到全线密闭输送，安全、平稳、低耗运行的目的。

3.1 压力自动调节系统

压力自动调节系统是长输管道必不可少的装置，用以控制泵站的进泵压力不低于泵允许最低吸入压力，出站压力不高于管线的设计压力，控制水击，确保全线安全平稳地运行。调节方式采用首站出站调节阀节流调节。

3.2 压力自动保护系统

当上游站或下游站发生水击后，本站调节阀无法动作或者调节速度过缓，而进出站压力又超限时，由站控PLC系统执行泵站自动停泵程序，消除增压的根源，确保站内设备和管道的安全。

3.3 水击控制系统

水击控制方法采用泄放保护和超前保护。

3.3.1 泄放保护

根据水击程序分析的结果和具体情况，在泵站安装泄压阀，当水击发生时，通过泄压阀泄放部分液流，控制水击，减少水击对管道和设备可能造成的危害。通过泄放部分流体控制水击的方法应用最为广泛，对于任何原因引起的水击情况

采取泄放保护是最直接有效实时的保护措施。

若站与站之间采用变壁厚设计，则各站进、出站端均需设置泄压阀，以确保干线的安全，同时站内下载端也需要设置低压泄压阀来保证罐前阀及其它站内阀门误操作时站内输油设施的安全。此处泄压阀有保护站内设施不会受到水击破坏的作用。当进站压力超高时，低压泄压阀开启，将部分油品泄入泄放罐，使末站入口压力降至正常值，当进出站压力恢复到正常值时，泄压阀自动关闭，从而保证管道运行安全。华北管网原油管道各泵站进出站端均设有泄压阀。

3.3.2 超前保护

在某站出现突然停电或误关阀时，事故点会向上游传递增压波，向下游传递减压波。对此，可以采用上站部分停泵的方法制造减压波，与事故点的增压波迭加后相互抵消，使水击波受到拦截，从而消除或减弱水击的危害。

4.设备选型

水击泄压阀由阀门本体和驱动单元两部分组成。根据阀门本体结构，水击泄压阀分为充装式和轴流式。根据驱动力的来源，水击泄压阀分为自力式和他力式。根据其驱动力类型，水击泄压阀分为先导式和氮气式。

先导式水击泄压阀属于自力式泄压阀其驱动力为管道中的介质压力取压点在水击泄压阀的上游管线上通过感应导管压力传递到导阀中由于先导式水击泄压阀以管道中的压力为驱动力，确保压力导管畅通是关键，这就要求管道中介质的黏度要小。所以先导式水击泄压阀，主要用于成品油管道中。

氮气式水击泄压阀属于他力式泄压阀阀门本体还是轴流阀门，驱动力是氮气，有一套完整的氮气驱动单元。主要包括氮气控制柜、引压管、压力表、充气阀、泄压阀、截断阀和温差补偿瓶。

氮气式水击泄压阀阀门本体中只有一个通道与氮气导管相连，氮气直接进入密闭的阀腔，而且压力是相对稳定的。氮气控制系统提供的压力和平衡弹簧压力一起平衡阀前上游介质的压力，当上游介质压力等于或小于氮气压力与平衡弹簧压力之和时，阀关闭；反之，阀开启，管线泄压。

氮气式水击泄压阀对介质黏度的要求不高，适用于原油管道。

华北管网工程输送的原油介质黏度高，因此华北管网水击控制系统选用氮气控制式泄压阀。

5.应用

华北管网原油管道采用了压力调节、水击超前保护和水击泄放保护的联合水击保护控制系统。该系统的设计及其投用，从根本上解决了水击产生的危害，确