长距离输油管道中的水击保护设计
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在工程设计中, 为了保证水击泄放阀的有效工 作, 同时也为了提高整个管道系统的安全性, 必须准 确的计算出整个管道系统的最大水击压力和水击泄 放阀需要提供的水击泄放量。对于水击压力的计算, 在很多的水力学文献中均有提及, 但常规的手工计 算只能提供一个相对准确的理论值, 并且未考虑到 地形起伏变化所带来的净液柱压力影响, 同时也为 考虑随着输送距离的变化, 油品的温度、粘度和流速 等因素的影响, 因此难以作为工程设计中选择泄放 阀的依据。
在目前的输油管道设计中, 最常采用的是 GL Indust rial Services 公 司 的 SP S ( St oner Pipeline Simulat or ) 软件, 该软件在精确的模拟分析液体和 气体管道系统水力学性能方面有着非常强大的功 能。在软件中建立整个管道系统的计算模型, 定义管
管道系统中的阀门快速启闭, 增压装置( 泵或压 缩机等) 的突然停机, 介质流向和流速的突然改变等 都会产生水击。水击可导致管道系统的强烈震动, 产 生噪音和气穴, 严重的水击可能导致管道的变形甚 至爆裂。
水击对输油管道的直接危害包括两种情况: 一 是水击的增压波( 高于正常运行压力的压力波) 有可 能使管道压力超过允许的最大工作压力, 使管道破 裂; 二是减压波( 低于正常运行压力的压力波) 有可 能使稳态运行时压力较低的管段压力降至液体的饱 和蒸汽压, 引起液流分离( 在管路高点形成气泡区, 液体在气泡下面流过) 。对于建有中间泵站的长距离 管道, 减压波还可能造成下游泵站进站压力过低, 影 响下游泵机组的正常吸入。
压强变化要比天然气管道大很多, 水击影响也要严 重很多。因此, 在长距离输油管道工程设计中, 必须 进行水击模拟计算, 并研究防治和削弱水击作用的 措施。 3 水击保护方法
通常采用以下两种方法来解决水击问题, 即泄 放保护及超前保护。泄放保护是在管道上装有自动 泄压阀系统, 当水击增压波导致管内压力达到一定 值时, 通过阀门泄放出一定量的油品, 从而削弱增压 波, 防止水击造成危害。超前保护是在产生水击时, 由管道控制中心迅速向有关泵站发出指令, 各泵站 采取相应的保护动作, 以避免水击造成危害。例如, 当中间泵站突然停泵时, 泵站进口将产生一个增压 波向上游传播, 这个压力与管道中原有的压力叠加, 就可能在管道中某处造成超压而导致管道破裂。此 时若上游泵站借助调压阀节流或通过停泵产生相应 的减压波向下游传播, 则当减压波与增压波相遇时 压力互相抵消, 从而起到保护作用。
在长距离输油管道中, 水击压力的大小和传播 过程与管道条件、引起流速变化的原因及过程、油品 物性、管道正常运行时的流量及压力等有关( 对于输 油管道, 管道中液流骤然停止引起的水击压力上升 速 率可达 1 兆帕/ 秒, 水击压力上升幅度可 达 3 兆 帕) 。由于液体的不可压缩性, 由上述原因所产生的
图 1 有无水击泄放保护的压力- 反应时间典型曲线图
X 收稿日期: 2012- 03- 15 作者简介: 刘云忠( 1980—) , 2003 年 本科毕业于西安石 油大学油气储运专 业, 2008 年研 究生同时毕 业于中国石 油大学 ( 北京) 油气田开发专业 及俄罗斯乌法国立 石油技术大学油气储 运专业, 现 就职于中国石化集 团国际石油勘 探开发有限公司( Sinopec Inter nat ional Petr oleum Explor ation a nd Pr oduct ion Cor por ation) , 中级职称, 从事 油气田地面建设工作。
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内蒙古石油化工 2012 年第 10 期
X
长距离输油管道中的水击保护设计
刘云忠1, 朱永辉2, 王志会2, 高明霞2, 黄 河3
( 1. 中国石化集团国际石油勘探开发 有限公司, 北京 100041;
2. 中原石油勘探局勘探设计研究院; 3. 中原石油勘探 局工程建设总公司, 河南 濮阳 457001)
目前已经有专门针对水击超压的水击泄放阀应 用在输油管道中, 其中以 Danflo、Dresser 和 Grove 的水击泄放阀应用的最为广泛。水击泄放阀的工作 原理类似于安全阀, 当管道系统的压力超过水击泄 放阀的设定压力时, 阀门打开, 管道内的流体通过泄 放管道进入泄放罐, 使得管道系统压力不超过允许 的最大压力。常见的水击泄放阀包括阀门本体、氮气 系统和仪表控制系统, 氮气系统给阀门的启闭提供 动力源。阀门在管路中的安装如图 2:
1 水击及其产生原因 在压力输送管道中, 当输送的介质流速发生急
剧变化所引起的压强大幅度波动, 并在管道内传播 的现象, 称之为水击( 或水锤) 。
若水击在管道内传播的速度以 c 表示( 称为水 击波传播速度) , 管道长度( 从进口到阀门、机泵的距 离) 以L 表示, 则tr = 2L/ c 称为水击相。若阀门、机泵 的关闭时间 Ts< tr , 称为管道内发生直接水击; 而 T s > t r 时发生的水击, 称为间接水击[ 1] 。 2 水击危害
图 2 水击泄放阀的典型安装图
4 水击计算 水击计算的目的主要有两点: [ 2] 显示在无任
何水击保护措施时, 输油管道各处, 在任何时间所出 现的最高与最低压力, 以确定是否需要采取保护措 施; 当采取某种水击保护措施时, 显示输油管道各 处在任何时间所出现的最高与最低压力, 以判断保 护措施是否得当。
[ 参考文源自文库]
[ 1] 李炜 . 水力计算手册( 第二版) [ M] . 北京: 中 国水利水电出版社, 2006, ( 2) .
[ 2] 中国石油天然气总公司 . 石油地面工程设计 手册 第四册 原油长输管道工程设计[ M] . 北 京: 石油大学出版社, 1994, ( 10) .
道的设计参数, 输入管道沿线的里程和高程变化, 同 时将各关键的控制点( 如输油泵、ESDV 和线路切断 阀) 的控制参数进行定义, 通过对输油泵的启停和阀 门的开关来模拟在实际的运行过程中不同原因引起 的不同时间内、不同点的压力、温度和介质粘度等参 数的变化。同时也可以在计算机模拟系统中增加水 击泄放系统, 查看不同泄放阀口径和泄放压力下的 泄放流量。
从削弱水击影响的角度看, 水击泄放系统应位 于管道系统中可能会产生最大水击压力的位置, 这 样才能达到最好的效果。但在实际工程中, 水击泄放 系统一般都在站内设置, 这样做的好处是运行管理 方便, 弊端是水击泄放系统不能最大限度的削弱水 击影响, 在设计中需要通过增大水击泄放阀的口径 和降低水击泄放压力来实现管道系统的水击保护。 如果管道产生最大水击压力的位置距离站场较远, 同时管道沿线人烟稀少, 人员活动对管道安全运行 影响非常微弱时, 可以考虑将水击泄放系统设置在 产生最大水击压力的位置。 5 结束语
在计算机工程模拟软件高度发展的今天, 越来 越多的工程设计人员均依赖于计算软件 的模拟成 果。作为软件本身而言, 其模拟成果与现场实际运行 情况有高的符合性, 其计算结果也有很高的精确度, 但作为工程设计人员而言, 必须从根本上明确水击 产生的机理和其影响因素, 为软件的计算提供更为 准确的基础参数, 为软件的精确度提供基础。同时也 需要准确的评判软件的模拟成果, 在工程设计和项 目投资之间做出最佳的选择。
在确定整个管道系统的最大水击压力后, 我们 就可以相应的采取防水击保护的措施。根据《输油管 道工程设计规范》( GB50253- 2003) 的规定: 在正常 操作条件下, 由于水击和其他因素造成的瞬间最大 压力值, 在管道系统中的任何一点都不得超过输油 管道设计内压力的1. 1 倍。一般情况下, 当计算出的 最大水击压力超出规范允许值较小时, 可以通过对 管道材质的优化和壁厚增加等途径来满足最大水击 压力的要求, 而不用采取其他的管道保护措施。如果 计算出的最大水击压力超出规范允许值较大时, 则 必须设计水击泄放系统来削弱水击影响, 防止水击 造成危害。
摘 要: 分析了长距离输油管道中水击产生的原因、水击危害以及常用的水击保护方法, 重点阐述 和分析了实际工程设计中的水击保护系统, 同时指出了在实际工程设计中应选择的水击保护设计方式 和应注意的细节问题。
关键词: 输油管道; 水击; 设计; 水击泄放阀; SPS 软件 中图分类号: T E832. 2 文献标识码: A 文章编号: 1006—7981( 2012) 10—0056—02
2012 年第 10 期 刘云忠等 长距离输油管道中的水击保护设计
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但在实际运行过程中, 我们很难采取超前保护 的方式对管道水击现象进行防护, 主要原因有两点: 一是水击的发生有很大的不可预见性, 通常都是由 于阀门、机泵的误操作和系统失电造成的增压设备 突然停用所产生的; 而是由于水击的产生过程非常 短暂, 没有足够的反应时间去采取预先保护措施。因 此在实际工程设计中, 大多都是选择自动的水击泄 放系统来对削弱水击所产生的影响, 使其不会对整 个管道系统产生大的影响。水击泄放保护对于管道 系统的压力波动影响如图 1 所示。
在目前的输油管道设计中, 最常采用的是 GL Indust rial Services 公 司 的 SP S ( St oner Pipeline Simulat or ) 软件, 该软件在精确的模拟分析液体和 气体管道系统水力学性能方面有着非常强大的功 能。在软件中建立整个管道系统的计算模型, 定义管
管道系统中的阀门快速启闭, 增压装置( 泵或压 缩机等) 的突然停机, 介质流向和流速的突然改变等 都会产生水击。水击可导致管道系统的强烈震动, 产 生噪音和气穴, 严重的水击可能导致管道的变形甚 至爆裂。
水击对输油管道的直接危害包括两种情况: 一 是水击的增压波( 高于正常运行压力的压力波) 有可 能使管道压力超过允许的最大工作压力, 使管道破 裂; 二是减压波( 低于正常运行压力的压力波) 有可 能使稳态运行时压力较低的管段压力降至液体的饱 和蒸汽压, 引起液流分离( 在管路高点形成气泡区, 液体在气泡下面流过) 。对于建有中间泵站的长距离 管道, 减压波还可能造成下游泵站进站压力过低, 影 响下游泵机组的正常吸入。
压强变化要比天然气管道大很多, 水击影响也要严 重很多。因此, 在长距离输油管道工程设计中, 必须 进行水击模拟计算, 并研究防治和削弱水击作用的 措施。 3 水击保护方法
通常采用以下两种方法来解决水击问题, 即泄 放保护及超前保护。泄放保护是在管道上装有自动 泄压阀系统, 当水击增压波导致管内压力达到一定 值时, 通过阀门泄放出一定量的油品, 从而削弱增压 波, 防止水击造成危害。超前保护是在产生水击时, 由管道控制中心迅速向有关泵站发出指令, 各泵站 采取相应的保护动作, 以避免水击造成危害。例如, 当中间泵站突然停泵时, 泵站进口将产生一个增压 波向上游传播, 这个压力与管道中原有的压力叠加, 就可能在管道中某处造成超压而导致管道破裂。此 时若上游泵站借助调压阀节流或通过停泵产生相应 的减压波向下游传播, 则当减压波与增压波相遇时 压力互相抵消, 从而起到保护作用。
在长距离输油管道中, 水击压力的大小和传播 过程与管道条件、引起流速变化的原因及过程、油品 物性、管道正常运行时的流量及压力等有关( 对于输 油管道, 管道中液流骤然停止引起的水击压力上升 速 率可达 1 兆帕/ 秒, 水击压力上升幅度可 达 3 兆 帕) 。由于液体的不可压缩性, 由上述原因所产生的
图 1 有无水击泄放保护的压力- 反应时间典型曲线图
X 收稿日期: 2012- 03- 15 作者简介: 刘云忠( 1980—) , 2003 年 本科毕业于西安石 油大学油气储运专 业, 2008 年研 究生同时毕 业于中国石 油大学 ( 北京) 油气田开发专业 及俄罗斯乌法国立 石油技术大学油气储 运专业, 现 就职于中国石化集 团国际石油勘 探开发有限公司( Sinopec Inter nat ional Petr oleum Explor ation a nd Pr oduct ion Cor por ation) , 中级职称, 从事 油气田地面建设工作。
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内蒙古石油化工 2012 年第 10 期
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长距离输油管道中的水击保护设计
刘云忠1, 朱永辉2, 王志会2, 高明霞2, 黄 河3
( 1. 中国石化集团国际石油勘探开发 有限公司, 北京 100041;
2. 中原石油勘探局勘探设计研究院; 3. 中原石油勘探 局工程建设总公司, 河南 濮阳 457001)
目前已经有专门针对水击超压的水击泄放阀应 用在输油管道中, 其中以 Danflo、Dresser 和 Grove 的水击泄放阀应用的最为广泛。水击泄放阀的工作 原理类似于安全阀, 当管道系统的压力超过水击泄 放阀的设定压力时, 阀门打开, 管道内的流体通过泄 放管道进入泄放罐, 使得管道系统压力不超过允许 的最大压力。常见的水击泄放阀包括阀门本体、氮气 系统和仪表控制系统, 氮气系统给阀门的启闭提供 动力源。阀门在管路中的安装如图 2:
1 水击及其产生原因 在压力输送管道中, 当输送的介质流速发生急
剧变化所引起的压强大幅度波动, 并在管道内传播 的现象, 称之为水击( 或水锤) 。
若水击在管道内传播的速度以 c 表示( 称为水 击波传播速度) , 管道长度( 从进口到阀门、机泵的距 离) 以L 表示, 则tr = 2L/ c 称为水击相。若阀门、机泵 的关闭时间 Ts< tr , 称为管道内发生直接水击; 而 T s > t r 时发生的水击, 称为间接水击[ 1] 。 2 水击危害
图 2 水击泄放阀的典型安装图
4 水击计算 水击计算的目的主要有两点: [ 2] 显示在无任
何水击保护措施时, 输油管道各处, 在任何时间所出 现的最高与最低压力, 以确定是否需要采取保护措 施; 当采取某种水击保护措施时, 显示输油管道各 处在任何时间所出现的最高与最低压力, 以判断保 护措施是否得当。
[ 参考文源自文库]
[ 1] 李炜 . 水力计算手册( 第二版) [ M] . 北京: 中 国水利水电出版社, 2006, ( 2) .
[ 2] 中国石油天然气总公司 . 石油地面工程设计 手册 第四册 原油长输管道工程设计[ M] . 北 京: 石油大学出版社, 1994, ( 10) .
道的设计参数, 输入管道沿线的里程和高程变化, 同 时将各关键的控制点( 如输油泵、ESDV 和线路切断 阀) 的控制参数进行定义, 通过对输油泵的启停和阀 门的开关来模拟在实际的运行过程中不同原因引起 的不同时间内、不同点的压力、温度和介质粘度等参 数的变化。同时也可以在计算机模拟系统中增加水 击泄放系统, 查看不同泄放阀口径和泄放压力下的 泄放流量。
从削弱水击影响的角度看, 水击泄放系统应位 于管道系统中可能会产生最大水击压力的位置, 这 样才能达到最好的效果。但在实际工程中, 水击泄放 系统一般都在站内设置, 这样做的好处是运行管理 方便, 弊端是水击泄放系统不能最大限度的削弱水 击影响, 在设计中需要通过增大水击泄放阀的口径 和降低水击泄放压力来实现管道系统的水击保护。 如果管道产生最大水击压力的位置距离站场较远, 同时管道沿线人烟稀少, 人员活动对管道安全运行 影响非常微弱时, 可以考虑将水击泄放系统设置在 产生最大水击压力的位置。 5 结束语
在计算机工程模拟软件高度发展的今天, 越来 越多的工程设计人员均依赖于计算软件 的模拟成 果。作为软件本身而言, 其模拟成果与现场实际运行 情况有高的符合性, 其计算结果也有很高的精确度, 但作为工程设计人员而言, 必须从根本上明确水击 产生的机理和其影响因素, 为软件的计算提供更为 准确的基础参数, 为软件的精确度提供基础。同时也 需要准确的评判软件的模拟成果, 在工程设计和项 目投资之间做出最佳的选择。
在确定整个管道系统的最大水击压力后, 我们 就可以相应的采取防水击保护的措施。根据《输油管 道工程设计规范》( GB50253- 2003) 的规定: 在正常 操作条件下, 由于水击和其他因素造成的瞬间最大 压力值, 在管道系统中的任何一点都不得超过输油 管道设计内压力的1. 1 倍。一般情况下, 当计算出的 最大水击压力超出规范允许值较小时, 可以通过对 管道材质的优化和壁厚增加等途径来满足最大水击 压力的要求, 而不用采取其他的管道保护措施。如果 计算出的最大水击压力超出规范允许值较大时, 则 必须设计水击泄放系统来削弱水击影响, 防止水击 造成危害。
摘 要: 分析了长距离输油管道中水击产生的原因、水击危害以及常用的水击保护方法, 重点阐述 和分析了实际工程设计中的水击保护系统, 同时指出了在实际工程设计中应选择的水击保护设计方式 和应注意的细节问题。
关键词: 输油管道; 水击; 设计; 水击泄放阀; SPS 软件 中图分类号: T E832. 2 文献标识码: A 文章编号: 1006—7981( 2012) 10—0056—02
2012 年第 10 期 刘云忠等 长距离输油管道中的水击保护设计
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但在实际运行过程中, 我们很难采取超前保护 的方式对管道水击现象进行防护, 主要原因有两点: 一是水击的发生有很大的不可预见性, 通常都是由 于阀门、机泵的误操作和系统失电造成的增压设备 突然停用所产生的; 而是由于水击的产生过程非常 短暂, 没有足够的反应时间去采取预先保护措施。因 此在实际工程设计中, 大多都是选择自动的水击泄 放系统来对削弱水击所产生的影响, 使其不会对整 个管道系统产生大的影响。水击泄放保护对于管道 系统的压力波动影响如图 1 所示。