劉洪明，杜明俊，李惠杰，郝澤才，楊 威，王 建

（1. 中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司, 河北 任丘 062552； 2. 華北油田公司基建工程部, 河北 任丘 062552）

在成品油庫發(fā)油系統(tǒng)中，閥門的突然啟閉會導致管道中流體的流速瞬時加劇，形成水擊。實驗研究表明[1]，管道發(fā)生水力瞬變所引起的壓力升降具有較高的頻率，且該壓力變化幅值可達到正常管壓的幾倍、幾十倍甚至上百倍[2]。管內(nèi)壓力的大幅波動易引起管道強振，造成局部管段液柱分離、儀表失效等破壞，有時甚至引發(fā)爆管泄漏等重大事故[3]。因此，對于工程設計單位來說，模擬水擊工況，制定合理有效的防護措施，將水擊壓力控制在正常范圍內(nèi)，對后期運行來說具有重要的實際意義。

大量計算和現(xiàn)場試驗表明：水擊過程對閥門的調(diào)節(jié)規(guī)律、摩阻損失、機泵特性、水擊波速等因素的變化十分敏感[4]。其中，調(diào)節(jié)規(guī)律對水擊的影響最為顯著[5]。因此，合理設定閥門的調(diào)節(jié)范圍，可有效防止水擊破壞。以某成品油庫為例，利用SPS軟件建立了發(fā)油系統(tǒng)物理模型和邏輯控制關系，數(shù)值模擬了發(fā)油區(qū)火災事故，氣動閥緊急關斷時的水擊工況，重點分析了氣動閥關閉時間對發(fā)油系統(tǒng)水力瞬變的影響。所得成果可為預防水擊破壞和優(yōu)化泄壓流程提供一定的理論指導。

1 模型建立

1.1 物理模型

某成品油庫汽車發(fā)油系統(tǒng)，采用1泵對3鶴位方式發(fā)油，變頻控制。泵額定流量300 m3/h，額定揚程45 m，單鶴管發(fā)油量100 m3/h，氣動閥安裝在發(fā)油島上。當火災事故時，氣動閥關閉，同時連鎖停泵，防止溢油。這里以柴油發(fā)油為例，采用 SPS建立的物理模型見圖1。

圖1 汽車發(fā)油系統(tǒng)物理模型Fig.1 Automobile oil system physical model

1.2 數(shù)學模型

氣動閥在突然關閉過程中，由于閥芯面積減小，流量降低，導致閥兩側(cè)壓力不斷變化。根據(jù)瞬變流動理論，建立閥門關閉過程的水擊控制方程如下：

連續(xù)性方程：

運動方程：

式中：V為流速，m/s；P為壓力，MPa；D管道內(nèi)徑，m；α管道與水平方向夾角。

1.3 氣動閥關閉時間

相關規(guī)范規(guī)定：汽車發(fā)油區(qū)設置氣動閥的最初目的是為了防止罐車發(fā)生溢油事故，造成火災；而正常工況下槽車防溢油探針到罐頂?shù)目臻g取決于槽車的容積大小，即氣動閥允許關閉時間取決于槽車容積：根據(jù)規(guī)范提供的算法，得出不同容積槽車，正常作業(yè)時氣動閥允許的最長關斷時間見表1。

表1 氣動閥允許關斷時間Table 1 Pneumatic valve allowable turn of ftime

由表1可知：在正常運行過程中，氣動閥允許的關斷時間相對較長，但實際設計時通常設定較短的關斷時間，目的是在事故狀態(tài)下，盡快切斷流程。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)定發(fā)油工況

圖2給出了3鶴管同時穩(wěn)定發(fā)油的水力計算數(shù)據(jù)，計算表明：該工藝設計方案，滿足實際運行要求。

圖2：0#柴油穩(wěn)定發(fā)油過程的水力坡降圖Fig.2 Hydraulic grade figure of 0 # diesel oil stable oil process

2.2 火災事故工況

假設發(fā)油島（3鶴管同時發(fā)油）正在裝車作業(yè)時，突發(fā)火災事故，氣動閥關斷，同時連鎖停泵。氣動閥關斷時間對管道系統(tǒng)的水擊壓力變化影響較大。這里討論氣動閥3、10、15 s三種關斷時間下管道的水擊壓力變化情況。

圖3、4分別給出了氣動閥3 s關斷，發(fā)油系統(tǒng)的水力變化過程圖。分析可知：在氣動閥關死時刻，閥前產(chǎn)生最大瞬時壓頭，隨著時間的延長，增壓波向上游傳遞，由圖4可以看出，SPS軟件記錄的管道各點的瞬時最大壓力均超過1.6 MPa（設計壓力），大部分管段壓力超過2.0 MPa。氣動閥3 s關斷雖緊急切斷了流程，但其誘發(fā)的次生危害同樣影響著系統(tǒng)的安全性。

因此，氣動閥3 s關斷不合理。

2.2.1 氣動閥3 s關斷工況

圖3 閥門關死時刻的水擊壓頭變化Fig.3 Water hammer pressure head changes of Valve closing time

圖4 最大瞬時壓力及穩(wěn)定后壓力變化Fig.4 The maximum instantaneous pressure and pressure changes after stability

2.2.2 氣動閥10 s關斷工況

圖5、6分別給出了氣動閥10 s關斷，發(fā)油系統(tǒng)的水力變化過程圖。分析可知：在氣動閥關死時刻，閥前產(chǎn)生最大瞬時壓頭，且末端最大瞬時壓頭幾乎臨界于管道允許最大承壓；隨著時間的延長，增壓波向上游傳遞，由圖6可以看出，SPS軟件記錄的管道各點瞬時最大壓力絕大部分均低于 1.6 MPa（設計壓力），只有增壓波傳至泵出口時，水擊壓力才略超出管道設計壓力，且超壓時間極短，以至于泄壓閥剛啟動即關閉。根據(jù)1.6 MPa閥門、管件的設計標準,瞬時承受不超過2.0 MPa的壓力是沒問題的，因此，氣動閥10 s關斷可認為是合理的。

圖5 閥門關死時刻的水擊壓頭變化Fig.5 Water hammer pressure head changes of Valve closing time

圖6 最大瞬時壓力及穩(wěn)定后壓力變化Fig.6 The maximum instantaneous pressure and pressure changes after stability

2.2.3 氣動閥15 s關斷工況

圖7、8分別給出了氣動閥15 s關斷，發(fā)油系統(tǒng)的水力變化過程圖。分析可知：也是在氣動閥關死時刻，閥前產(chǎn)生最大瞬時壓頭，但最大瞬時壓頭未超過管道允許最大承壓；隨著時間的延長，增壓波向上游傳遞，由圖8不難看出，SPS軟件記錄的管道各點的最大瞬時水擊壓力均低于1.6 MPa；結(jié)合上述2種分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣動閥關閉時間相對越長，產(chǎn)生的水擊壓力越小，但時間過長，流體不斷流出，事事故工況下也會增大危險性，因此，本工程氣動閥關斷時間在10～15 s時間較為合理。

圖7 閥門關死時刻的水擊壓頭變化Fig.7 Water hammer pressure head changes of Valve closing time

圖8 最大瞬時壓力及穩(wěn)定后壓力變化Fig.8 The maximum instantaneous pressure and pressure changes after stability

3 結(jié)論及建議

（1）氣動閥關斷時間，不能只考慮盡快切斷發(fā)油流程，同時要分析快速關斷過程誘發(fā)的其它次生危害——如水擊等。

（2）閥門調(diào)節(jié)規(guī)律對水擊的影響最為顯著。合理設定氣動閥的調(diào)節(jié)范圍,可有效防止水擊破壞。

（3）考慮事故工況需緊急切斷流程并防止次生水擊危害，對于本工程來說建議氣動閥關斷時間在10～15 s為宜。

［1］杜明俊，商峰，熊新強等基于SPS的成品油管道水擊超前保護工分析[J].當代化工 2013，42（10）；1388-1391.

［2］李樹慧.水擊方程的完善與計算方法[D].鄭州：鄭州大學碩士學位論文，2006-05.

［3］熊輝.原油管道仿真系統(tǒng)的開發(fā)[D].東營：中國石油（華東）大學碩士學位論文，2010-05.

［4］宋生奎，宮敬，于達.利用閥調(diào)節(jié)控制管道加油系統(tǒng)的水力壓力[J]油氣儲運，2007，26（3）,39-43.

［5］趙會軍，李俊玲，劉凱等.油庫發(fā)油系統(tǒng)水擊控制關斷方案[J]油氣儲運，2009,28（10）,22-25.