吳冀蘇

(廣東石油倉儲分公司,廣東廣州 510000)

有效控制油庫水擊現(xiàn)象的相關(guān)措施

吳冀蘇

(廣東石油倉儲分公司,廣東廣州 510000)

隨著國際石油市場的風(fēng)云變幻,與石油資源相關(guān)的石油儲運(yùn)早已得到各國的重視研究,其自動(dòng)化程度要求越來越高,系統(tǒng)運(yùn)行要求越來越完善。而油庫發(fā)油系統(tǒng)作為石油儲運(yùn)的一部分,在我國經(jīng)歷了由集中式發(fā)油系統(tǒng)向集散式發(fā)油系統(tǒng)改進(jìn)的歷程,在自動(dòng)化水平、技術(shù)、功能和規(guī)模等方面都得到了很大提高。而水擊現(xiàn)象——作為油庫發(fā)油系統(tǒng)中始終不可避免的重要難題之一,也在逐步獲取更合理的控制措施。在油庫發(fā)油系統(tǒng)中,通常會發(fā)生水擊現(xiàn)象, 一旦發(fā)生水擊現(xiàn)象,將造成嚴(yán)重危害。本文即在簡單介紹水擊現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,主要探討為了控制水擊發(fā)生所采取的優(yōu)化關(guān)、安裝泄壓設(shè)備以及水擊波攔截等相關(guān)措施。

油庫發(fā)油 水擊現(xiàn)象 控制措施

1　水擊的危害

可見，水擊對油庫發(fā)油系統(tǒng)的影響不容忽視，需要采取一定措施，將水擊控制在可承受的限度之內(nèi)。

2　水擊的控制

經(jīng)過多年摸索和實(shí)踐，總結(jié)了一些控制水擊的相關(guān)措施。歸納如下:

2.1采取優(yōu)化的關(guān)閥方案

目前，油庫發(fā)油系統(tǒng)的主控閥門有很多種，如球閥門、旋塞閥門、電磁閥門、電動(dòng)閥門、電液閥門等。每種閥門各有其優(yōu)缺點(diǎn)及最優(yōu)適用條件，應(yīng)謹(jǐn)慎選取。同時(shí)，主控閥門的關(guān)閥時(shí)間、調(diào)節(jié)規(guī)律、摩阻損失、機(jī)組特性、水擊波速等因素均會對水擊有影響。從理論上來講，延長閥門的關(guān)閉和開啟時(shí)間就可以有效地控制或減弱水擊。但是，顯然這段時(shí)間并非是可以無限延緩的。在20世紀(jì)60年代末斯特里特等人創(chuàng)立了“閥門三階段連續(xù)調(diào)節(jié)法”以延長閥門啟關(guān)時(shí)間;1970年美國普洛普森創(chuàng)立了“規(guī)定時(shí)間的閥調(diào)節(jié)”，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成管道從一種穩(wěn)態(tài)工況向另一種穩(wěn)態(tài)工況過渡，但該過渡時(shí)間不能少于水擊波在管道內(nèi)的往返時(shí)間，壓力則不受限制;1985年美國戈德伯格提出了“閥門脈沖式調(diào)節(jié)法”，采用多次脈沖式調(diào)節(jié)，消除了三階段連續(xù)調(diào)節(jié)法中第一和第三階段的緩慢動(dòng)作，使完成控制的時(shí)間更短，又稱為“快速最優(yōu)閥調(diào)節(jié)”;2009年我國趙會軍等人提出采用電動(dòng)球閥在關(guān)閉時(shí)先快關(guān)后慢關(guān)，盡量用拋物控制代替線性控制的方案，在控制水擊的實(shí)踐中取得了優(yōu)質(zhì)效果。

圖1　

目前，不管采用何種關(guān)閥方案，其基本思路均是運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬來分析并控制水擊。首先，根據(jù)油品和管道的物理?xiàng)l件(密度、體積模量、管材彈性模量、管道厚度等)、選用主控閥門的流量特性及非恒定流運(yùn)動(dòng)定律，建立水擊時(shí)閥門的基本控制方程:

式中:V—管道中油品流速，m/s;

t—時(shí)間，s;

x—距離，m;

λ—沿程阻力系數(shù)， N·s2/m4;

P—壓力，Pa;

D—管道直徑，m;

c—水擊波傳播速度，m/s;

g—重力加速度，m/s2。

之后，因?yàn)榭刂品匠屉y解，應(yīng)用特征線法，將其轉(zhuǎn)化為微分方程:

由于管道中油品流速遠(yuǎn)小于水擊波傳播速度，因此V可忽略不計(jì)。將上述方程簡化為:

我踢著街上在小石子，那是什么時(shí)候的事？哦，扒鍋街消失的第三年，我照舊在新家的街道上被我媽拿著鏟子追著，只是再也沒有人給我通風(fēng)報(bào)信，通常我都會被揍得很慘。

將簡化后的常微分方程進(jìn)行差分(其中 H為水擊壓頭高度; V=， Q為流量，A為管道過水面積)(如圖1)。

最終，再根據(jù)初始條件(選為恒定流)和邊界條件(任意時(shí)刻水頭等于管道進(jìn)口處的初始水頭)求得微分方程的解，得到油庫管道的水擊特定。

根據(jù)主控閥門的流量特性和油庫管道的水擊特性，就可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出主控閥門在發(fā)油結(jié)束時(shí)的最優(yōu)關(guān)閥方案，進(jìn)而有效控制水擊。

2.2安裝一定的泄壓設(shè)備

20世紀(jì)90年代，曾采用的泄壓設(shè)備是氣壓緩沖罐。工作原理是將氣壓緩沖罐安裝在管道的適當(dāng)位置，罐內(nèi)充入適量壓縮氣體。在發(fā)生水擊時(shí)，高壓液體進(jìn)入緩沖罐，使緩沖罐內(nèi)空氣受壓并消耗水擊能量。這種泄壓方法簡單易行，控制水擊的效果也不錯(cuò)。但是，這種方法必須保證管道中石油進(jìn)入緩沖罐內(nèi)阻力要大，以降低罐內(nèi)壓力升高速度。與此同時(shí)，緩沖罐內(nèi)液體流入管道時(shí)卻要迅速、流暢。因此，這種方法的使用受到了限制。

目前常用的泄壓設(shè)備有:自動(dòng)泄壓罐和泄壓閥。自動(dòng)泄壓罐安裝在管道的各泵站。基本原理就是當(dāng)泵站的入口壓力高于設(shè)定值時(shí)，泵入口泄壓閥開啟，將部分油品泄入泄壓閥，使泵站入口壓力降至正常值;當(dāng)泵站的入口壓力低于設(shè)定值時(shí)，泵站出口泄壓閥開啟，部分油品流至泵站入口，將泵站入口壓力提升到正常值。當(dāng)進(jìn)出站壓力恢復(fù)到正常設(shè)定值時(shí)，泄壓閥自動(dòng)關(guān)閉，從而保證了管道的安全運(yùn)行。

另外，還有一些小技巧。可在管道中加一段纏繞性軟管，有利于水擊能量的釋放。如在加油槍后纏繞軟管，雖然加油槍的開關(guān)時(shí)間很短，但是水擊卻不嚴(yán)重，就是應(yīng)用這個(gè)原理。

2.3水擊波攔截

根據(jù)水擊現(xiàn)象形成的原理，可以直接采取水擊波攔截來消除水擊。具體實(shí)施方案就是在發(fā)生水擊的上下游站采取部分停泵的方法制造新的水擊波，利用新的水擊波與原水擊波疊加后相互抵消的原理，使水擊波受到攔截，從而達(dá)到消除或減弱水擊的危害。但是，采用這種方法關(guān)鍵是要準(zhǔn)確判斷水擊，適時(shí)向水擊發(fā)生的上下游泵站發(fā)出相關(guān)指令，技術(shù)性要求較高。往往，在何時(shí)并且制造的新水擊波強(qiáng)度如何都關(guān)系著這種方法的效果。因此，雖然此種方法理論上可以完全消除水擊，但在實(shí)際應(yīng)用上還是存在著一定誤差。通常，在管道實(shí)際運(yùn)行中，我們是將水擊波攔截技術(shù)編入SCADA系統(tǒng)中，依靠其功能自動(dòng)進(jìn)行事故辨認(rèn)，對各泵站的主泵等設(shè)備直接下發(fā)操作指令，及時(shí)消除水擊危害。

2.4其他措施

可以在油庫發(fā)油系統(tǒng)中的每個(gè)硬件設(shè)備上采取相應(yīng)措施，力求減緩或消除水擊。例如，為了降低油品流速，進(jìn)而降低水擊壓力，可以適當(dāng)增大管道直徑，做到人為控制油品流速。在我國石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范中有明確規(guī)定，油品的裝車流量不宜小于30m3／h，但裝車流速不得大于4.5m／s，所以一般管道直徑宜在DN80～150mm。為了延緩閥門的啟、關(guān)時(shí)間，可以選擇合理的管道管徑、管長和管線布置。為了減緩水擊波傳播速度，可以采用彈性模量較小的管材。

另外，針對我國目前技術(shù)相對落后、但具有廣闊發(fā)展前景的成品油管道順序輸送來說，為了消除或減緩水擊，可以按油品的物理和化學(xué)性質(zhì)相接近的程度來安排輸送順序，減小初始混油段內(nèi)油品的密度梯度，從而減小油品界面通過離心式輸液泵時(shí)的壓力變化。若密度差較大的兩種油品不可避免同管道輸送，可在二者中間增加隔離液，以達(dá)到油品界面通過離心式輸液泵時(shí)壓力變化減小的目的。

不管是以上哪種方法，在實(shí)際運(yùn)用過程中均存在著局限性。雖然我們致力于消除水擊，但是不能因?yàn)榭桃庀畵?，而破壞油庫發(fā)油系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3　結(jié)語

在實(shí)際的應(yīng)用過程中，不管油庫發(fā)油系統(tǒng)無論是正常運(yùn)行的，還是因事故發(fā)生引起流量變化，管系內(nèi)油品的流速均會發(fā)生變化，均有引起水擊的可能。一旦發(fā)生水擊，輕則使管件松動(dòng)，管道震動(dòng)扭曲，重則損毀管道設(shè)備，發(fā)生事故。因此，對油庫發(fā)油系統(tǒng)的水擊要給予足夠的重視。預(yù)防為主，防治結(jié)合。經(jīng)常校核系統(tǒng)中發(fā)生直接水擊處的安全程度，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┫驕p緩水擊的發(fā)生。

[1]倪昊煜．水擊理論研究．鄭州大學(xué),2004.

[2]吳建華,魏茹生等.緩閉式蝶閥消除水錘效果仿真及實(shí)驗(yàn)研究.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008.

[3]趙會軍,李俊玲,劉凱等.油庫發(fā)油系統(tǒng)水擊控制關(guān)閥方案.油氣儲運(yùn),2009.

[4]任士憲.石油庫自動(dòng)付油系統(tǒng)水擊問題的探討.石油庫與加油站, 2009.

[5]雷西娟.常見輸液管道中的水擊控制.石油機(jī)械,2002.

吳冀蘇,江蘇泰興人,工程師,1982年11月出生,主要從事油庫業(yè)務(wù)管理工作。