李繼明,張效研,吳鳳榮,楊 悅,史培玉

(1.中國石油管道局工程有限公司,河北 廊坊 065000; 2.中國石化勝利油田分公司 油氣集輸總廠，山東 東營 257000)

2017-08-01

李繼明(1983—),男,河北廊坊人,中國石油管道局工程有限公司工程師,主要從事油氣儲運工程研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.03.005

大落差成品油管道調(diào)壓系統(tǒng)應(yīng)用研究

李繼明1,張效研1,吳鳳榮1,楊 悅1,史培玉2

(1.中國石油管道局工程有限公司,河北 廊坊 065000; 2.中國石化勝利油田分公司 油氣集輸總廠，山東 東營 257000)

大落差成品油管道調(diào)壓系統(tǒng)是管道安全運行的重要保障,為了提高調(diào)壓系統(tǒng)的可靠性,在水力模擬仿真計算基礎(chǔ)上,針對大落差成品油管道落差段管道的壓力、流量、油品種類等參數(shù)變化規(guī)律進行研究,論述大落差成品油管道調(diào)壓系統(tǒng)的優(yōu)化方法。通過對大落差管道調(diào)壓系統(tǒng)的功能進行分析,優(yōu)化調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型,提出適用于大落差成品油管道的調(diào)壓系統(tǒng)流程,并經(jīng)工程實例驗證取得良好的應(yīng)用效果。

調(diào)節(jié)閥;大落差管道;流程優(yōu)化;水力計算

對于采用順序輸送方式的成品油管道,如果在管道末端落差較大,則在正常運行過程中,管道末站的進站壓力變化就會頻繁、劇烈。這種水力特點是輸送單一油品的輸油管道和地形平緩的順序輸送成品油管道所沒有的。由于新建的輸油管道內(nèi)殘留焊渣、沙子等雜物,在輸送油品流動帶動下雜物易卡阻在管道末站的調(diào)節(jié)閥閥芯處,當調(diào)節(jié)閥開關(guān)動作時會造成閥芯孔沖涮損傷,發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象,從而引起調(diào)節(jié)閥開度不斷縮小,加劇閥芯的損傷,嚴重影響管道末站調(diào)壓系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。一般投用初期因管道內(nèi)雜質(zhì)沖刷發(fā)生調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏的概率很高,為此產(chǎn)生了很大維修量、閥芯修復(fù)工作。筆者以非洲管道工程實例為基礎(chǔ),探討大落差成品油管道調(diào)壓系統(tǒng)的影響因素,研究調(diào)節(jié)閥設(shè)計選型和調(diào)壓系統(tǒng)流程的優(yōu)化方法。

1 調(diào)壓系統(tǒng)的概述

輸油管道在投產(chǎn)試運時,為了降低溢油事故風(fēng)險,大多采用水聯(lián)運投產(chǎn)方式。即在空管條件下,管道注入管輸油品之前加注一段清潔水,作為管輸油品和空氣的隔離液,在清洗管道的同時用于檢驗管道是否存在漏點,為溢油的應(yīng)急處理提供便利條件。

不同于輸送單一油品地勢平緩的輸油管道,采取水聯(lián)運投產(chǎn)工藝的大落差成品油管道,在投產(chǎn)過程中管道沿線壓力隨著地勢起伏變化而劇烈變化,尤其是不同油品的輸送界面在泵送壓力的推動下在管道內(nèi)移動,使得管道輸送所需的動力能耗和輸送流量不斷變化[1]。故需要采取高效可靠的調(diào)壓系統(tǒng)將管道壓力控制安全范圍內(nèi),防止管道超壓或汽化[2-3]。

一般來說,管道的調(diào)壓系統(tǒng)主要包括過濾器、調(diào)節(jié)閥、壓力檢測及必要的壓力保護邏輯等部分構(gòu)成組成。作為調(diào)壓系統(tǒng)的核心設(shè)備,調(diào)節(jié)閥的工作特性和性能與工程技術(shù)條件是調(diào)節(jié)閥選型的重要依據(jù),與調(diào)節(jié)閥配套的過濾器、壓力檢測等也是調(diào)壓系統(tǒng)的流程優(yōu)化主要方面。

2 調(diào)壓系統(tǒng)的主要構(gòu)件選擇

投產(chǎn)過程中,管道運行壓力的變化規(guī)律是決定調(diào)壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的核心。管道投產(chǎn)壓力主要影響因素有以下兩點:

(1)介質(zhì)物性。成品油管道輸送的油品種類不同,其黏度和密度的變化直接導(dǎo)致落差段管道的壓力變化劇烈,再加上水聯(lián)運投產(chǎn)過程中輸送部分清潔水,不同輸送流量下不同輸送介質(zhì)將直接決定調(diào)節(jié)閥的工作范圍。

(2)管路特性。大落差成品油管道在運行過程中為了通過翻越點,要求管道末站的調(diào)壓系統(tǒng)控制進站壓力足夠高確保高點不汽化,實現(xiàn)管道的安全平穩(wěn)運行。整條管道的管路特性決定了調(diào)壓系統(tǒng)所控制的進站壓力的高低。其中最為關(guān)鍵的因素就是大落差管道的落差段所處區(qū)域和落差幅度。落差段越處于管道前段,其末站的進站壓力就越高;落差幅度越大,末站進站壓力也越高。調(diào)壓系統(tǒng)的下游作為管輸油品進罐存儲前的連通管道,調(diào)節(jié)閥出口壓力不超過0.3 MPa。因此,調(diào)壓系統(tǒng)上游和下游的壓力就是通過調(diào)節(jié)閥的減壓控制,壓力變化越大,對應(yīng)的流量越小,調(diào)節(jié)閥的工作條件就越苛刻。

“節(jié)流”是調(diào)壓系統(tǒng)的主要工作原理,大落差管道的調(diào)壓系統(tǒng)面臨著更大的壓差和沖刷強度,高耐沖刷、耐汽蝕是調(diào)壓系統(tǒng)的必備條件;另外,大壓差意味著“節(jié)流孔道”更加細長,因此調(diào)壓系統(tǒng)的選型中,應(yīng)根據(jù)管道輸送的成品油固體顆粒物的粒徑、濃度以及成品油的質(zhì)量標準決定過濾器的過濾精度和調(diào)節(jié)閥的最小孔徑。

大落差成品油管道調(diào)壓系統(tǒng)的流程基本上可以分為5種形式,具體見表1。

目前,國內(nèi)外應(yīng)用于大落差輸油管道的調(diào)節(jié)閥主要為軸流式和迷宮式兩種。其中軸流式大壓比調(diào)節(jié)閥采用單層/多層閥籠開孔結(jié)構(gòu),通過活塞行程控制孔隙數(shù)量實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能,具有扭矩小、噪音低、振動小等優(yōu)點,一旦堵塞需整體拆卸。迷宮式大壓比調(diào)節(jié)閥采用多層閥籠迷宮結(jié)構(gòu),迷宮轉(zhuǎn)彎曲折通道是控制壓力的主要結(jié)構(gòu),通過有效地控制流體速度達到抗汽蝕、抗閃蒸、低振動及低噪音性能,一旦堵塞拆卸方便。

從以上軸流式和迷宮式調(diào)節(jié)閥技術(shù)分析來看,迷宮式調(diào)節(jié)閥更加適用于成品油管道大落差的減壓調(diào)節(jié)工況,具體分析如下:

(1)軸流式和迷宮式調(diào)節(jié)閥的噪音基本都滿足IEC的有關(guān)標準要求。

(2)軸流式調(diào)節(jié)閥由于其流道的最小通過面積遠遠小于迷宮式調(diào)節(jié)閥,故其對油品中的固體顆粒物粒徑和含量非常敏感,容易出現(xiàn)堵塞情況。并且一旦出現(xiàn)堵塞將加劇沖刷腐蝕。

(3)由于軸流式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)閥體出現(xiàn)堵塞問題后不便于拆卸清洗。

通過以上的分析和對比,大落差成品油管道建成投產(chǎn)的一段時期內(nèi)管道大多存在一些固體顆粒物,從性能和適應(yīng)性來說,迷宮式結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥較軸流式結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥優(yōu)勢還是較為明顯的。

一般來說,大落差成品油管道投產(chǎn)運行的初期存在管道流量低、固體顆粒雜質(zhì)等不利于調(diào)節(jié)閥的情況,再加上調(diào)節(jié)壓比大,應(yīng)適當考慮臨時調(diào)節(jié)閥或備用調(diào)節(jié)閥,解決可能出現(xiàn)的調(diào)節(jié)閥堵塞、沖涮腐蝕等問題。

大落差管道試運投產(chǎn)及運行初期,殘留在管道內(nèi)的固體顆粒,如砂石、焊渣、鐵銹等,對調(diào)節(jié)閥的流道可能造成不可逆的沖刷腐蝕。據(jù)此,在調(diào)節(jié)閥上游設(shè)置過濾器,具體設(shè)置需要從以下3個方面考慮:

(1)過濾精度要與調(diào)節(jié)閥的最小通過截面積相匹配,減少固體顆粒對調(diào)節(jié)閥的損傷。

(2)為了減少更換過濾器濾芯對輸油作業(yè)的影響,還需設(shè)置備用過濾器,甚至是二級過濾。

(3)適當加大過濾器的過濾面積、甚至采用配有快開盲板的臥式過濾器,降低更換濾芯的工作量和提高過濾效果。

從以上分析和表1可以看出,為了防止調(diào)節(jié)閥堵塞,在閥前應(yīng)設(shè)置過濾器。調(diào)節(jié)閥和過濾器還應(yīng)考慮備用,避免由于更換過濾器濾芯或調(diào)節(jié)閥故障維修等情況造成管道停輸事故。除非管道的固體顆粒含量較高外,采用二級過濾方式必要性不大。

3 實例驗證

非洲西部的一條大落差成品油管道為例(以下簡稱“非洲管道”),管道全長125 km,管道順序輸送柴油和汽油,投產(chǎn)初期單批量為1 000～3 000 m3,年輸量約為100萬t,遠期規(guī)劃管道最大年輸量約為250萬t。管道線路最高點高程為2 547 m,管道沿線基本處于持續(xù)下坡走勢,管道末站為最低點,高程為1 100 m,落差達到1 447 m。末站的進站油靜壓最高可達12.1 MPa,是典型的大落差管道。非洲管道具有代表性的水力模擬計算結(jié)果見圖1和圖2。表2為水力模擬計算結(jié)果基礎(chǔ)上對管道輸送不同油品種類管道末站調(diào)壓系統(tǒng)不同輸量下的壓力變化統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

從計算結(jié)果可以看出,隨著輸送油品種類和輸送流量變化管道末站的進站壓力波動非常大[5]。同時因管道落差大,當管道停輸時,管道末站的油靜壓最高可達12.1 MPa。

圖1 輸送汽油管道壓力分布圖(120 m3/h)

圖2 輸送柴油管道壓力分布圖(300 m3/h)

表2 非洲管道壓力分布一覽表

非洲管道的末站主要功能就是接收管道來油進罐分儲至罐區(qū)的儲罐。由于非洲管道落差大,當流量為120 m3/h時,末站的進站壓力非常高,需要在進站端設(shè)置背壓調(diào)節(jié)閥,用于控制管道來油的進站壓力,避免管道上游高點汽化[4]。而進站調(diào)節(jié)閥需要將進站壓力調(diào)節(jié)到一個比較恒定的壓力值實現(xiàn)油品進罐存儲的背壓調(diào)節(jié)功能。

考慮到大落差管道末站的壓力變化特性,當輸送流量較小時進站壓力較高,流量較大時進站壓力卻相對較低。圖3為管道末站進站調(diào)節(jié)閥特性曲線。由圖3可知,隨著進站的流量變化調(diào)節(jié)閥開度在12%～82%變化,最終調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)達到228,完全滿足管道全輸量范圍內(nèi)的工作需求。為了進一步提高調(diào)節(jié)閥在管道輸送流量范圍內(nèi)的閥門工作Cv值和開度適應(yīng)性,進一步適應(yīng)調(diào)節(jié)壓比的變化,最終閥門口徑確定為12 in。

圖3 管道末站進站調(diào)節(jié)閥特性曲線

由于管道末站進站調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓比變化非常大,最大調(diào)節(jié)壓比達到70.3,在最低流量下調(diào)節(jié)閥最小開度達到12%,在管道試運投產(chǎn)及運行初期,受管道建設(shè)期間殘留在管道內(nèi)的固體顆粒,如砂石、鐵銹等,對調(diào)節(jié)閥的流道可能造成不可逆的沖刷破壞。據(jù)此,在管道末站調(diào)節(jié)閥上游設(shè)置過濾器,減少固體顆粒對調(diào)節(jié)閥的損傷,同時并聯(lián)安裝臨時調(diào)壓設(shè)施。

非洲管道末站在調(diào)節(jié)閥上游設(shè)置一用一備的過濾器,消除管道運行過程中固體顆粒對調(diào)節(jié)閥的影響,調(diào)節(jié)閥采用一用一臨時的方式,更換濾芯和調(diào)節(jié)閥故障維修時管道也能正常輸油運行。非洲管道從工程投資角度出發(fā),結(jié)合工程實際情況,考慮到管道試運和投產(chǎn)初期管道內(nèi)的固體顆粒物含量高、管道輸量低等工況使得調(diào)節(jié)閥工作條件較為苛刻,非洲管道調(diào)壓系統(tǒng)采取了包括節(jié)流孔板和截止閥在內(nèi)的臨時調(diào)壓設(shè)施避免因固體顆粒造成調(diào)節(jié)閥的損傷,具體流程見圖4。待管道投產(chǎn)后隨著管道內(nèi)的固體顆粒物含量的降低和管道輸量的增加擇時拆除臨時調(diào)壓設(shè)施,減少管道漏點和設(shè)備維護工作量,具體流程詳見圖5。

圖4 管道投產(chǎn)初期調(diào)壓系統(tǒng)流程

圖5 管道投產(chǎn)后期調(diào)壓系統(tǒng)流程

4 結(jié) 論

(1)大落差成品油管道調(diào)壓系統(tǒng)的核心設(shè)備就是調(diào)節(jié)閥。首要的是通過水力模擬仿真計算得出管道末站不同流量、不同油品種類的進站壓力和調(diào)節(jié)閥出口對應(yīng)的壓力等參數(shù)。在最低流量下調(diào)節(jié)閥的最小開度一般要大于10%,這樣可以大大降低調(diào)節(jié)閥的振動和噪音。

(2)大壓比調(diào)節(jié)閥上游必須設(shè)置過濾器,用于過濾管道內(nèi)粒徑較大的固體顆粒,防止調(diào)節(jié)閥堵塞和以及緩解管道內(nèi)固體顆粒對閥芯沖涮腐蝕。

(3)大落差成品油管道的調(diào)節(jié)閥以及閥前過濾器應(yīng)該視工程實際情況適當考慮設(shè)施備用或臨時備用設(shè)施。當管道內(nèi)固體顆粒含量非常高時,應(yīng)在備用過濾器基礎(chǔ)上分級過濾措施,加大過濾能力。

(4)鑒于調(diào)節(jié)閥的造價較高,在管道運行初期或調(diào)節(jié)閥的流量范圍較大時,應(yīng)設(shè)置備用調(diào)節(jié)閥或臨時調(diào)壓設(shè)備。備用調(diào)節(jié)閥可以適當縮小流量范圍,側(cè)重于小流量區(qū)段備用,待管道運行相當一段時間后,隨著管道流量和管道內(nèi)清潔度的提升,調(diào)節(jié)閥的運行條件會逐步改善的。臨時調(diào)壓設(shè)備可以適當降低控制水平,考慮采用手動截止閥和節(jié)流孔板的設(shè)置方式,用以提高調(diào)節(jié)壓差能力。

(5)預(yù)計管道投產(chǎn)期間需要加設(shè)投產(chǎn)臨時設(shè)施或管道運行一段時間后需要拆除備用設(shè)施,在管道建設(shè)期間應(yīng)考慮必要的法蘭接口,避免改建時發(fā)生動火作業(yè)。

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[責(zé)任編輯]辛艷萍