秦京管輸水擊壓力保護(hù)方案的改進(jìn)

秦京管輸水擊壓力保護(hù)方案的改進(jìn)

一、管道輸油監(jiān)控系統(tǒng)1975年6月15日建成的秦景管道全長(zhǎng)346.19公里，管道直徑529mm，壁厚7.8mm。管道沿線有五個(gè)車站：昌黎、潛安、豐潤(rùn)、寶井和大興中間熱泵站，以及蘆山、花園的輸油站（水庫），以及線路上的八銷閥室。自20世紀(jì)90年代初期以來,秦京管道經(jīng)改造,輸量已由原額定設(shè)計(jì)值的600×104t/a提高至840×104t/a,實(shí)現(xiàn)了分段密閉輸油工藝、各站輸油參數(shù)自動(dòng)采集和集中監(jiān)控,主要運(yùn)行參數(shù)上傳至分公司調(diào)度室、北京和廊坊主備調(diào)控中心。2005年1月,秦京管道在輸送大慶原油的同時(shí),開始承輸由高尚堡—遷安管道輸入的冀東原油,管道輸量為320×104t/a,基本在相關(guān)規(guī)程規(guī)定的最低輸量下運(yùn)營,為此,在昌黎站采取了壓力越站方式,在遷安站—房山站混輸大慶和冀東原油,將秦京管道輸量提高至600～800×104t/a之間。二、秦京管道水擊保護(hù)仿真結(jié)果目前,秦京管道仍延用2001年設(shè)計(jì)的水擊保護(hù)方式,即各站安裝有調(diào)節(jié)閥、高壓泄壓閥、低壓泄壓閥及壓力超高停泵控制,但缺少水擊超前保護(hù)手段(見表1和表2)。經(jīng)過計(jì)算、試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證,原保護(hù)措施能夠避免各種工況下某運(yùn)行泵突停造成的管道超壓及壓力脈動(dòng),維持管道平穩(wěn)運(yùn)行,但因缺少水擊超前保護(hù)功能,不能對(duì)某站工藝閥門(進(jìn)站閥)動(dòng)作失靈誤關(guān)閉、人為誤操作等管道斷流產(chǎn)生的水擊破壞進(jìn)行控制。分析仿真系統(tǒng)模擬秦京管道5泵工況,大興站進(jìn)站閥門突關(guān)后全線的壓力變化曲線(見圖1)可知,突然關(guān)閉大興站進(jìn)站閥門,流速會(huì)產(chǎn)生直接壓力瞬變,51s后,在管道充裝作用下,閥門上游壓力會(huì)超過管道允許最大壓力4.2MPa。但此刻,該水擊波尚未傳至上游泵站寶坻,故在寶坻站調(diào)節(jié)閥、泄壓保護(hù)及停泵保護(hù)未能滿足動(dòng)作條件前,兩站間的管道已遭到損害甚至破裂。其它常用工況均通過仿真進(jìn)行類似模擬,結(jié)果基本相同。目前秦京管道水擊保護(hù)方案雖然實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出站壓力自動(dòng)調(diào)節(jié),SCADA系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)采集,具備遙測(cè)、遙信、遙調(diào)功能,但不具備遙控功能,自動(dòng)控制與密閉輸油保護(hù)不完善,不能實(shí)現(xiàn)管道閉鎖控制、水擊超前保護(hù)、流程自動(dòng)切換、設(shè)備安全連鎖保護(hù)、清管器自動(dòng)越站跟蹤等重要功能。因此,原有水擊保護(hù)方案已不能滿足秦京管道當(dāng)前的運(yùn)行要求。根據(jù)秦京管道目前設(shè)施及工藝情況,結(jié)合與加拿大ENBRIDGE管道公司對(duì)標(biāo)管理報(bào)告及國內(nèi)其他管道的先進(jìn)運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn),有必要重新制訂秦京管道水擊保護(hù)方案。三、水力系統(tǒng)運(yùn)行方式冀東油從遷安站進(jìn)入后,在全部設(shè)備不進(jìn)行重新匹配更換前,只能分為秦皇島—遷安、遷安—房山兩個(gè)水力系統(tǒng)運(yùn)行。工況運(yùn)行和水力控制比以前相對(duì)簡(jiǎn)單、方便,要完善水擊壓力保護(hù)方案,需要從實(shí)際出發(fā),真正實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)加停泵保護(hù)。1、間站斷流超壓保護(hù)瞬變過程的水擊超前保護(hù)是建立在高度自動(dòng)化基礎(chǔ)上的一項(xiàng)保護(hù)技術(shù),一般分為輸油站失電超前保護(hù)和中間站斷流超前保護(hù)。管道一旦發(fā)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí),為了防止壓力波傳播造成管道壓力超限破壞,擾動(dòng)源會(huì)通過通信系統(tǒng)迅速向上、下游泵站發(fā)出信號(hào)并產(chǎn)生一個(gè)與傳來的壓力波相反的擾動(dòng),兩波相遇后相互抵消,不會(huì)對(duì)管道形成威脅性壓力。由于秦京管道輸量變化頻繁,通常采用9種運(yùn)行工況(見表3)。(1)負(fù)壓波傳播模式站內(nèi)加熱系統(tǒng)包括換熱器、加熱爐本身等雖然都有自身保護(hù)功能,但是在上游站停泵后,負(fù)壓波一般在60s后傳到下游鄰近站。當(dāng)負(fù)壓波傳到后,設(shè)備自身保護(hù)功能才能發(fā)揮作用,為此,依據(jù)輸油管道水擊超前保護(hù)原則及各站實(shí)際運(yùn)行工況,在現(xiàn)行秦京管道輸油站失電超前保護(hù)方案基礎(chǔ)上,將加熱爐用于超前保護(hù)中,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與自身的雙重保護(hù)。(2)工藝自身優(yōu)化,對(duì)設(shè)備進(jìn)行配套針對(duì)某站工藝閥門(進(jìn)站閥)動(dòng)作失靈誤關(guān)閉、人為誤操作等管道斷流產(chǎn)生的水擊破壞,制定超前水擊保護(hù)方案通常采取兩種方法,一是通過對(duì)各工藝閥門監(jiān)控,當(dāng)判定有誤關(guān)發(fā)生,系統(tǒng)程序進(jìn)行連鎖反應(yīng),超前停運(yùn)相關(guān)運(yùn)行泵機(jī)組,達(dá)到提前保護(hù)的目的;二是通過及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)視,判斷瞬變壓力信號(hào),當(dāng)壓力信號(hào)瞬變到一定值時(shí),系統(tǒng)程序連鎖反應(yīng),超前停運(yùn)相關(guān)運(yùn)行泵機(jī)組。秦京管道目前整體設(shè)備水平較低,大部分閥門為20世紀(jì)70年代投產(chǎn)時(shí)的設(shè)備。應(yīng)以就地控制為主,其水擊超前保護(hù)方案的制定若按上述的第一種方法,需要現(xiàn)場(chǎng)改造的工作量非常大,短期內(nèi)不易實(shí)施。而采用第二種方法,則只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單改造。由于目前的進(jìn)站壓力傳感器安裝在進(jìn)站閥下游,不能真實(shí)反映進(jìn)站閥動(dòng)作時(shí)的壓力,為此,只需在各站進(jìn)站閥上游加裝壓力傳感器用于超前保護(hù)中即可。對(duì)應(yīng)秦京管道9種常用運(yùn)行工況(見表3),通過仿真系統(tǒng)逐一對(duì)各站進(jìn)站閥門進(jìn)行突關(guān)水擊模擬試驗(yàn),并記錄閥前壓力瞬變值(見表4),按輸量分為3種情況。但需要注意的是,密閉輸油時(shí)串聯(lián)泵失電產(chǎn)生的水力瞬變?cè)?.35MPa左右,易與工藝閥門誤操作產(chǎn)生的壓力瞬變混淆,影響程序中對(duì)跳泵進(jìn)行的超前保護(hù)判斷,因此,不取壓力瞬變值作為依據(jù)。通過仿真試驗(yàn),以各站各種工況下運(yùn)行時(shí)進(jìn)站壓力為基數(shù),加上該站斷流(進(jìn)站閥突關(guān))瞬變值,即當(dāng)某站進(jìn)站壓力在某種工況下達(dá)到表4所列值時(shí),在水擊允許條件下,誤操作(站內(nèi)閥門失靈)產(chǎn)生水擊,可通過SCADA系統(tǒng)實(shí)施超前保護(hù)。在“5泵”工況時(shí),大興站進(jìn)站閥門突關(guān)前瞬變后的壓力變化(見圖2)可知,進(jìn)站閥突關(guān)后,進(jìn)站壓力從2.32MPa瞬間上升到3.50MPa,如果不進(jìn)行超前保護(hù),將出現(xiàn)圖1的情況。大興站進(jìn)站閥突關(guān)后,在寶坻—房山管段水力系統(tǒng)內(nèi),大興站的減壓波向下往房山站傳遞,增壓波向上往寶坻站傳遞,該增壓波與寶坻站運(yùn)行泵充裝壓力波相疊加,將會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。按照超前保護(hù)方案,當(dāng)大興進(jìn)站壓力達(dá)到“5泵”工況下表4所列值時(shí),秦京管道超前保護(hù)動(dòng)作,即寶坻站超前停運(yùn)行泵機(jī)組后壓力變化(見圖3)。寶坻站超前停泵后,減壓波從寶坻向大興方向傳遞,兩個(gè)減壓波相遇時(shí),該段管道壓力達(dá)到峰值并開始下降,最終穩(wěn)定在圖4所示狀況,有效地對(duì)該管段實(shí)施了保護(hù)。2、節(jié)閥部分改造秦京管道壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相對(duì)比較完善,2007年對(duì)調(diào)節(jié)閥整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分改造更新,解決了以前存在的液壓油及閥頭運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)過熱的問題,目前運(yùn)行良好。如果從提高設(shè)備本身水平考慮,應(yīng)將國產(chǎn)閥體更換為進(jìn)口閥體。(1)pmk調(diào)節(jié)器信號(hào)輸出為滿足串聯(lián)泵密閉輸油的壓力調(diào)節(jié),秦京管道各站均裝有一臺(tái)DN250電液聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)閥,可對(duì)泵入口壓力和出站壓力有選擇地進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)進(jìn)泵壓力(PV1)低于進(jìn)泵壓力設(shè)定值(SV1)時(shí),為了防止泵抽空,從PMK調(diào)節(jié)器輸出關(guān)閥信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服執(zhí)行器,使出站調(diào)節(jié)閥適當(dāng)關(guān)閉,以保證進(jìn)泵壓力在給定值上;當(dāng)出站壓力(PV2)高于出站壓力設(shè)定值(SV2)時(shí),為了防止管線超壓破裂,從PMK調(diào)節(jié)器輸出關(guān)閥信號(hào),關(guān)閥信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服執(zhí)行器,使出站調(diào)節(jié)閥適當(dāng)關(guān)閉,以保證出站壓力維持在給定值以下。當(dāng)進(jìn)泵壓力和出站壓力對(duì)閥門開度要求不一致時(shí),PMK調(diào)節(jié)器優(yōu)先選擇關(guān)閥信號(hào)輸出;在正常工作時(shí),即進(jìn)泵壓力高于設(shè)定值,出站壓力低于設(shè)定值時(shí),閥門全開,以減少摩阻損失。密閉時(shí)各站(除秦皇島外)串聯(lián)泵入口壓力設(shè)定值一般定為0.45MPa,出站壓力設(shè)定值一般為4.0MPa(寶坻為4.2MPa)。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖見圖5。(2).2mpa寶以出站壓力為調(diào)節(jié)對(duì)象,其設(shè)定值一般為4.2MPa(寶坻為4.5MPa)。取消對(duì)進(jìn)泵壓力的調(diào)節(jié)作用,既將該站PMK第一回路(泵入口壓力)設(shè)定值設(shè)為0。(3)帶型統(tǒng)一閥超壓伺服執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥在控制器里設(shè)有電氣限位,即當(dāng)調(diào)節(jié)訊號(hào)關(guān)閥時(shí),只能關(guān)至開度的30%;機(jī)械限位措施使調(diào)節(jié)閥在任何情況下不能關(guān)死而造成憋壓,限位調(diào)整在開度的25%左右;調(diào)節(jié)閥伺服執(zhí)行器當(dāng)其液壓馬達(dá)電源中斷或PMK調(diào)節(jié)器因故沒有輸出訊號(hào)時(shí),使閥基本保持原位不變,防止超壓或憋壓;當(dāng)調(diào)節(jié)閥前后壓差大于1.2MPa時(shí),可能造成閥門動(dòng)作受阻,此時(shí)報(bào)警提示值班人員處理。3、秦京管道對(duì)標(biāo)保護(hù)秦京管道在2001年改造時(shí),各站(除房山外)出站端均安裝有機(jī)械先導(dǎo)角式自力泄壓閥,近兩年,各站進(jìn)站端安裝了電磁換向角式自力泄壓閥。此前遷安站、寶坻站原有電動(dòng)泄壓閥及秦皇島首站泵出口匯管電動(dòng)回流閥也一直在用,參與水擊壓力保護(hù)。在秦京管道對(duì)標(biāo)過程中,根據(jù)ENBRIDGE專家意見,應(yīng)在秦皇島首站、房山站、遷安站高遷線進(jìn)站端設(shè)置進(jìn)站PCV和進(jìn)站泄壓閥。當(dāng)進(jìn)罐流程意外阻斷時(shí),可保護(hù)低壓進(jìn)罐管道,該壓力值設(shè)定為2.50MPa,其它仍按照表1中壓力泄放保護(hù)值設(shè)定。通過計(jì)算、仿真系統(tǒng)模擬及近幾年實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證,該方案完全能夠滿足要求。4、秦京管道停泵保護(hù)值確定GB50253—2003《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國APIB31.4—1974《ANSI輸油管道系統(tǒng)》均規(guī)定,正常操作中,如果由于擾動(dòng)和其它變化造成的瞬態(tài)壓力上升,在管道系統(tǒng)和設(shè)備中任何一點(diǎn)都不得超過設(shè)計(jì)內(nèi)壓力的10%,即保護(hù)措施動(dòng)作的限定壓力應(yīng)該置于不超過管道最大允許壓力的110%范圍內(nèi)。根據(jù)上述高壓限定值及離心泵的吸入特性要求,確定了秦京管道各站停泵保護(hù)值。(1)對(duì)于秦皇島首站、遷安站、豐潤(rùn)站、大興站出站壓力保護(hù),當(dāng)出站壓力大于4.50MPa時(shí),電氣程序控制停泵;如果上述程序未動(dòng)作,當(dāng)出站壓力大于4.60MPa時(shí),壓力開關(guān)動(dòng)作停泵。寶坻站出站壓力大于4.80MPa時(shí),電氣程序控制停泵;如果上述程序未動(dòng)作,當(dāng)出站壓力大于4.90MPa時(shí),壓力開關(guān)動(dòng)作停泵。(2)對(duì)于秦皇島首站、遷安和寶坻2座中意熱泵站的出泵匯管壓力保護(hù),分別為秦皇島首站出泵壓力大于5.10MPa、遷安站出泵壓力大于5.30MPa、寶坻站出泵壓力大于5.60MPa時(shí),程序延時(shí)5s停泵。(3)對(duì)于各站離心泵保護(hù),若串聯(lián)泵運(yùn)行,當(dāng)進(jìn)泵壓力小于0.16MPa時(shí),壓力開關(guān)動(dòng)作停泵;若并聯(lián)泵運(yùn)行,當(dāng)秦皇島首站進(jìn)泵壓力小于0.25MPa、遷安站和寶坻站進(jìn)泵壓力小于零時(shí),壓力開關(guān)動(dòng)作停泵。此外,不應(yīng)忽略對(duì)設(shè)備自身安全的考慮,如果溫度、振動(dòng)等超標(biāo)停泵保護(hù),需按照技術(shù)說明書設(shè)定,本研究不進(jìn)行論述。四、增設(shè)微波通信方式綜上所述,新水擊保護(hù)方案通過仿真系統(tǒng)模擬,能夠基本滿足秦京管道由于站內(nèi)因素造成的管道瞬變流動(dòng)控制要求,但仍存在一些不足。一是線路截?cái)嚅y為就地手動(dòng)閥門,閥前后壓力不具備遠(yuǎn)傳功能,誤動(dòng)作關(guān)閉產(chǎn)生的水擊,該方案不能涵蓋。一旦管道發(fā)生大量泄漏事故,中心控制室只能命令上、下游站停運(yùn),而不能通過指令迅速關(guān)閉泄漏點(diǎn)兩側(cè)截?cái)嚅y。二是SCADA系統(tǒng)采用微波通信方式,該方式在雨、雪、霧惡劣條件下中斷率較高,沒有備用通信。三是缺少ESD緊急關(guān)斷系統(tǒng)。針對(duì)上述不足,可進(jìn)行以下三個(gè)方面的改進(jìn)。(1)將線路截?cái)嚅y遠(yuǎn)控、閥前后壓力參與到水擊保護(hù)中;租用網(wǎng)通專用數(shù)據(jù)線路與微波通信互為備用;各站增加ESD緊急關(guān)斷系統(tǒng)。(2)中心控