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摘要: 大落差输油管道由于高差产生巨大的静水压力，因此，在设计中确保其在高承压下安全、平稳运行至关重要。结合三塘湖原油外输管道设计，采用离线仿真软件SPS建立三塘湖原油外输管道模型，进行稳态、瞬态模拟，并根据不同输送工况参数，采取设置减压站、变壁厚设计、站场安装泄压阀和压力调节阀、SCADA系统的水击超前保护程序等措施，制定预先保护方案，从而实现管道安全、平稳运行。Abstract: Due to the enormous hydrostatic pressure from height difference, it is essential to ensure safe and steady running for large-fall oil transportation pipelines under high pressure. In accordance with the design of the Santanghu Crude Oil Transportation Pipeline, offline simulation software SPS is used to build a model for the Santanghu Crude Oil Transportation Pipeline so as to conduct steady-state and transient simulation. In addition, pressure reducing station set-up, variable wall thickness design, pressure relief valve and pressure regulating valve installation in the station, water hammer lead protection program of SCADA system and other measures are adopted and lead protection programs are developed according to different transportation parameters to achieve safe and steady operation of the pipeline.
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Keywords:
- SPS /
- large fall /
- pressure protection /
- water hammer /
- pressure relief valve /
- SCADA system
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大落差造成液体管道设计的技术问题主要是静压过高和动压过大，在管道下坡段高处形成不满流，造成液柱分离。当管道高点附近压力低于管输油品饱和蒸气压时，液体气化并在高点或附近管段形成气袋，增加了水击分析和控制的复杂性。目前，大落差管道在保护方面通常采用“等强度”原则、变径管设计、敷设隧道、设置减压站等方法[1-4]。
1. 管道概况
三塘湖原油外输管道始于巴里坤自治县，经伊吾县至哈密市西部原油管道四堡泵站，沿途穿越三塘湖盆地、巴-伊盆地、哈密盆地，两次翻越天山。1#高点位于管道里程57.2 km处北天山，高程2 764 m；中间为盆地，盆地最低点管道里程68.4 km，高程1 998 m；2#高点在翻越南天山118.1 km处，高程2 767 m，末点高程706 m，落差2 061 m，静水压力20.61 MPa，需在下山段适宜建站的位置设置减压站。控制高点背压，降低下游管道动压，截断管道停输时的静压。经计算，2#高点下山段需要设置2座具有减压功能的站场：分别为4#热减压站以及在哈密末站进站设置的减压装置。全线包括首站、末站等6座站场，年输量为100×104 t（图 1）。
利用SPS软件建立与实际运行管道的对应模型，即通过将管道、输油泵、储罐、截断阀、止回阀、水击泄压阀、加热炉等主要设备参数输入SPS模型中，对三塘湖原油外输管道不同工况进行水力、热力模拟计算和设备参数校核。利用图形建模、文本编辑相互配合方式以及强大的逻辑语言编辑环境，直观分析沿线压力变化的实际情况，并提出具体解决措施。
2. 压力保护措施
2.1 设置减压站
位于南天山的2#高点高程2 767 m，末点西部管道四堡泵站高程706 m，落差2 061 m，静水压力达到20.61 MPa。上游泵站输送的原油流经减压站，经过减压阀减压后输往下游站或进入罐区。设置减压阀主要是为了控制高点背压，降低下游管道动压并截断静压。减压阀设为故障关。
4#减压站高程1 580 m，需减压约9.5 MPa，站内设有3台电液多级减压阀，将静压分隔为两部分。正常情况下，减压阀一个运行、一个热备用、一个冷备用，确保进站压力不低于设定值，从而保证减压站上游的最高点正压运行，并通过减压阀的上游压力控制器（PLC内的PID调节程序）进行控制。减压阀出现故障时，将自动关闭并报警，自动控制系统将关闭故障减压阀上、下游截断阀，同时立即启用冷备用减压阀[5]。
减压站与末站落差为874 m，需降压约5.5 MPa，在末站设置2台电液多级降压阀，1用1备，确保上游压力在允许范围内。与4#减压站相同，上游压力调节设定值由调控中心SCADA系统设定，根据实时测定的首站外输流量计算得出。一旦发现减压站上游高点压力监测点的设定压力值偏离允许值或存在偏离允许值的趋势，调控中心将对哈密末站减压阀的压力设定值进行修正。
减压阀出现故障时，将自动关闭并报警，自动控制系统将关闭故障减压阀上游和下游截断阀，同时立即启用备用减压阀[6]。管道停输时，减压站将自动关闭（减压阀及其上游和下游截断阀同时关闭），防止上游管道发生不满流以及下游管道承受过大静压。
2.2 变壁厚设计
由于管道总体走向呈M形（图 1），因此，设计压力时，除考虑两端静水压力超压外，还需要防止低点动压超高[7]。根据规模输量下的稳态计算结果（表 1），低点压力达到9.5 MPa，远高于管段两端压力，因此，为了均衡各管段压力，采用变壁厚设计（表 2）。
表 1 规模输量下稳态计算结果
表 2 三塘湖输油管道全线设计参数
2.3 设置泄压阀
由于管道落差较大，静压和动压均较高，为了保证SCADA系统控制的水击超前保护等自动保护程序失效时，管道仍然能够不超压且安全运行，在站场与管道相接处安装泄压阀[8]。工程输送的原油粘度为100~130 mPa·s，将氮气式泄压阀安装在首站出站侧，末站进站侧和各中间站的进出站两侧，作为防止管道超压的最后一道屏障[9]（表 3）。
表 3 三塘湖输油管道泄压阀选型参数表
泄压阀泄放压力值的设定原则[10-13]：①能够保证管道和站场不超压，管道平稳运行。②泄压阀设定泄放压力值不高于管道承压能力，进站侧泄压阀的泄放压力设定值不高于站场承压能力。③泄压阀回关压力大于稳态运行时所连接设备处的最大压力。④泄压阀本身承压能力不低于所连接设备的承压能力，且大于设定泄放压力值。⑤在满足上述条件的情况下，尽量降低设定压力，从而降低氮气充装压力，减少氮气瓶的购买、维护成本。
2.4 设置压力调节阀
在各泵站出口处设置压力调节阀，确保管道在运行时压力平稳，并能够适应工况变化[14]。调节阀应根据管道特性和输油离心泵特性进行压力自动调节和适应（表 4）。
表 4 三塘湖输油管道主要调节控制参数
2.5 SCADA系统水击保护程序
三塘湖输油管道全线采用SCADA系统，通过各种检测仪表及独立的光纤通信系统将管道和站场设备组成一个有机整体[15]。在末站设水击保护PLC，实现全线ESD及水击保护控制，PLC作为保护系统的主控，工艺站场的站控系统和远控线路截断阀室的远程终端装置（RTU）作为从控，组成全线水击保护系统。比例积分微分控制规律为：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2013/1/href="yqcy-32-1-101-E1.png")
(1) 式中：Kp为可调放大倍数（比例增益）；e为输入变化量；TD为微分时间；T1为积分时间。
当有阶跃信号输入时，输出为比例、积分和微分三部分输出之和，这种控制器既能进行快速控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。
通过获得水击信息并发出控制指令，完成某些特定水击保护动作，采取调整干线调节阀设定值、停运泵机组等措施，可以保证管道干线和站内重要设备的安全[16-17]：①通过调节阀的稳压调节对管道进行水击保护；②当紧急切断阀或站内截断阀因事故而关闭时，按照预先在SCADA系统中设置的逻辑控制和停泵次序，紧急停运牛圈湖首站、1#泵站以及2#泵站输油泵，关闭相关站场阀门，实施水击超前保护；③通过泄压阀对管道全线进行水击保护；④2#泵站输油泵采用调速电机驱动输油主泵，将调速电机调速控制嵌入自动化水击控制系统中，利用调速电机的调速对管道进行水击保护。
综上所述，三塘湖原油外输管道通过变壁厚设计、压力调节和泄压阀选型参数，采用先进的工艺模拟软件计算等措施解决了大落差输油管道的压力设计和水击保护问题，实现了管道安全平稳运行，对于类似管道工程具有参考价值。
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