吴冀苏

(广东石油仓储分公司,广东广州 510000)

有效控制油库水击现象的相关措施

吴冀苏

(广东石油仓储分公司,广东广州 510000)

随着国际石油市场的风云变幻,与石油资源相关的石油储运早已得到各国的重视研究,其自动化程度要求越来越高,系统运行要求越来越完善。而油库发油系统作为石油储运的一部分,在我国经历了由集中式发油系统向集散式发油系统改进的历程,在自动化水平、技术、功能和规模等方面都得到了很大提高。而水击现象——作为油库发油系统中始终不可避免的重要难题之一,也在逐步获取更合理的控制措施。在油库发油系统中,通常会发生水击现象, 一旦发生水击现象,将造成严重危害。本文即在简单介绍水击现象的基础上,主要探讨为了控制水击发生所采取的优化关、安装泄压设备以及水击波拦截等相关措施。

油库发油 水击现象 控制措施

1　水击的危害

可见，水击对油库发油系统的影响不容忽视，需要采取一定措施，将水击控制在可承受的限度之内。

2　水击的控制

经过多年摸索和实践，总结了一些控制水击的相关措施。归纳如下:

2.1采取优化的关阀方案

目前，油库发油系统的主控阀门有很多种，如球阀门、旋塞阀门、电磁阀门、电动阀门、电液阀门等。每种阀门各有其优缺点及最优适用条件，应谨慎选取。同时，主控阀门的关阀时间、调节规律、摩阻损失、机组特性、水击波速等因素均会对水击有影响。从理论上来讲，延长阀门的关闭和开启时间就可以有效地控制或减弱水击。但是，显然这段时间并非是可以无限延缓的。在20世纪60年代末斯特里特等人创立了“阀门三阶段连续调节法”以延长阀门启关时间;1970年美国普洛普森创立了“规定时间的阀调节”，要求在规定的时间内，完成管道从一种稳态工况向另一种稳态工况过渡，但该过渡时间不能少于水击波在管道内的往返时间，压力则不受限制;1985年美国戈德伯格提出了“阀门脉冲式调节法”，采用多次脉冲式调节，消除了三阶段连续调节法中第一和第三阶段的缓慢动作，使完成控制的时间更短，又称为“快速最优阀调节”;2009年我国赵会军等人提出采用电动球阀在关闭时先快关后慢关，尽量用抛物控制代替线性控制的方案，在控制水击的实践中取得了优质效果。

图1　

目前，不管采用何种关阀方案，其基本思路均是运用计算机进行数值模拟来分析并控制水击。首先，根据油品和管道的物理条件(密度、体积模量、管材弹性模量、管道厚度等)、选用主控阀门的流量特性及非恒定流运动定律，建立水击时阀门的基本控制方程:

式中:V—管道中油品流速，m/s;

t—时间，s;

x—距离，m;

λ—沿程阻力系数， N·s2/m4;

P—压力，Pa;

D—管道直径，m;

c—水击波传播速度，m/s;

g—重力加速度，m/s2。

之后，因为控制方程难解，应用特征线法，将其转化为微分方程:

由于管道中油品流速远小于水击波传播速度，因此V可忽略不计。将上述方程简化为:

我踢着街上在小石子，那是什么时候的事？哦，扒锅街消失的第三年，我照旧在新家的街道上被我妈拿着铲子追着，只是再也没有人给我通风报信，通常我都会被揍得很惨。

将简化后的常微分方程进行差分(其中 H为水击压头高度; V=， Q为流量，A为管道过水面积)(如图1)。

最终，再根据初始条件(选为恒定流)和边界条件(任意时刻水头等于管道进口处的初始水头)求得微分方程的解，得到油库管道的水击特定。

根据主控阀门的流量特性和油库管道的水击特性，就可以运用计算机编程进行数值模拟，得出主控阀门在发油结束时的最优关阀方案，进而有效控制水击。

2.2安装一定的泄压设备

20世纪90年代，曾采用的泄压设备是气压缓冲罐。工作原理是将气压缓冲罐安装在管道的适当位置，罐内充入适量压缩气体。在发生水击时，高压液体进入缓冲罐，使缓冲罐内空气受压并消耗水击能量。这种泄压方法简单易行，控制水击的效果也不错。但是，这种方法必须保证管道中石油进入缓冲罐内阻力要大，以降低罐内压力升高速度。与此同时，缓冲罐内液体流入管道时却要迅速、流畅。因此，这种方法的使用受到了限制。

目前常用的泄压设备有:自动泄压罐和泄压阀。自动泄压罐安装在管道的各泵站。基本原理就是当泵站的入口压力高于设定值时，泵入口泄压阀开启，将部分油品泄入泄压阀，使泵站入口压力降至正常值;当泵站的入口压力低于设定值时，泵站出口泄压阀开启，部分油品流至泵站入口，将泵站入口压力提升到正常值。当进出站压力恢复到正常设定值时，泄压阀自动关闭，从而保证了管道的安全运行。

另外，还有一些小技巧。可在管道中加一段缠绕性软管，有利于水击能量的释放。如在加油枪后缠绕软管，虽然加油枪的开关时间很短，但是水击却不严重，就是应用这个原理。

2.3水击波拦截

根据水击现象形成的原理，可以直接采取水击波拦截来消除水击。具体实施方案就是在发生水击的上下游站采取部分停泵的方法制造新的水击波，利用新的水击波与原水击波叠加后相互抵消的原理，使水击波受到拦截，从而达到消除或减弱水击的危害。但是，采用这种方法关键是要准确判断水击，适时向水击发生的上下游泵站发出相关指令，技术性要求较高。往往，在何时并且制造的新水击波强度如何都关系着这种方法的效果。因此，虽然此种方法理论上可以完全消除水击，但在实际应用上还是存在着一定误差。通常，在管道实际运行中，我们是将水击波拦截技术编入SCADA系统中，依靠其功能自动进行事故辨认，对各泵站的主泵等设备直接下发操作指令，及时消除水击危害。

2.4其他措施

可以在油库发油系统中的每个硬件设备上采取相应措施，力求减缓或消除水击。例如，为了降低油品流速，进而降低水击压力，可以适当增大管道直径，做到人为控制油品流速。在我国石油库设计规范中有明确规定，油品的装车流量不宜小于30m3／h，但装车流速不得大于4.5m／s，所以一般管道直径宜在DN80～150mm。为了延缓阀门的启、关时间，可以选择合理的管道管径、管长和管线布置。为了减缓水击波传播速度，可以采用弹性模量较小的管材。

另外，针对我国目前技术相对落后、但具有广阔发展前景的成品油管道顺序输送来说，为了消除或减缓水击，可以按油品的物理和化学性质相接近的程度来安排输送顺序，减小初始混油段内油品的密度梯度，从而减小油品界面通过离心式输液泵时的压力变化。若密度差较大的两种油品不可避免同管道输送，可在二者中间增加隔离液，以达到油品界面通过离心式输液泵时压力变化减小的目的。

不管是以上哪种方法，在实际运用过程中均存在着局限性。虽然我们致力于消除水击，但是不能因为刻意消除水击，而破坏油库发油系统的整体协调运行。

3　结语

在实际的应用过程中，不管油库发油系统无论是正常运行的，还是因事故发生引起流量变化，管系内油品的流速均会发生变化，均有引起水击的可能。一旦发生水击，轻则使管件松动，管道震动扭曲，重则损毁管道设备，发生事故。因此，对油库发油系统的水击要给予足够的重视。预防为主，防治结合。经常校核系统中发生直接水击处的安全程度，并采取适当的措施消除或减缓水击的发生。

[1]倪昊煜．水击理论研究．郑州大学,2004.

[2]吴建华,魏茹生等.缓闭式蝶阀消除水锤效果仿真及实验研究.系统仿真学报,2008.

[3]赵会军,李俊玲,刘凯等.油库发油系统水击控制关阀方案.油气储运,2009.

[4]任士宪.石油库自动付油系统水击问题的探讨.石油库与加油站, 2009.

[5]雷西娟.常见输液管道中的水击控制.石油机械,2002.

吴冀苏,江苏泰兴人,工程师,1982年11月出生,主要从事油库业务管理工作。