冯云 杨金威 马妍欣 甘亦凡 孟繁琦 张天一

摘      要：通过SPS软件的水力坡降图确定了管道翻越点的位置以及发生不满流工况的管段，并通过读取末站压力得出了可避免不满流工况的下站来油进站压力设定值，制定了不满流工况的应对策略。测算了不同管径对不满流工况的影响，得出了可避免不满流工况的最大管径。为验证SPS模拟结果的准确性，用公式法计算结果进行了对比验证，发现SPS模拟结果精度较高，满足工程要求，可用于不满流工况应对策略研究。运用SPS软件可以高效地确定翻越点及产生不满流工况管段的位置，准确地计算出下游进站压力设定值，还可以模拟不同参数对不满流工况的影响，对原油管道安全高效运行具有重要意义。

关  键  词：SPS;翻越点;不满流;应对策略

中图分类号：TE 832       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）08-1763-05

Abstract： Through using the hydraulic gradient diagram of SPS software， the position of pipeline crossing-over point and the slack line flow pipeline section were determined. Through reading the pressure value of the terminal station， the setting value of inlet pressure which can avoid the slack line flow condition at next station was obtained， and the corresponding strategy was formulated. The influence of different pipe diameters on slack line flow conditions was investigated， and the maximum pipe diameter which can avoid the slack line flow was calculated. In order to verify the accuracy of SPS simulation results， SPS simulation results were compared with the results calculated by formula method. It was found that the simulation results of SPS had high accuracy and satisfied the engineering demand. It can be used to research the corresponding strategy of slack line flow conditions. The crossing-over point and slack line flow pipeline section can be determined efficiently and the setting value of inlet pressure can be calculated accurately by using SPS. It can also simulate the effect of different parameters on the slack line flow condition， which is of great significance to the safe and efficient operation of crude oil pipelines.Key words： SPS; Crossing-over point; Slack line flow; Corresponding strategy

位于地形起伏较大地区建设的长距离原油管道，管道会随高程变化上下起伏，经常有高程变化较大的管段，尤其是长陡下坡管段，液流在翻越高峰点后，存在较多的剩余水头，容易在下坡管段产生真空不满流工况。不满流工况可能会导致对管段事故反应变慢、产生巨大增压使管道压力超限、引发管段产生气蚀和强烈的振动造成管道破坏、加剧管道内壁的腐蚀等，可见不满流工况对管道安全高效运行有很大的危害[1]。因此，研究不满流工况的应对策略对管道的安全运行有着重要的意义。Stoner Pipeline Simulator/（SPS）是一种先进的流体仿真应用程序，可以模拟任何现有的或规划设计中的管道，可对正常或非正常条件下诸如管路破裂、设备故障或其它异常工况等进行模拟，可对各种不同控制策略的结果做出预测。本文通过运用SPS水力坡降图高效准确地确定了翻越点及发生不满流工况管段的位置，并模拟得出了不同管道参数对不满流工况的影响，给出了不同的应对方案，对工程实际具有良好的指导作用[2]。

2.2  翻越点定义

当要将一定数量的油品通过管道上的某高点时所需的压头比输送到终点所需的压头大，且管道内原油自该高点至终点所得的位能可能大于为克服流動时的摩擦阻力所需的能量，那么此髙点就为原油管输过程中的翻越点[5]。

2.3  翻越点及不满流管段的确定

做管道里-高程变化图，在接近管道末端的纵断面线的上方，按其纵横坐标的比例作水力坡降线，将水力坡降线向下平移，直到与纵断面线相切为止。若水力坡降线在与管道终点相交之前，与管道纵断面线上的某点相切，则存在翻越点，该点即为翻越点，翻越点多为接近管道末端的某髙点[6]。

图2所示为起点压力为2 300 kPa时的SPS水力坡降图（STANDARD.FLOW为流量、ELEVATION为管道高程、HEAD为水力坡降），水头线与高程线于A点（30.8 km，570.2 m）相切。

根据图3、图4压力变化图可以看出此时高点压力为0 kPa，末站压力为1 160 kPa（图5），末点压力折算水头137.62 m，已知高程差产生的位能为223.12 m，故下坡段摩阻为223.12 m-137.62 m = 85.5 m。位能远大于克服流动时摩擦阻力所需的能量，故A点即为翻越点，在该点后的管段将产生不满流工况[7]。

3  基于SPS仿真的应对策略研究

3.1  可避免不满流工况的进站压力设定值模拟

因管道沿线压力不得低于0.2 MPa，故设置起点压力为2 500 kPa，水力坡降如图5所示。沿线压力变化如图6所示，此时管道高点压力值为200 kPa，折算水头为23.74 m。原油在高点位置已经具有23.73 m的水头，再加上223.12 m位能，若末站来油进站设定值按照最小进站压力0.5 MPa（折算为水头59.32 m）设置则原油在下坡管段更容易发生真空不满流。

在现场管理过程中，对不同工况下的来油设定值均可根据读取的末点压力值进行设置以避免不满流工况的产生，通过SPS仿真读取来油进站压力设定值不仅简单方便易于操作，还可避免计算过程中产生的错误。

3.2  可避免不满流工况的管径模拟研究

根据达西水力摩阻公式可知，管道的水力摩阻与管径成反比，与流速的平方成正比，综合起来，水力摩阻与管径的5次方成反比[8]。管径越小摩阻损失越大，在工程中可以采取在下坡段采用小管径管道的措施，当管道摩阻损失等于位能的增量时便可避免不满流工况的产生。故在SPS软件中将末站压力控制为0.5 MPa（如图10所示），起点流量控制为2 554.2 m3/h测试满足工况要求的管径，该管径即为可避免不满流工况的最大管径[9]。如图8、图9所示，将管径改为 时，沿线翻越点均可通过，原油输送到末站时压力值刚好为0.5 MPa，故将下坡段管径设置为 时可避免不满流工况的产生。但是采用小管径管段会对管道清管等操作带来不便，所以在工程上并不推荐采用缩小管径的方式作为不满流工况的应对策略[10]。

4  公式法对比

为验证SPS软件模拟的准确性，本文采用公式法计算避免不满流工况应设的末点压力以及可避免不满流工况的最大管径，将其结果与SPS软件的模拟结果进行比较。

4.2  可避免不满流工况的末站压力设定值计算

根据现场数据，20摄氏度时黏度为20 mm2/s，高点A到末点B的距离为L1=27 km，高程差△Z=-223.12 m，带入数据计算得hf=86.10 m。局部磨阻取1%沿程磨阻0.86 m水头进行计算。取高点压力为管道允许最低压力0.2 MPa，列A-B两点间伯努利方程[12]：

带入数据Z1=570.2 m，P1=0.2 MPa，Z2=347.08 m，满流时v1=v2，hz=hf+0.1hf，计算得P2=1.348 MPa，即将末站进站压力设置为1.348 MPa即可避免不满流工况的产生。SPS模拟结果与公式法计算结果误差仅为0.02%，可见SPS模拟结果满足精度要求，可以作为不满流工况研究的辅助软件。

4.3  可避免不满流工况的最大管径反算

管径越小摩阻损失越大，在工程中可以采取在下坡段采用小管径管道的措施，当管道摩阻损失等于位能时便可避免不满流工况的产生。根据已知数据，反算末站设置为允许进站压力0.5 MPa时可避免不满流工况的的管径[13]：

将数据Z1=570.2 m，P1=0.2 MPa，Z2=347.08 m，P2=0.5 MPa，带入伯努利方程计算得此时hz=187.53 m，将hz=187.53 m带入列宾宗公式计算得d=0.650 m，即高点压力为0.2 MPa，末站进站压力设置为0.5 MPa时，下游管段选取管径小于0.650 m的管道可避免不满流工况的产生。根据管道规格，660 mm×9.5mm的管道满足要求，与SPS仿真结果一致。

5  结 语

本文通过在SPS中输入里高程等管道基础参数的条件下自动生成沿程水力坡降线，通过调节起点压力上下平移水头线的位置，从而可以更加方便准确地确定翻越点及不满流工况产生的位置。通过公式法计算结果与SPS软件模拟结果对比，发现SPS模拟结果准确度较高，可以作为现场辅助管理软件。将其运用在不满流工况的研究中可以更加方便直观地确定翻越点及可能发生不满流工况管段的位置，通过SPS仿真模拟读取原油输送到末站时的压力值从而制定末站来油进站压力设定方案可以避免不满流工况的产生，还可以通过模拟测算得出不同管径对管道不满流工况的影响，给出可避免不满流工况的允许管径，从而辅助现场工作人员高效地管理运行。

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