水锤的模拟综合法及防患措施

柳耀琦

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

水锤的模拟综合法及防患措施

柳耀琦

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

以某项目原油长输管线为研究对象，结合数解综合法公式估算的快捷性和AFT Impulse软件计算的精确性。首先用经验数据代入公式快速估算出水锤的最大压升，并利用工程经验快速辨识和筛选可能发生较严重水锤事故的管线，然后利用水锤软件进行精确模拟和计算，并制定合理的水锤防患措施。

水锤；数解综合法；电算法；AFT Impulse；水击泄压阀； SCADA系统

在泵站管路组成的输送系统中，从某一稳定水力状态过渡到另一稳定水力状态中所发生的非稳定流动过程称为管路系统水力过渡过程，俗称水锤现象。水锤现象的持续时间虽然短暂，但它会造成严重的工程事故。因此对水锤现象进行充分分析并判断其危害程度，进而采取有针对性的防患措施，具有重要的实际意义。

本文以连接某储备库的各段原油长输管线为研究对象，结合数解综合法和电算法各自的优势和工程应用价值，最终根据计算结果制定出一套切实可行的水锤防患措施。水锤计算综合法的工程化应用的具体研究内容包括：

（1）前期利用水锤理论预判及数解综合法进行初步估算；

（2）AFT Impulse软件模拟和计算；（3）比较与验证估算值与计算值；

（4）根据计算报告制定有针对性的水锤防护措施。

1 水锤计算综合法的工程化应用项目概况

1.1 项目概况

项目分别从首站和港口首站将原油送至中转站减压后，由中转站新建一根3 km DN 700原油管线送至某储备库存储。同时原油可通过DN 700管线接至中转站分输后，输送至石化厂、炼化厂、港口首站，管道敷设地势平缓。原油进、出库途径各分为三个工况，详见表1～6。

工况一：首站通过已建的湛茂线DN 500原油管道输送至中转站，原油通过已有湛茂线输送至中转站正常边界压力为2.87 MPa，经中转站内压力调节阀减压至0.55 MPa后出中转站，利用新建3 km DN 700的输油管道进储备库；

工况二：进口原油通过 “港口首站—廉江段DN 800输油管道输至中转站，通过3 km DN 700的管道进库；

工况三：进库流程同工况二，设计流量增至3 900 m3/h；

工况四：通过DN 700管道送至中转站后，由DN 500湛茂线往石化厂输油；

工况五：原油通过本项目新建DN 700输油管道送至中转站后，利用DN 700管道向炼化厂输油；

工况六：原油通过DN 700输油管道送至中转站，利用DN 800管道反输至港口首站。

1.2 分析过程与方法

首先采用数解综合法的理论公式快速计算出水锤的最大压升，并利用工程经验快速辨识和筛选可能发生较严重水锤事故的管线。然后利用水锤软件进行精确模拟和计算，以计算值验证预判结果。最终根据计算结论制定出一套有针对性的水锤防患措施。

1.2.1 工程经验预判水锤严重性

根据水锤理论和工程经验[1]所总结的水锤诱发因素和条件，对本项目长输管线发生水锤可能性和严重性进行预判，详见表7。

表1 首站向储备库输油工况工艺参数表Tab.1 Parameters table of station transport oil to depot

表3 港口首站向储备库输油工况工艺参数表Tab.3 Parameters table of port station transport oil to depot

表4 储备库向石化厂输油工况工艺参数表Tab.4 Parameters table of depot transport oil to petrochemical plant

表5 储备库向炼化厂输油工况工艺参数表Tab.5 Parameters table of depot transport oil to refineries

表6 储备库反输至港口首站工况工艺参数表Tab.6 Parameters table of depot transport oil to port station

表7 经验值与工程值的比较与预判一览表[2]Tab.7 Compared with expericence value for anticipation[2]

表7中有6项水锤诱发因素，本工程长输管道共占有4项，有些数值已远远超过经验值，必须考虑水锤压升，因此长输管线将作为重点进行水锤计算。

1.2.2 数解综合估算法

根据《炼油厂全厂性工艺及热力管道设计规范》[3]中管线发生水锤产生最大的瞬时压升公式，其结果可以帮助我们预测管线发生水锤时的危害程度，并粗略地估算瞬时压升。

式中 t—管道末端阀的关闭时间，s；

Lh—传播水锤波的管道长度，m；

U—水锤波在液体中的传播速度，m/s；

式中 K—液体的体积弹性模数（Pa），对于油品可取1.35×109Pa；

E—管材在操作温度下的弹性模量（Pa）；取1.924×1011Pa；

ρ—液体密度，kg/m3；

di—管子内径，m；

δ—管子壁厚，m。

① 防止直接水锤的控制流速，可按下式计算：

② 防止间接水锤的控制流速，可按下式计算：

式中 VC—控制流速，m/s；

ΔP—管子允许的水锤增压，MPa。

经过计算，六种工况均属于直接水锤。算得水锤增压ΔP，当阀门关闭时，泵扬程会升到死压头，估算管线发生水锤时叠加后的最大操作压力，见表8。

表8 各工况估算值与预判一览表Tab.8 List of estimation and anticipation for various scenario

工况一、二、三、六压力估算值已超过管道设计压力，工况四、五最大操作压力接近设计压力。为验证估算值，进行软件模拟及计算。

1.2.3 软件模拟及分析法

（1）系统建模

首先根据边界条件与流程图，利用AFT Impulse软件建立模型。

（2）稳态分析

系统模型建立后，对系统稳态工况下的工艺参数进行校核，譬如根据调节阀所设定的流量或压力值推算阀门的Cv值；根据泵的流量、扬程、转速、效率等参数校核工作曲线。

（3）瞬态分析

用稳态工况下的工艺参数对系统模型进行校核后，输入瞬态事件及触发瞬态事件发生的条件来模拟水锤现象。针对该段长输管线我们在工况管理器中设置两个瞬态工况：第一为紧急切断阀突然关闭，第二个工况为泵突然掉电停输。

图1 系统模型Fig.1 System model

以工况一为例，从图2可知，当储备库进油线紧急切断阀30 s内关闭，所产生水锤的瞬时压力最大值发生在P6段管线，达到近5.68 MPa。

图2 管道压力与时间变化关系图Fig.2 The change of pipeline pressure with time

从图3可知，当首站输油泵掉电停泵时，泵出口压力迅速下降并未引起压力升高。

图3 管道压力与时间变化关系图Fig.3 The change of pipeline pressure with time

1.2.4 计算值与预判值的验证和结论

采用水锤软件AFT Impulse对六个工况管道的水锤模拟计算结果，与公式估算值进行对比，详见表9。

表9 各工况公式估算值与软件计算值对比表Tab.9 comparison of calculation and estimation for each condition

2 水锤防患措施的应用

2.1 水锤防范的一般措施

针对工程项目的特点，从预防、控制、减小和消除水锤危害三方面优选安全可靠、技术方案合理、投资经济的水锤防范措施。首先从设计（如介质流速、泵扬程的优化、管道路由的选择和布置、设备选型及管道材质的选择）应尽量避免缓和水锤，同时利用SCADA系统实时对管路流量、压力进行数据采集和分析，将异常情况提前报警，按照设定的控制和连锁值控制相应设备，提前干预非稳态流动状态。

王继忠等[4]利用软件模拟了事故停泵后，管路系统发生水锤后泵特征量和水力包络线的变化图，经过多次模拟和尝试，证实减小和消除水锤危害需要采取多种水锤防护手段和措施综合防范。李伟帅等[5-11]提出吸收、缓冲、减小水锤压力的措施，具体归纳为：（1）设空气罐或压力罐；（2）设空气阀（例如空气阀及复合型空气阀的选用；（3）双向调压塔；（4）单向调压塔；（5）溢流式调压塔；（6）大口径膨胀V接头；（7）水锤泄压阀；（8）压力水箱。

水锤产生的最大瞬时压升值是管道系统正常操作压力的几倍，若依靠提高管道系统的压力等级来提高设计压力，显然是不经济的。长输管道的设计通常采用设置水击泄压阀对管道进行超压保护。水击泄压阀可以减小水锤压升，避免管道超压导致破裂事故。泄压阀进口侧连通受保护管线，出口侧连通泄压总管至泄压罐。使用前，预先向阀门柱塞内充入确定量的氮气，氮气压力正好使柱塞与密封环紧贴，正常时无介质通过。当水锤压力达到阀门开启的设定值时，介质顶开柱塞泄压；当水锤压力衰减小于设定值时，阀门缓慢平稳关闭至初始状态。

合理设置泄压阀开启压力值并通过在AFT软件计算泄放量和泄放时间。按照经验将整定压力设为1.35 MPa。用AFT软件模拟P6段管线压力和时间的变化，当水锤压力激增至1.35 MPa时，泄放阀起跳泄压，管系压力控制在设计压力1.60 MPa以下，然后逐渐平稳。水锤泄压阀的设置可有效起到控制水锤的作用，详见图4。

图4 设置水锤泄压阀后管道压力随时间变化曲线Fig.4 The change of pipeline pressure with time after setting water hammer pressure relief valve

2.2 水锤产生的泄放量与泄放时间

从图5，图6可以看出在40 s时低压水锤泄压阀开启后，原油泄放至罐内，当150 s时停止泄放，泄放时间为110 s，泄放量约为280 m3/h，累计泄放总量为4.7 m3。

图5 泄放量与泄放时间的关系图Fig.5 The change of pipeline pressure with time after setting water hammer pressure relief valve

图6 泄放累计量与泄放时间的关系图Fig.6 The change of discharge capacity with time

3 结论

本文总结了一套非稳态流体模拟和水锤计算的综合方法，并根据模拟和计算结果采取有针对性的水锤防患措施。得到如下结论：

（1）五个工况的预判结果与软件结果近似，且判断超压的结论吻合，证明公式估算的结果具有可信度和参考价值。可在项目前期，当软件建模所需的各项输入数据不全时快速进行估算，便于设计人员评估和筛选可能发生严重水锤的管道，以待下阶段进行精确模拟和计算。

（2）AFT Impulse水锤软件可以对复杂管路模型的非稳态流体进行模拟并输出图形和计算报告，结果精确直观。

（3）在长输管道上设置水击泄压阀可以在不提高管道设计压力的情况下，对管道系统进行泄压保护，是最有效的水锤防患措施之一。其与SCADA系统组成了长输管线主要的水锤防患措施。

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Simulation and Precaution of Water Hammer

Liu Yaoqi
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai, 200120）

With one long oil transportation pipeline as studying objective, the swiftness of the equation from numerical synthesis method and the accuracy of Impulse software for simulation of water hammer were estimated.First, empirical data was input to the equation to estimate the maximum pressure rise of water hammer.With engineering experiences the pipeline in which the most serious water hammer may occur was then fast classified.Finally, water hammer was simulated and calculated by using software, and the proper protection methods were determined.

Water hammer; the numerical synthesis method; electric algorithm; AFT Impulse; water hammer pressure relief valve; SCADA system

TE 8

：A

：2095-817X（2015）04-006-006

2015-06-05

柳耀琦（1982—），男，工程师，主要从事油气储运工程设计与研究。