基于OLGA软件的某成品油管道N站泄压参数优化
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摘 要： 输油站场泄压系统的泄放能力对于站场的安全有着重大的意义。为了验证某成品油管道分输站场N在进站阀门关断工况下泄压系统的保护能力，采用OLGA软件对N站站内阀门突然关闭造成的水击工况进行模拟计算。分别模拟普通工况与极端工况来检验现有泄压系统是否能达到安全泄压目的的同时，模拟不同泄压阀直径、泄放管道直径、泄压罐呼吸阀直径对泄压过程中的泄放管道内累计泄放量、进罐流速以及罐压的影响，优化分输泵站N现有泄压系统参数。
关 键 词：水击;OLGA软件;泄压阀;泄压管;呼吸阀
中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）05-0919-04
Abstract： The discharge capacity of the pressure relief system of the oil transmission station is of great significance to the safety of the station itself. In order to verify the protection capability of the pressure relief system of a refined oil pipeline distribution pump station N under the condition of water hammer caused by the shutdown of the inlet valve，
OLGA software was used to simulate the water hammer condition caused by sudden closure of valve in N station， a distribution pump station for transporting oil products. Common and extreme conditions were respectively simulated to verify whether the existing pressure relief system can achieve the purpose of safe pressure relief. At the same time， in the process of pressure relief， simulate the influence of different pressure relief valve diameter， relief pipe diameter， relief tank breathing valve diameter on the cumulative discharge capacity， tank inlet velocity and tank pressure in the relief pipe， and optimize the existing pressure relief system parameters of station N according to the simulation results.
Key words： Water hammer; OLGA software; Relief valve; Pressure relief pipe; Breathing valve
水击是输油管道中常有的现象，对管道安全运行产生极大的威胁，通常体现在因事故引起水击造成流量和压力的变化，如站场突然停电导致输油泵停输，进出站阀门事故关闭。这类事故容易造成非常大的流量突变和压力突变，当水击压力超过输油管道最大承受压力时，轻则引起输油管道或设备发生损害，重则会出现爆管等严重事故[1，2]。
GB 50253-2014《输油管道设计规范》5.1.4中规定，正常操作下，由于水击和其他因素造成的瞬间最大压力值，在管道系统中任何一点都不得超过输油管道设计内压力。目前长输管道主要使用超前保护系统和泄压系统共同作用来保护管道的压力安全。超前保护系统即采用保护性调节或顺序停掉相关泵站输油泵等方法向上下游发出增压波或者减压波，以防止管线相对薄弱地段超压或高点汽化。泄压系统由泄压阀、泄压罐、泄放管道以及一些仪表组成，当站场进（出）站压力高于进（出）站泄压阀设定值时，泄压阀开启，通过减小主干道流量的方式来降低进（出）站压力。
分输站场由于不同时期分输任务不同，进出站流量变化较大使得进出站压力变化巨大，因此对于站场泄压能力要求较高。泄压阀通过泄放管道与泄压罐相连，阀后压力即为泄压罐内的压力，而泄压罐为常压罐，当泄压阀开启压力值与大气压相差较大时，泄压阀在泄放过程中要承受巨大的流量冲击，一旦泄放流量超过泄压阀的最大泄放能力时，可能会引起泄压阀阀内部控流部件的断裂，导致泄压阀开启后不能复位，从而造成冒罐事故[3]。因此对于分输站场泄压系统泄放能力的验算十分重要。
本文以某成品油管道分输泵站N为例，运用OLGA仿真軟件，分别对常规事故水击工况和极端事故水击工况进行模拟，检验分输泵站N现有泄压系统能否达到安全泄压的标准，并提出优化建议。
1 水击系统仿真模型的建立
1.1 OLGA仿真系统
OLGA是模拟烃类流体在油井、管道、管网中瞬、稳态多相流动的软件包，由挪威的SINTEF和IFE联合开发，是开发最早的油气混输管流瞬态模拟软件，是目前世界领先的瞬态多相流模拟软件[4]。
基于泄压系统理论计算和仿真模拟验证，结合现有泄压系统设计文件，应用OLGA软件对该管道建立仿真模型。 1.2 OLGA仿真模型的建立
该成品油管道全线采用常温密闭顺序输送工艺，沿线地温设置为20 ℃;首站输送流量为730 m3/h，分输泵站N站内分输至当地油库，输量为292 m3/h;输送流体为柴油，密度为850 kg/m3，黏度为4.7 mm2/s。建立分输泵站N站泄压系统，进站泄压阀开启压力值为6.4 MPa，出站泄压阀开启压力值为7.8 MPa。建立模型如图1所示。
2 N站泄压系统现状
该成品油管道各站场设置了超前保护系统和泄压系统，对可能发生的水击进行保护。
N站发生水击事故时超前保护系统处理的逻辑为：当进站ESD阀门事故关断时，ESD阀门离开全开位置，站场报警，延时30 s，顺序停运首站所有输油主泵，执行后30 s，关闭首站进站阀门、出站阀门，关闭分输泵站N站进站阀门;当下游阀室事故关闭时，在阀门离开全开位30 s后，顺序停运分输泵站N站所有输油主泵，执行后30 s，关闭分输泵站N站注入阀门与出站ESD阀门。
N站发生水击事故时超前保护系统处理的逻辑为：当管道压力达到泄压阀设定的开启压力时，开阀泄压。
2.1 N站常规事故水击工况模拟
按照设计的最大流量730 m3/h稳态运行时，发生N站进站ESD阀门紧急关闭事故工况，在超前保护系统正常运行的情况下，水力模拟表明，在采取水击超前保护后全线无超压，N站进站泄压阀前压力最高仅为2.9 MPa（图2），达不到泄压阀值6.4 MPa，停输后水力坡降线位置适中。
2.2 N站极端事故水击工况模拟
为检验N站现有泄压系统是否能满足极端工况下的泄压需求，特定义极端工况为：N站进站ESD阀门突然关断，关阀时长为180 s;该成品油管道全线超前保护失效， N站进站发生水击后无法顺序停泵，且首站泄压系统失效;当首站泵前压力达到泵的停车压力（9.4 MPa）时，首站停泵。
在此特殊工况下利用OLGA软件选用不同的泄压阀直径、泄放管道直径、泄压罐呼吸阀直径进行模拟，以泄放流量、进罐流速、罐内压力为评价标准，检验N站泄现有泄压系统在经济安全的情况下是否满足泄压需求。
2.2.1 不同泄压阀、泄放管道直径计算模拟
N站现有进站泄压系统中，泄放管道、泄压阀直径皆为150 mm， 呼吸阀直径为250 mm，泄压罐为常压罐，罐容500 m3。模拟结果显示，N站在第50 s开始关闭站前ESD阀门，230 s完全关闭，此过程中阀门处向上游传递一个增压波，增压波到达N站泄压阀后，N站进站压力由0.8 MPa开始变大，在第797 s压力上升至泄压阀开启阈值6.4 MPa，泄压阀打开，开始泄放油品。第830 s首站泵前压力达到停车值9.4 MPa，关闭泵前阀门。整个泄放过程持续607 s，泄放过程中泄放流量最高达652 m3/h，未超过泄压阀最大通流能力，泄放油品共42.67 m3，无冒罐风险，泄压罐内压力最高为0.106 5 MPa（图3），无超压风险。第1 406 s，泄放流量降为0，泄放管道内压力为6.3 MPa（图4）。
针对同种极端事故水击工况，泄压阀和泄放管道直径分别选用100、200 mm作为其对比参数，进行极端工况模拟，模拟结果如表1所示。
从模拟结果可以看出，三种泄压阀直径对于泄压罐内压力影响较小。根据泄压阀厂家提供的泄压阀最大通流能力显示，100、150、200 mm直径泄压阀的最大通流能力分别为380、880、1 600 m3/h。故本次模拟中，100 mm直径泄压阀不能满足最大流量需求，故排除。因石化行业防静电标准中规定，安装静电中和器时，入罐最大流速不得大于10 m/s，而现有150 mm泄放管道在极端工况下最大流速为10.24 m/s，不满足该项规定。
经过模拟综合对比，在满足经济安全的情况下，N站泄压系统中泄压阀直径、呼吸阀直径、泄压罐罐容满足需求，仅需将泄放管道直径150 mm提升为200 mm。
2.2.2 不同呼吸阀直径计算模拟
泄放过程中，进罐的油品压缩罐内气体空间，使得罐内压力变大，因此为了保证泄压罐的压力安全，每个泄压罐上都配备了全天候呼吸阀。当管内气体压力增加或减小至泄压罐呼吸阀设定的极限压力时，呼吸阀打开放出气体或者吸入气体维持管內压力平衡[5]。若呼吸阀选用不合适，泄放流量过大对罐内冲击压力超过罐的承压，会造成罐的撕裂。
通气量是选择呼吸阀的一个关键参数。根据标准 SY/T 0511.1-2010《石油储罐附件第1部分：呼吸阀》和 SY/T 0511.2-2010《石油储罐附件第2部分：液压安全阀》，呼吸阀的通气量通常按照美国石油学会标准API2000来计算：
因为该管道中输送的介质为柴油，柴油闪点大于等于55 ℃，查阅规范可知罐容500 m3时，Qt取值50.6 m3/h[6]。在上文中，优化后的泄压系统最大泄放量流量为643.6 m3/h，运用公式可算出故储罐最大通气量为 700.6 m3/h。根据厂家提供的呼吸阀最大流量表（表2）可知，DN250的呼吸阀最大流量为1 500 m3/h， 故该呼吸阀能满足该泄压阀在极端工况下的通气需求。
与此同时，泄压罐呼吸阀选择时，应该在满足泄压罐通气量的前提下，超压尽可能小，尽量使得泄放过程对罐内压力冲击较小，且口径不宜过大[7]。
因此，另分别模拟呼吸阀直径为150、200 mm时的泄压工况作为比较，结果表3所示。
模拟结果可以看出，泄放过程中呼吸阀直径越大，泄压罐罐内压力越小。当呼吸阀直径为200 mm时，泄压罐内压力冲击较小，最高压力仅为0.1492 MPa（图5）， 小于常压罐0.2 MPa承压标准。当直径小于200 mm，罐内压力相对较高，会对泄压罐安全产生威胁。模拟结果显示，呼吸阀越小，泄放量越大，其主要原因为呼吸阀过小，通气量不足，泄压罐内压力增加，会影响进罐流量，导致泄放管道泄压不及时，增加泄放时长，从而增加泄放量。200 mm相比于250 mm呼吸阀工况下，泄放量多出8.19 m3， 其工况图如图6所示。通过计算，150、200 mm呼吸阀允许的最大流量小于泄压罐在极端工况下的最大通气流量，无法满足安全泄压需求，故排除。
结合以上分析，在经济安全且保证泄压罐内压力稳定的情况下，N站现有泄压罐呼吸阀直径满足极端工况下的通气量需求。
3 结 论
（1）在现有超前保护系统逻辑正常运行下，N站发生进站ESD阀门紧急关闭事故，在采取水击超前保护后全线无超压，泄压阀前最大压力未达到泄压阀设定压力，管道无泄压。
（2）在极端事故水击工况下，N站现有进站泄压阀直径、泄压罐呼吸阀直径、泄压罐罐容满足泄压需求，为使进罐流速满足石化行业防静电标准，需将泄放管道直径扩大至200 mm。
（3）发生水击工况时，泄放油品总体积与泄压阀直径、泄放管道直径、呼吸阀直径有关;进罐流速主要受泄放管直径，呼吸阀直径影响，泄压阀直径变化对进罐流速影响较小;罐内压力主要与呼吸阀直径有关，泄压阀直径、泄放管道直径变化影响较小，罐内压力随呼吸阀直径的增大而减小，呼吸阀直径越大罐内压力越稳定。
参考文献：
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[2]梅春林，张存华. 输油管道的水击分析及保护[J].现代化工，2016 36（11）：208.
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[4] 韩宁.基于OLGA软件的南海某天然气管道腐蚀模拟研究[D].西南石油大学，2016.
[5] 王玮，马贵阳，孙志民.输油管网水击危害及其防治[J].油气田地面工程，2010，29（03）：45-46.
[6]张春，郁振华，周中强.储罐通气能力校核及解决方案研究[J].化学工程与装备，2016（08）：184-186.
[7]王岩，邓亮.常压储罐通气量的确定及呼吸阀选型[J].山东化工，2017，46（13）：76+79.
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