成品油管道水力系统控制模式实例分析关键词 成品油管道 水力系统 控制模式 实例分析论文摘要 本文通过对简单液体管路系统的水力模式的分析，阐述了成品油管道水力控制的三种模式“P-P”控制模式、“Q-P”控制模式“P-Q”控制模式，并通过鲁皖成品油管道控制系统设计的实例分析，说明复杂长输成品油管路的水力系统控制设计时一般的选择模式以及应该注意的主要问题。
一、概述 随着社会经济的发展，我国长输管道发展迅速，其输送技术也逐暂成熟。长输管道输送工艺从最初的旁接罐输送发展到现在的密闭顺序输送，管道水力系统的控制技术也日臻完善。
目前，在成品油管道上常用的自动控制系统是SCADA（Supervisory control and data acquisition）控制系统。自动控制系统可以有效地监控管道的运行状况，降低管道运行能耗，增加管道运行安全。随着管道自动化控制水平的不断提高，越来越多的管道实现了自动化输油，特别是近十年来新建的长输管道均按照自动化进行生产运行，且其自动化水平也在逐步提高。
随着成品油管道建设的不断发展，单一管道的长度越来越长，管径也逐渐增大，管道经过的地形地貌也愈加复杂，输送介质品种越来越丰富，输送工艺也越来越复杂，对管道自动化控制的要求也越来越高，如在复杂成品油管道顺序输送压力、流量控制方面，针对不同的输送工况、不同的工艺要求，分别采用不同的控制模式。
二、简单液体管道水力系统模型 长距离密闭输送成品油管道的水力系统实际上是由多个简单管路系统组合而成。下面简要介绍简单管路水力系统模型。
设一条长为L，管径为D的简单管路，输送流体流量为Q，管道进口压力为P1，出口压力为P2，起点高程为Z1，终点高程为Z2。根据伯努利方程有 （1）式中Z1、Z2管道起点、终点高程，m； P1、P2管道起点、终点压力，Pa； V1、V2管道起点、终点的流速，m/s； 液体密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2; hf管道沿程摩阻损失，m。
管道的进出口的流速、沿程摩阻按下式计算 （2）（3）式中d管道内径，m； 流体粘度，m2/s; 、m流体流动状态参数。
由此可知 （4）式中 Z2Z1 由式（4）可以看出，管道水力系统与管道的长度、管径、起终点高程差、管道流量、管道进出口压力、管道输送介质特性（密度、粘度等）以及由流量与管道特性确定的输送介质的流态（确定、m值）有关。对于在役管道，管道的长度、管径、内壁粗糙度以及起终点高程差均为定值，可以人为控制的变量只有管道输送介质的性质、管道输送的流量和管道进出口压力，而对于已经确定的输送介质而言，其可控制变量则只有流量和压力。从式（4）可以推导以下式（5）、式（6）和式（7）（5）（6）（7）式（5）、（6）和（7）表明，只要确定管道的流量Q、进出口压力P1、出口压力P2中的任何两个参数，就可以计算出另外的第三个参数。
对于实际管道，可供管道运行人员检测控制的参数也就只有管道进出口压力和流量这三个构成管道水力系统的参数。因此，对管道水力系统来说，也就只需要控制其中的两个参数稳定就可以达到控制整个管道水力系统稳定的目的；相反，如果对这三个参数全部控制，则管道水力系统就很可能发生矛盾冲突，导致整个管道系统的运行的不稳定甚至瘫痪。
三、长输管道水力系统控制的三种模式 从上述分析可以得知，管道水力系统的控制可以根据管道的进出口压力和流量组成三种控制模式，早期比较常用的是“P-P”（管道进出口压力）控制模式。
这种控制模式控制简单、有效，但是随着长输管道的发展，其输送技术也日益进步，输送介质逐步扩展到成品油、天然气等其他介质，输送方式也由原来的单一品种输送发展到多品种顺序输送，由开式输送转换为密闭输送，其管道控制模式逐渐以“P-Q”（管道进口压力、流量）控制模式和“Q-P”流量、管道出口压力控制模式取代原来的 “P-P”控制模式。
1.“P-P”控制模式 “P-P”控制模式的优点是工艺流程简单、控制简便、安全可靠。管道进出口的压力是被控参数，管道流量可根据进出口压力自动平衡，当管道进口压力或者出口压力发生变化时，则管道流量也发生变化。
“P-P”控制是早期管道设计中最常用的一种控制模式，最典型的“P-P”控制模式是旁接油罐方式，其简单流程为 上站来油 增压泵 调节阀 管道 下站 旁接油罐 管道进口压力由本站调节阀的设定值来控制，管道出口压力由旁接油罐决定，旁接油罐直通大气而成为一个最简单的压力控制器。在旁接油罐输油模式中，各个站之间自成水力系统，互不干扰，全线根据各站进出站压力的匹配，调整整条管路系统的流量。旁接油罐输油方式控制简单，在每个增压泵站的出站均有调节阀不同程度的节流，管道运行能耗较大。
2.“Q-P”控制模式 在成品油管道中，由于其水力工况具有一定的特殊性，为使管道平稳运行，控制管道运行所产生的混油量，实时跟踪油品界面的位置，而且成品油的输送量在不同时期变化较大，因此需要对管道流量进行控制。
“Q-P”控制模式较“P-P”控制模式复杂，特别是引入了对流量参数的控制，在流程上增加了流量检测部分。“Q-P”控制模式一般在管道的进口设置调节阀或调速电机，利用流量计的检测参数作为被调参数，通过流量调节阀的PID调节控制或改变调速电机的转速来实现对流量的控制。在管道的出口仍以压力进行控制。
3.“P- Q”控制模式 “P- Q”控制模式与“Q-P”控制模式相类似，所不同的是分别控制管道进口压力和出口流量，该控制模式在长输管道上应用较少，大多应用于炼油、化工等行业。
四、鲁皖成品油管道水力控制系统实例分析 鲁皖成品油管道是一条长距离、多品种液体管道，管道干线全长768km，其中主干线长595km，全线密闭顺序输送0柴油、90和93汽油。全线共有6个分输点和两条分输支线，齐鲁为首站，宿州为末站，并在济南有注入点，在离济南站出口35.8km处为全线最高点，高程为620m，全线最低点的高程为26m，全线落差相对较大，在管道低输量下运行时，最高点为水力翻越点。
这样一条长距离成品油密闭顺序输送管道的水力工况相当复杂，以下几种情况决定了管道水力系统的控制模式 （1）随着油品界面位置在管道中的不断变化，管道沿程摩阻也在不断变化，给全线水力系统带来波动； （2）保持管道运行流量的稳定，有利于管道调度人员的编制输油计划，同时也可以尽量减少混油量； （3）在翻越点处，要保证管道运行和停输时不产生气液分离； （4）在管道低点，要防止超压和混油量的增加； （5）大落差水力工况的压力和流量控制； （6）管道分输的协调性对整个管道水力系统的影响； （7）管道水击保护控制的需要。
鉴于上述原因，在鲁皖成品油管道控制原理的设计时，采用多种控制模式组合成一个完整的复杂水力系统。
1.鲁皖成品油管道水力系统 鲁皖成品油管道共设置11座工艺站场，其中齐鲁首站、济南注入泵站、曲阜分输泵站、枣庄分输泵站和宿州末站等5座站场构成该管道的水力系统，其他三座为分输站，两座为支线末站，还有一座为给油站。鲁皖成品油管道采用密闭顺序输送工艺，整个管道系统和各分输支线是一个统一的水力系统，存在着压力和流量的总平衡。但整个复杂的管道系统是由多个简单的管路系统组合起来的，各管路系统之间相互联系，相互影响。概括来说，鲁皖成品油管道水力系统有以下几类管路系统组成 （1）齐鲁-济南注入泵站管路系统齐鲁首站出站设有调节阀，主要控制出站流量和济南注入泵站进站压力，同时也可以监控首站出站压力，首站出站压力由齐鲁首站济南注入泵站管路系统决定，只要确保其在设计压力内就可以保证安全，此管路系统属于“Q - P”控制模式； （2）济南注入泵站-曲阜分输泵站管路系统济南注入泵站出站设置调节阀，主要控制出站压力和曲阜分输泵站进站压力，以确保管路介质在济南高点不会出现翻越点，流量由济南注入泵站-曲阜分输泵站的管路系统决定，此管路系统属于“P - P”控制模式； （3）曲阜分输泵站-枣庄分输泵站管路系统曲阜分输泵站出站设有调节阀，主要控制出站流量和枣庄分输泵站进站压力，同时也可以监控曲阜分输泵站出站压力，曲阜分输泵站出站压力由曲阜分输泵站枣庄分输泵站管路系统决定，只要确保其在设计压力范围内就可以保证管道安全，此管路系统属于“Q - P”控制模式； （4）枣庄分输泵站-宿州末站管路系统枣庄分输泵站出站设有调节阀，主要控制出站流量和末站进站压力，同时也可以监控曲阜分输泵站出站压力，枣庄分输泵站出站压力由枣庄分输泵站宿州末站管路系统决定，只要确保其在设计压力内就可以保证安全，此管路系统属于“Q - P”控制模式； （5）济南给油站-济南注入泵站管路系统济南给油站设置出站调节阀，控制出站流量和济南注入泵站进站压力，给油站出站压力为自由参数。属于“Q - P”控制模式； （6）各分输支线-支线末站管路系统分输支线管道入口设置调节阀，控制分输支线入口流量，同时控制末站进站压力，其管道入口压力为自由参数，属于“Q - P”控制模式； 在管道的运行过程中，根据管道输量和运行参数的调整，可以改变各管路的控制模式，如齐鲁首站主要控制出站流量和济南注入泵站进站压力，同时，对该站出站压力进行监控，当出站压力达到高限定值时，首站出站调节阀即转为控制出站压力，则齐鲁首站-济南注入泵站管路系统改为“P - P”控制模式。根据水击超前保护的需要，在集中控制系统SCADA中嵌入了自动保护控制程序，使该管道水力控制系统更加复杂。这是由于管道输送工艺的特殊性决定了其控制系统的复杂性，只要通过调控参数合理设定和控制回路的优化，同样可以保证该复杂控制系统的稳定性和安全性，鲁皖成品油管道近5年来的安全平稳运行就很好地说明了这一点。
2.齐鲁首站-济南注入泵站、济南注入站-泰安分输站的控制模式是整个控制系统的核心 为了保证管道运行的安全可靠，同时也为了保证济南注入泵站的油品注入的顺利进行，保证济南注入泵站入口压力达到油品注入的要求，齐鲁首站-济南注入泵站之间管路采用“Q-P”控制模式，这是整个控制系统的核心之一。整个管路系统除从首站输入油品外，济南炼厂的油品也在济南注入泵站输入到本管道系统。如果济南注入泵站入口压力过高或者经常波动，将对济南炼厂的油品注入带来困难，也增大管道运行的能耗。
在距离济南注入泵站出口35.8km高620m的高点，比济南注入泵站高572m，在管道低输量下是一个水力翻越点。为了保证管道运行的安全可靠，同时也为了稳定管道输量的平稳，保证高点的压力、不至于产生气液分离，在济南注入泵站-曲阜分输泵站之间管路采用“P - P”控制模式，控制济南出站压力和曲阜分输泵站进站压力必须达到一定值，曲阜进站的流量由济南注入泵站-曲阜分输泵站的管路系统决定，是个自由参数。
3.油品分输控制系统 为了保证分输流量的稳定，有利于输油计划的编制和生产运行管理，鲁皖成品油管道油品分输系统控制采用“Q - P”控制模式，在各分输点设置流量调节阀，以分输流量计的输出值为被控参数，控制分输流量，油品到分输油库后直接进罐。但干线压力增加时，分输流量有增加的趋势，分输调节阀开度变小，使分输流量保持稳定。为了保证管道分输油品的安全，在分输调节阀的PID调节上增设了压力保护调节程序，即如果调节阀后压力达到设定值后一直升高，即改用压力保护调节，以调节阀后压力为被控参数，控制调节阀开度来控制调节阀后压力。此二者控制模式按压力高低进行选择。
此外，在全线必要的地方如泵入口压力、出泵压力、出站压力等地方均设置了压力保护调节回路，以保证管道安全、平稳运行。
五、结论和建议 （1）成品油管道水力系统控制模式并不是一成不变的，需要根据管道本身的具体情况以及生产计划的需要来选择适当的控制模式成品油管道干线段若没有翻越点，适宜采用“Q-P”控制模式控制管道进口流量和出口压力；若干线存在翻越点，则在高点前后的两泵站之间的管道宜采用“P-P”控制模式；若干线存在注入点，则注入点前的管道宜采用“Q-P”或 “P-P”控制模式控制管道出口压力；管道分支线或者分输进库宜采用“Q-P”控制模式控制分输流量和管道出口压力； （2）在采用“P-Q”控制模式和“Q-P”控制模式时一定要注意设置必要的保护措施如在泵站设置入口和出口压力开关，防止低压或高压超限损坏输油泵机组或外管道； （3）成品油管道由于管道投产初期的输量和设计输量有较大差异，需要在设计时周全考虑管道系统的控制模式，以保障管道运行平稳安全，并尽量减少混油量； （4）管道上调节阀的开度以及输油泵的运行方式或调速电机的转速会改变长输管道的水力特性，在进行水力调节时应充分应用这方面的作用来控制管道的水力系统。
参考文献 1.杨筱蘅 输油管道设计与管理 中国石油大学出版社（山东）2006 2.曾多礼 邓松圣 刘玲莉 成品油管道输送技术 石油工业出版社（北京）2002