龍學(xué)淵 田園 朱娜重慶科技學(xué)院 西南油氣田分公司輸氣管理處

天然氣干線破管檢測(cè)系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置*

龍學(xué)淵1田園1朱娜21重慶科技學(xué)院 2西南油氣田分公司輸氣管理處

氣液聯(lián)動(dòng)閥是天然氣干線破管檢測(cè)系統(tǒng)核心控制裝置，其控制參數(shù)設(shè)置是否科學(xué)直接影響破管檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的有效性和敏感性。通過對(duì)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元擬合，得到輸量、壓力、管徑、漏失當(dāng)量直徑與壓降速率之間的多元擬合解析式，該多元擬合解析式可由已知的管輸量、管徑、工作壓力及泄漏當(dāng)量直徑估算出起點(diǎn)閥室的最大壓力下降速率，平均誤差低于10%。破管泄漏點(diǎn)距起點(diǎn)閥室越近，起點(diǎn)閥室處壓力降幅越大，且壓力下降曲線斜率也越大。在管輸量、管徑、泄漏當(dāng)量直徑一定的情況下，壓降速率隨著起點(diǎn)閥室壓力的增加而增加，但增幅隨壓力的增加而減小。

管線漏失；破管檢測(cè)；壓力；數(shù)值模擬；多元擬合

干線破管檢測(cè)系統(tǒng)的引入為管道安全輸送提供了強(qiáng)有力的保障，其核心控制裝置即氣液聯(lián)動(dòng)閥設(shè)置于站場(chǎng)及閥室，以實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)在出現(xiàn)異常情況下的緊急切斷和場(chǎng)站進(jìn)出站的緊急關(guān)斷功能。氣液聯(lián)動(dòng)閥是天然氣干線破管檢測(cè)系統(tǒng)核心控制裝置，其控制參數(shù)設(shè)置是否科學(xué)直接影響破管檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的有效性和敏感性[1]。氣液聯(lián)動(dòng)閥以壓力下降速率作為控制參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)漏失事故時(shí)干線破管檢測(cè)系統(tǒng)是否能準(zhǔn)確識(shí)別并關(guān)閉閥門，或當(dāng)干線破管檢測(cè)系統(tǒng)誤動(dòng)作時(shí)是否能短時(shí)間內(nèi)解除生產(chǎn)停止?fàn)顟B(tài)并防止管網(wǎng)憋壓，這都是輸氣公司必須面對(duì)的實(shí)際工程問題[2]。由于對(duì)不同工況下的不同管道進(jìn)行破管參數(shù)的監(jiān)測(cè)和計(jì)算較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外尚無成熟設(shè)置規(guī)則與判斷方法[3]。

1 不同漏失工況數(shù)值模擬

為進(jìn)行不同輸量、壓力、泄漏當(dāng)量直徑條件下起點(diǎn)閥室壓力變化的分析，根據(jù)文獻(xiàn)[4]所列模型對(duì)整個(gè)管線漏失事故工況進(jìn)行數(shù)值模擬。從漏失位置、管徑、輸量、管線運(yùn)行壓力等幾個(gè)方面分析破管漏失對(duì)起點(diǎn)閥室壓力下降速率變化的影響。取各影響參數(shù)變化范圍如下：管徑426～914 mm，輸量150×104～1 500×104m3/d，運(yùn)行壓力2～6 MPa，破管漏失當(dāng)量直徑50～200 mm。

首先，分析不同的漏失位置對(duì)起點(diǎn)閥室壓力變化的影響。在起點(diǎn)和終點(diǎn)閥室間，每隔4 km設(shè)置一個(gè)漏失點(diǎn)，動(dòng)態(tài)仿真破管漏失點(diǎn)形成后起點(diǎn)閥室壓力的變化，分析不同位置對(duì)起點(diǎn)閥室壓力變化的影響。模擬管徑為426 mm，管線長(zhǎng)度32 km，起點(diǎn)閥室壓力2 MPa，輸量150×104m3/d，仿真得到起點(diǎn)閥室壓力下降速率與破管漏失點(diǎn)的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系。結(jié)果表明，漏失位置距離起點(diǎn)閥室越遠(yuǎn)，則其壓降下降速率越小，且壓力下降速率最大值在時(shí)間上存在一定的延遲。

其次，分析不同的破管漏失當(dāng)量直徑對(duì)起點(diǎn)閥室壓力下降速率的影響。當(dāng)管輸量為150×104m3/d時(shí)，取起點(diǎn)壓力2 MPa，管徑426 mm，破管漏失點(diǎn)距離起點(diǎn)閥室16 km，假定漏失發(fā)生在第1.9 h，漏失部位在0.1 h內(nèi)形成，背壓為大氣壓。針對(duì)不同的漏失當(dāng)量直徑（50、100、150和200 mm），仿真5 h內(nèi)的工況變化，得到不同當(dāng)量直徑破管漏失發(fā)生后起點(diǎn)閥室壓力下降速率的變化。結(jié)果表明，在管輸量、起點(diǎn)壓力、管徑不變的條件下，起點(diǎn)壓力下降速率隨漏失當(dāng)量直徑的增大而迅速上升。在漏失當(dāng)量直徑不發(fā)生變化后7 min左右，漏失速率達(dá)到最大值，隨后速率開始下降到一個(gè)穩(wěn)定值，管徑越大則速率下降到穩(wěn)定值所需時(shí)間越長(zhǎng)，管徑越小所需時(shí)間越短。

再次，分析不同管徑對(duì)起點(diǎn)閥室壓力下降速率的影響。取輸量為750×104m3/d，起點(diǎn)壓力為6 MPa，漏失當(dāng)量直徑為100 mm，針對(duì)不同的管徑（529、610、711、813和914 mm），觀察起點(diǎn)閥室壓力下降速率變化情況。結(jié)果表明，在管輸量、起點(diǎn)壓力、泄漏點(diǎn)當(dāng)量直徑不變的條件下，起點(diǎn)壓力下降速率從泄漏發(fā)生時(shí)到開始上升到2.2 h時(shí)，即泄漏發(fā)生12 min后壓力下降速率達(dá)到最大值。

最后，分析漏失發(fā)生后輸量對(duì)起點(diǎn)閥室壓力下降速率的影響。取起點(diǎn)壓力為6 MPa，泄漏當(dāng)量直徑為100 mm，管徑為813 mm，針對(duì)不同的輸量（150×104～1 200×104m3/d），觀察起點(diǎn)閥室壓力下降速率變化情況。結(jié)果表明，在破管漏失情況下，輸量對(duì)起點(diǎn)閥室的壓力下降速率影響不大。

2 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多元擬合

為了得到輸量、壓力、管徑、漏失當(dāng)量直徑對(duì)起點(diǎn)閥室壓力及壓力下降速率影響的定量關(guān)系，正確地設(shè)置氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)鍵參數(shù)，要對(duì)整個(gè)模擬計(jì)算得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多元擬合，進(jìn)而得到能夠估算最大壓降速率的擬合公式，如下式

Vmax=aQ+bp+cD+dDL+e（1）

式中Vmax為起點(diǎn)閥室壓力最大壓力下降速率（bar/min），Q為輸量（100×104m3/d）；p為管道正常工作壓力（MPa）；D為管徑（mm）；DL為泄漏點(diǎn)當(dāng)量直徑（mm）。

擬合公式中各常數(shù)值如下：

a=1.496 405 196 548 99×10-4

b=-1.718 410 655 671 75×10-2

c=-6.540 930 315 377 99×10-5

d=3.500 391 399 130 48×10-3

e=2.752 383 727 424 9×10-2

根據(jù)式（1），通過已知管線的管徑、工作壓力、輸量及漏失當(dāng)量直徑可計(jì)算起點(diǎn)閥室的最大壓力下降速率，從而為氣液聯(lián)動(dòng)閥的參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)。依據(jù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到起點(diǎn)閥室最大壓力下降速率與仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)比結(jié)果，如圖1所示。

圖1 擬合計(jì)算值與仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖1可知，當(dāng)管徑較大，壓力較高，且泄漏當(dāng)量直徑在100 mm以上時(shí)，擬合公式預(yù)估數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確；而在小管徑、低壓力，且泄漏當(dāng)量直徑為50 mm及以下時(shí)，壓力降速率變化較慢，對(duì)各個(gè)自變量敏感度低，因此擬合結(jié)果差距較大，但擬合的準(zhǔn)確度普遍達(dá)到85%以上，能夠作為現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管線泄漏情況進(jìn)行分析的依據(jù)。

3 結(jié)論

由于長(zhǎng)輸管線破管泄漏是一種極端工況，發(fā)生頻度較低，現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)際數(shù)據(jù)少且漏失點(diǎn)隨機(jī)性高，很難作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律性分析研究，應(yīng)用數(shù)值仿真手段對(duì)不同工況和不同的漏失情況下的起點(diǎn)閥室壓力變化規(guī)律進(jìn)行深入分析研究，最后對(duì)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元擬合及誤差分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過對(duì)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元擬合，得到輸量、壓力、管徑、漏失當(dāng)量直徑與壓降速率之間的多元擬合解析式，該多元擬合解析式可由已知的管輸量、管徑、工作壓力及泄漏當(dāng)量直徑估算出起點(diǎn)閥室的最大壓力下降速率，平均誤差低于10%，為氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)鍵控制參數(shù)的設(shè)置提供一種簡(jiǎn)便實(shí)用的方法，并可為管線破管泄漏故障診斷提供指導(dǎo)。

（2）破管泄漏點(diǎn)距起點(diǎn)閥室越近，則起點(diǎn)閥室處壓力降幅越大，且壓力下降曲線斜率也越大。在管輸量、壓力、管徑一定的前提下，管道泄漏當(dāng)量直徑存在臨界值，隨著當(dāng)量直徑的增加，起點(diǎn)壓力下降速率迅速增加，但下降速率的增幅逐漸減小，趨于一個(gè)臨界值。該臨界值隨著管輸量、壓力、管徑的變化而變化。在管輸量、壓力、泄漏當(dāng)量直徑一定的情況下，壓降速率隨著管徑的增加而增加，但增幅隨管徑的增加而減小。在管輸量、管徑、泄漏當(dāng)量直徑一定的情況下，壓降速率隨著起點(diǎn)閥室壓力的增加而增加，但增幅隨壓力的增加而減小。

[1]Pal-Stefan Murvay，Ioan Silea．A Survey on Gas Leak Detection and Localization Techniques[J]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25（6）：966-973.

[2]張連文．管道泄漏檢測(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)[J]．油氣田地面工程，2003，22（4）：1-3.

[3]桑博，蘭惠清．燃?xì)夤艿佬孤┻^程模型的研究進(jìn)展[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30（8）：608-612.

[4]H．Prashanth Reddy，Shankar Narasimhan．Leak Detection in Gas Pipeline Networks Using an Efficient State Estimator．Part II．Experimental and Field Evaluation[J]．Computers and Chemical Engineering，2010，35（4），662-670.

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.035

基金論文：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ131414）。