李傳憲 王 迪 張樹文 左 棟 唐道林

1中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院2中國石油中亞天然氣管道有限公司

中亞天然氣雙線管道瞬態(tài)工況分析

李傳憲1 王 迪1 張樹文1 左 棟2 唐道林1

1中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院2中國石油中亞天然氣管道有限公司

中亞天然氣管道為雙管并行管線，其瞬態(tài)工況特征有別于單線管道?；诮⒌闹衼咥/B雙線仿真模型，分析了管道泄漏、干線截?cái)嚅y關(guān)閉等事故發(fā)生時(shí)的A/B雙線的壓力、流量變化特征及其差異。分析認(rèn)為，A/B兩線的相互影響主要是通過連接兩線的站場(chǎng)進(jìn)行的。B線某處發(fā)生泄漏時(shí)A線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的壓力和流量變化幅度小于B線，B線截?cái)嚅y意外關(guān)斷時(shí)，A線流量和壓力在管線連接處開始發(fā)生變化，其上游的流量變化幅度和波及范圍小于B線；B線截?cái)嚅y關(guān)閉對(duì)A線站場(chǎng)下游壓力和流量沒有影響。研究成果對(duì)雙線管道的事故診斷和搶修具有重要指導(dǎo)意義。

天然氣；雙線管道；仿真模型；瞬態(tài)工況

天然氣管網(wǎng)在運(yùn)行過程中受到沿線環(huán)境、自然災(zāi)害、人為因素等的影響，可能發(fā)生泄漏、堵塞、停機(jī)等事故，使全線的壓力、流量等發(fā)生變化[1]，嚴(yán)重時(shí)影響全線壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，最終導(dǎo)致全線停運(yùn)或安全事故。通過建立模型進(jìn)行工況分析，可以得到不同工況條件下全線參數(shù)變化特征，總結(jié)各參數(shù)變化規(guī)律，對(duì)于事故前的預(yù)防和事故后的搶修具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于常規(guī)單線管道的工況分析研究較多，部分學(xué)者通過建立天然氣在管道中的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，采用數(shù)值方法求解并編制軟件進(jìn)行研究[2]，也有部分學(xué)者直接利用商業(yè)化的軟件（如SPS）進(jìn)行研究[3]。部分學(xué)者利用仿真模型對(duì)天然氣管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究[4]，部分建立了天然氣管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化問題的算法[5]。目前研究主要是針對(duì)單線管道進(jìn)行的，對(duì)于雙管并行管線的非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況研究較少。雙管并行管線運(yùn)行過程中其中一線發(fā)生泄漏或者截?cái)嚅y意外關(guān)斷時(shí)，對(duì)另一線的影響是通過連接兩線的站場(chǎng)進(jìn)行的，并存在滯后時(shí)間，而且兩線的壓力、流量變化特征不同，有別于單線管道的瞬態(tài)工況。本文基于建立的中亞A/B雙線仿真模型，重點(diǎn)分析管道泄漏、干線截?cái)嚅y關(guān)閉等事故發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的A/ B雙線流量及壓力變化的差異狀況。

1 雙線管道概述

中亞天然氣全線采用雙管并行敷設(shè)方式，全長(zhǎng)1 833 km，管道直徑1 067 mm，設(shè)計(jì)壓力9.81 MPa，沿線設(shè)8座壓氣站。A/B線分別于2009年和2010年建成通氣，2012年12月達(dá)到設(shè)計(jì)輸氣能力300× 108m3/a。

中亞天然氣A/B雙線管道采用變壁厚設(shè)計(jì)，烏茲別克斯坦境內(nèi)壁厚16.2 mm，哈薩克斯坦境內(nèi)壁厚15.9 mm，管道內(nèi)壁粗糙度均為10μm。管道途經(jīng)地域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，冬寒夏熱。其沿線地溫和總傳熱系數(shù)見表1。

表1 沿線地溫和傳熱系數(shù)

2 仿真模型建立

根據(jù)中亞天然氣A/B雙線管道的基礎(chǔ)資料，利用管道分析軟件建立了A/B雙線的仿真模型。通過對(duì)管壁粗糙度、壓縮機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)的調(diào)整，使得模擬計(jì)算出的壓力及流量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致。表2為模擬計(jì)算出的各站場(chǎng)壓力和2015年1月19日實(shí)際站場(chǎng)壓力對(duì)比表。從表2可以看出，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和模擬的運(yùn)行參數(shù)相對(duì)誤差均小于3%，能夠滿足工程計(jì)算誤差要求，證明該模型可較好地反映管道的實(shí)際運(yùn)行狀況，為進(jìn)行瞬態(tài)工況的分析提供了基礎(chǔ)。

表2 壓力參數(shù)對(duì)比

3 瞬態(tài)工況分析

圖1為利用建立的仿真模型計(jì)算出的管道正常運(yùn)行時(shí)的壓力及流量分布曲線，由于中亞天然氣A/ B雙線共用8座壓氣站，因此A、B線壓力、流量分布基本相同。模擬計(jì)算首站進(jìn)站壓力6.28 MPa，出站壓力8.18 MPa，末站進(jìn)站壓力6.77 MPa，出站壓力9.01 MPa，壓力波動(dòng)范圍6.19～9.19 MPa；流量基本平穩(wěn)，無較大波動(dòng)。

圖1 正常工況下壓力及流量分布

3.1 輸氣管道B線泄漏瞬態(tài)工況

天然氣管道B線820 km處發(fā)生泄漏時(shí)的B線的流量變化曲線如圖2所示，可以看出，泄漏發(fā)生后，B線泄漏點(diǎn)上游流量瞬時(shí)從3 851×104m3/d增加到11 650×104m3/d并保持穩(wěn)定；在泄漏發(fā)生后的某一時(shí)刻，越靠近泄漏點(diǎn)，流量越大；流量變化波及范圍逐漸增加，但增加速度降低。泄漏發(fā)生后B線泄漏點(diǎn)下游流量變化規(guī)律與上游相反，出現(xiàn)逆向流動(dòng)，泄漏點(diǎn)流量瞬時(shí)降低到-9 500×104m3/d，變化幅度遠(yuǎn)大于上游點(diǎn)；受到里程858 km處壓氣站CS2的影響，下游流量變化曲線擴(kuò)大到858 km處不再發(fā)生變化。

圖2 不同泄漏時(shí)間對(duì)應(yīng)的B線流量變化曲線

B線泄漏后，由于A線流量通過A、B線中間連接站場(chǎng)向B線轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致A線流量發(fā)生變化。A線與B線泄漏點(diǎn)有相同里程的對(duì)應(yīng)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱A線對(duì)應(yīng)點(diǎn)）處的流量變化曲線如圖3所示，可以看出，B線發(fā)生泄漏瞬時(shí)A線對(duì)應(yīng)點(diǎn)流量變化幅度較小，上游流量變化速率大于下游流量變化速率。泄漏發(fā)生1 min時(shí)，A線對(duì)應(yīng)點(diǎn)上游流量?jī)H增加150× 104m3/d，下游流量幾乎保持不變。隨泄漏時(shí)間增加，對(duì)應(yīng)點(diǎn)上、下游流量開始發(fā)生較大變化，泄漏發(fā)生3 min時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)上游流量增加3 700×104m3/ d，下游流量降低310×104m3/d，下游流量變化幅度遠(yuǎn)小于上游。

圖3 B線泄漏不同時(shí)刻A線流量變化曲線

B線泄漏點(diǎn)和A線對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。管道泄漏后，B線泄漏點(diǎn)處壓力下降較快，瞬時(shí)直線下降0.5 MPa，隨后雖然下降速率減小，但下降值仍然較大。由于泄漏點(diǎn)至最近站場(chǎng)有37 km的距離，A線對(duì)應(yīng)點(diǎn)處壓力變化存在2.8 min滯后時(shí)間，然后壓力開始下降，下降速度明顯小于B線。

發(fā)生泄漏事故會(huì)引起上、下游的流量及壓力波動(dòng)，若不及時(shí)處理泄漏事故工況，高速氣流的沖刷造成泄漏孔徑增大，會(huì)造成更大流量的泄漏或管道爆管的事故。泄漏量較大時(shí)更會(huì)影響全線壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，尤其是泄漏點(diǎn)下方最近處的站場(chǎng)壓縮機(jī)，最終可導(dǎo)致全線停運(yùn)。

3.2 B線截?cái)嚅y緊急關(guān)斷

輸氣管道B線截?cái)嚅y（0017B閥室）意外關(guān)斷時(shí)，A、B線管內(nèi)流量隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，B線曲線位于正常流量線下方，曲線隨事故時(shí)間逐漸增加從中間向兩端分布；A線曲線位于正常流量線上方，曲線隨事故時(shí)間逐漸增加從下至上分布。0017B閥室突然關(guān)斷后，B線通過該閥室的天然氣流量瞬間減少至零，其上、下游的流量下降速率較大，流量曲線成漏斗狀，并不斷向外擴(kuò)大。

圖4 泄漏點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線

圖5 閥室0017B關(guān)斷時(shí)A、B線流量曲線

A線流量在下游共用站場(chǎng)處發(fā)生變化，并不斷向上游波及，對(duì)站場(chǎng)下游流量沒有影響；在發(fā)生事故1 min后靠近站場(chǎng)處流量增加500×104m3/d，隨時(shí)間增加，靠近站場(chǎng)處流量逐漸增加，并向站場(chǎng)上游處擴(kuò)大，但其流量變化幅度和波及范圍小于B線。

輸氣管道B線截?cái)嚅y（0017B閥室）意外關(guān)斷時(shí)，A、B線管內(nèi)壓力隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。B線在0017B閥室（821 km）上游壓力增加，下游壓力降低，隨時(shí)間延長(zhǎng)，壓力變化幅度增大。B線0017B閥室的意外關(guān)斷對(duì)A線壓力也產(chǎn)生了影響，其變化從下游共用站場(chǎng)CS2處開始降低，隨時(shí)間延長(zhǎng)壓力降低幅度逐漸增加并向上游擴(kuò)大；經(jīng)過壓縮機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)整，出站壓力并無太大變化。

圖6 閥室0017B關(guān)斷時(shí)A、B線壓力曲線

4 結(jié)論

（1）中亞天然氣A/B雙線管道運(yùn)行過程中，B線發(fā)生泄漏或者截?cái)嚅y意外關(guān)斷，對(duì)A、B兩線都有較大的影響，對(duì)A線的影響主要通過連接兩線的站場(chǎng)進(jìn)行的。

（2）天然氣管道B線某處發(fā)生泄漏時(shí)B線泄漏點(diǎn)的壓力迅速降低，B線泄漏點(diǎn)上游流量瞬時(shí)上升到最高點(diǎn)，流量變化波及范圍逐漸增加；B線泄漏點(diǎn)下游出現(xiàn)逆向流量，流量變化幅度遠(yuǎn)大于泄漏點(diǎn)上游；B線泄漏后對(duì)A線壓力和流量變化存在一個(gè)滯后時(shí)間，滯后時(shí)間受泄漏點(diǎn)與站場(chǎng)的距離影響，并且A線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的壓力和流量變化幅度小于B線。

（3）輸氣管道B線截?cái)嚅y意外關(guān)斷時(shí)，B線通過該閥室的天然氣流量瞬間減少至零，流量曲線成漏斗狀，并不斷向外擴(kuò)大；閥室的上游壓力增加，下游壓力降低。A線流量和壓力在共用站場(chǎng)處開始發(fā)生變化，其流量變化幅度和波及范圍均小于B線，并不斷向上游波及；對(duì)A線站場(chǎng)下游壓力和流量沒有影響。

[1]趙小平，萬捷．704泵站-獨(dú)山子輸氣管道非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況分析[J]．油氣田地面工程，2009，28（4）：10-12.

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[3]趙俊，陳永昌，朱鋒，等．利用SPS模擬西氣東輸管道壓氣站單機(jī)失效問題及建議[J]．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2012，23（5）：43-46.

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[5]陳進(jìn)殿，汪玉春，湯俊杰．用微粒群算法實(shí)現(xiàn)天然氣管網(wǎng)運(yùn)行最優(yōu)化[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（1）：7-11.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.017

李傳憲：博士，教授，主要從事油氣管道系統(tǒng)節(jié)能降耗理論與安全保障技術(shù)方面的教學(xué)與科研工作。

2015-06-04

基金論文：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（14CX02210A，15CX06072A）資助。