張雙蕾 陳 鳳 孫在蓉 李 巧 陳 渝中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司, 四川 成都 610041

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輸氣管道線路截斷閥壓降速率設(shè)定值研究

張雙蕾 陳 鳳 孫在蓉 李 巧 陳 渝
中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司, 四川 成都 610041

天然氣長輸管道間隔一定距離需設(shè)置線路截斷閥,以便在破損事故發(fā)生時快速截斷氣源,避免產(chǎn)生更大的泄漏。對大口徑輸氣管道,線路截斷閥的主要啟動判別方法為壓降速率法。目前,西氣東輸工程等大管徑輸氣管道線路截斷閥壓降速率設(shè)定值通常為0.15MPa/min。實(shí)際上,對于不同口徑以及不同工況下運(yùn)行的天然氣長輸管道而言,管道全線采用一個統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)值具有很大的不確定性,往往會發(fā)生線路截斷閥的誤動作或事故狀態(tài)下不動作或未及時動作的情況。以某工程兩座壓氣站之間的管段為例,利用OLGA軟件對不同工況下管內(nèi)氣體流動進(jìn)行動態(tài)模擬,研究了破口尺寸、主管管徑、運(yùn)行壓力、破口位置、輸量等不同參數(shù)對管道壓降速率的影響,為目前采用的壓降速率設(shè)定值是否需要修正提供參考,使其更符合工程實(shí)際。

輸氣管道；管道破損；線路截斷閥；壓降速率；設(shè)定值

0 前言

為保證天然氣長輸管道安全可靠運(yùn)行,應(yīng)設(shè)置線路截斷閥,使管道在發(fā)生破損時能快速關(guān)斷,減小泄漏，降低經(jīng)濟(jì)損失,減小對環(huán)境的污染,并防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。線路截斷閥的啟動判別方法主要有兩種：壓力限值法和壓降速率法。國內(nèi)大口徑輸氣管道線路截斷閥使用的氣液聯(lián)動執(zhí)行機(jī)構(gòu),通常采用機(jī)械式設(shè)定壓降速率,即當(dāng)管線壓降速率過大,并達(dá)到一定延時時間(即持續(xù)超出設(shè)定壓降速率值達(dá)一定時間),認(rèn)為管線存在破管泄漏現(xiàn)象,閥門自動關(guān)閉[2-3]。

目前國內(nèi)各輸氣單位普遍借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)值作為壓降速率設(shè)定值,然而由于天然氣長輸管道沿線工況變化較大,不同管段破損尺寸不同的情況下,壓降速率并不相同,若管道全線按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置,很可能造成線路截斷閥的誤動作或事故狀態(tài)下不動作或未及時動作的情況[4]。例如,2013年1月,某大型輸氣管道工程1座閥室起火,相鄰上下游管線截斷閥未及時自動截斷,幸未造成人員傷亡。因此,在工作實(shí)踐中研究天然氣長輸管道干線緊急截斷閥的參數(shù)設(shè)置可以為線路截斷閥的準(zhǔn)確動作提供參考依據(jù),具有重要意義。

1 軟件選用

在事故狀態(tài)下,天然氣長輸管道管內(nèi)氣體的流動為動態(tài)變化過程。為保證天然氣長輸管道線路截斷閥動作可靠性,應(yīng)根據(jù)管道實(shí)際情況(如管徑、長度、工藝運(yùn)行參數(shù)等)應(yīng)用相應(yīng)的管道非穩(wěn)態(tài)流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行瞬態(tài)模擬與分析,得出線路截斷閥最佳壓降速率設(shè)定值[5]。為保證計算精度、簡化分析過程,可采用成熟商業(yè)軟件進(jìn)行計算分析。OLGA作為一種計算流體動力學(xué)(CFD)軟件,是用數(shù)值求解控制流體流動的微分方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程),得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布以及隨時間的變化,從而近似模擬流體流動情況[6-8]。由于OLGA軟件可以有效地對動態(tài)流體(包括油、氣、水及其混合物)進(jìn)行建模和分析,其模擬結(jié)果得到充分的實(shí)踐驗(yàn)證,國際各大石油公司均認(rèn)可該軟件,且對于亞音速和音速情況下氣體瞬態(tài)流動模擬具有較高的準(zhǔn)確性[9],因此本文選用OLGA軟件進(jìn)行建模分析。

2 實(shí)例

2.1 正常運(yùn)行工況

為更貼近工程實(shí)際,以某大型輸氣管道發(fā)生事故的兩座壓氣站之間管段為例,建立模型,進(jìn)行動態(tài)模擬與分析[10]。模擬管道示意見圖1。

圖1 模擬管道示意圖

該管段外徑1 219mm,壁厚22mm,管壁粗糙度為10μm,輸量為192×108m3/a,環(huán)境溫度8 ℃。通過計算,在管道正常運(yùn)行時,得到A壓氣站到B壓氣站間管段沿線高程及壓力變化，見圖2。

圖2 管段沿線高程及正常運(yùn)行壓力曲線

2.2 管道破損模擬

在事故狀態(tài)下,天然氣長輸管道管內(nèi)氣體的流動為動態(tài)變化過程,應(yīng)根據(jù)管道的實(shí)際情況建立相應(yīng)的水力計算模型,并采用瞬態(tài)模擬計算[11-12]。為模擬不同破口尺寸的管道破損,在建模時,需在管段上設(shè)置一個泄漏孔,通過改變泄漏孔的孔徑來模擬實(shí)際可能出現(xiàn)的各種破損工況，見圖3。

圖3 管段破口模擬簡化模型

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,發(fā)生爆管的位置為76#閥室內(nèi)1條DN400的支管,因此設(shè)定破口當(dāng)量直徑d=400mm,破損位置在76#閥室出口,利用軟件對76#閥室以及上游22.1km處75#閥室和下游23.9km處77#閥室的壓降速率進(jìn)行計算分析,得到管道發(fā)生破損后的300s內(nèi),75#、76#和77#閥室處的壓降速率，見圖4。

圖4 各閥室壓降速率變化曲線(d=400 mm)

目前,某大型輸氣管道工程線路截斷閥壓降速率設(shè)定值為0.15MPa/min,延時時間設(shè)定值為100～300s。由圖4可以看出,300s內(nèi)76#閥室壓降速率持續(xù)高于0.15MPa/min的時間達(dá)100s,而相鄰上、下游閥室處的壓降速率僅在很短時間內(nèi)超出設(shè)定值。按照該計算結(jié)果,發(fā)生破損時,76#閥室的線路截斷閥會執(zhí)行關(guān)斷,而75#和77#閥室處的閥門由于壓降速率持續(xù)高于設(shè)定值的時間很短,不會觸發(fā)閥門截斷。而實(shí)際情況也是只有76#閥室即刻執(zhí)行了截斷,即軟件模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合。

進(jìn)一步比較,改變壓降速率設(shè)定值,觀察管段破損后300s內(nèi),相鄰閥室壓降速率持續(xù)超過設(shè)定值的時間,見表1。

表1 相鄰閥室不同壓降速率設(shè)定值下的延時時間

閥室延時時間/s設(shè)定值±0 15MPa/min設(shè)定值±0 10MPa/min設(shè)定值±0 05MPa/min75#514024076#10030030077#30145210

從計算結(jié)果可以看出,對于該段管道,目前0.15MPa/min的壓降速率設(shè)定值偏大。管道破口尺寸已經(jīng)達(dá)到400mm,而此時只有管道破損處截斷閥動作,上、下游截斷閥均未及時動作。若壓降速率設(shè)定值適當(dāng)降低至0.10MPa/min,則3處閥室的截斷閥均可執(zhí)行截斷。

3 不同因素對壓降速率的影響

3.1 非破損工況模擬

為研究線路截斷閥壓降速率值的設(shè)定,使其在管道發(fā)生破損時,能夠及時截斷,減少天然氣泄漏、有效遏制事故進(jìn)一步擴(kuò)大,首先需要先計算非破損工況下管道的壓降速率,閥門壓降速率設(shè)定值應(yīng)高于此壓降速率,以免設(shè)定值過小,引起閥門誤截斷。

一般情況下,能引起管道壓降速率較大波動的非破損工況包括：壓縮機(jī)啟停、上下游閥門誤關(guān)斷以及大規(guī)模用戶分輸工況等。其中,壓縮機(jī)啟機(jī)過程一般為轉(zhuǎn)速逐漸提高的持續(xù)過程(約15～30min),單位時間內(nèi)壓降速率的變化相對較小,而壓縮機(jī)停機(jī)和大規(guī)模用戶分輸造成的短時間內(nèi)壓降變化小于閥門瞬時關(guān)斷的壓降變化,即上下游閥門誤關(guān)斷造成管道在非破損工況下的壓降波動最大,因此,在計算時考慮此極端工況。

仍以某大型輸氣管道工程A壓氣站到B壓氣站管段為模擬對象。研究上游75#閥室和下游77#閥室閥門誤關(guān)斷情況下,76#閥室處的壓降速率延時時間,見表2。

表2 上、下游閥門誤關(guān)斷工況不同壓降速率設(shè)定值下76#閥室的延時時間

工況延時時間/s設(shè)定值±0 15MPa/min設(shè)定值±0 10MPa/min設(shè)定值±0 08MPa/min設(shè)定值±0 05MPa/min設(shè)定值±0 03MPa/min上游75#閥室閥門誤關(guān)斷5103575165下游77#閥室閥門誤關(guān)斷102550110255

由表2可以看出,在上、下游閥室誤關(guān)斷工況下,76#閥室的延時時間隨壓降速率設(shè)定值減小而增大,當(dāng)壓降速率設(shè)定值為0.05MPa/min時,延時時間可達(dá)110s,因此，為避免截斷閥在非破損工況下誤動作,其壓降速率設(shè)定值不宜低于0.05MPa/min。

3.2 不同破口當(dāng)量直徑模擬

仍設(shè)破損位置在76#閥室出口,其余條件不變,模擬不同破口直徑d(100、250、400、500、750mm)對應(yīng)的管道破損情況,觀察相鄰3座閥室壓降速率。以±0.15MPa/min為壓降速率設(shè)定值,不同破損工況下,300s內(nèi)壓降速率持續(xù)超出設(shè)定值的時間以及300s后壓降速率值見表3～4。

表3 300s內(nèi)不同破口當(dāng)量直徑下壓降速率持續(xù)超出±0.15MPa/min的延時時間

閥室延時時間/s破口當(dāng)量直徑100mm破口當(dāng)量直徑250mm破口當(dāng)量直徑400mm破口當(dāng)量直徑500mm破口當(dāng)量直徑750mm75#0558025076#0510028030077#0530135210

表4 不同破口當(dāng)量直徑下相鄰閥室300s后壓降速率值

閥室壓降速率值/(MPa·min-1)破口當(dāng)量直徑100mm破口當(dāng)量直徑250mm破口當(dāng)量直徑400mm破口當(dāng)量直徑500mm破口當(dāng)量直徑750mm75#0 0080 0470 1000 1440 19176#0 0100 0490 1020 1470 22277#0 0060 0370 0430 0770 159

由于線路截斷閥執(zhí)行動作必須同時滿足兩個條件：一是檢測到的壓降速率大于設(shè)定值；二是延時時間大于設(shè)定的時間值。因此,若以±0.15MPa/min為壓降速率設(shè)定值,100s為延時時間設(shè)定值,當(dāng)管道破口當(dāng)量直徑d≥400mm時,管道破損處的截斷閥動作,而當(dāng)d≥500mm時,上、下游截斷閥才動作。

從300s后破損處相鄰閥室的壓降速率值大小可以看出,當(dāng)管道破口當(dāng)量直徑d≤250mm時,壓降速率設(shè)定值需降低至0.05MPa/min左右才能引發(fā)閥門及時動作。如前所述,0.05MPa/min的壓降速率設(shè)定值已偏低,對較小尺寸的破口,若想通過截斷閥進(jìn)行泄漏判斷并執(zhí)行關(guān)斷,困難較大。一般破口尺寸至少要達(dá)到主管管徑的1/3～1/2,線路截斷閥才能在管道發(fā)生破損時正確判斷并自動關(guān)斷。

3.3 不同破口位置模擬

以破口當(dāng)量直徑d=400mm為例,在其他條件不變的情況下,更改破口位置,使其分別在上游75#閥室出口、75#～76#閥室之間1/3、2/3處以及76#閥室入口,觀察76#閥室壓降速率的變化情況。不同破口位置模擬示意見圖5。

圖5 不同破口位置模擬示意圖

通過計算,破口位置不同,對應(yīng)的76#閥室處壓降速率不同,見圖6。

圖6 不同破口位置對應(yīng)的壓降速率

由圖6可以看出,破口位置不同,對壓降速率的峰值和檢測到峰值的時間點(diǎn)影響很大,但是壓降速率變化很快趨于一致。以0.15MPa/min為壓降速率設(shè)定值,破口1～ 4工況下76#閥室處壓降速率持續(xù)超出設(shè)定值的時間分別為20、70、90、100s,可見破口位置離檢測點(diǎn)越遠(yuǎn),壓降速率衰減越快,若延時時間一定,則壓降速率設(shè)定值需適當(dāng)降低,才能檢測出較遠(yuǎn)位置的破口。

3.4 不同輸量模擬

按照實(shí)際情況,輸量不同管段的壓力情況也不同。但為了單純研究輸量對壓降速率的影響,在模擬時,考慮其余參數(shù)不變,只改變輸量Q,得到不同輸量工況下的壓降速率(以破口當(dāng)量直徑d=400mm為例,檢測點(diǎn)為76#閥室出口,即管道破口處),見圖7。

圖7 不同輸量對應(yīng)的壓降速率

由圖7可以看出,即使是在壓降速率變化最劇烈的管道破口處,3種輸量工況對應(yīng)的壓降速率差異都很微小,因此,在其他條件不變的情況下,可以認(rèn)為輸量對管道破損工況下壓降速率的影響非常小。

3.5 不同主管管徑模擬

圖8 不同主管管徑對應(yīng)的壓降速率

同樣的,為單純研究主管管徑對管道破損工況下壓降速率的影響,在模擬時,考慮其余參數(shù)不變,只改變主管管徑D,得到不同主管管徑對應(yīng)的壓降速率(以破口當(dāng)量直徑d=400mm為例,檢測點(diǎn)為77#閥室,即管道破口處下游相鄰閥室),見圖8。

由圖8可以看出,主管管徑越小,管道發(fā)生破損后,壓降速率越大,越容易被檢測到。

3.6 不同運(yùn)行壓力模擬

為單純研究運(yùn)行壓力對管道破損工況下壓降速率的影響,模擬時考慮其余參數(shù)不變,只改變運(yùn)行壓力p,得到工況1(平均運(yùn)行壓力8.65MPa)、工況2(平均運(yùn)行壓力7.65MPa)和工況3(平均運(yùn)行壓力6.65MPa)3種工況下的壓降速率(以破口當(dāng)量直徑d=400mm為例,檢測點(diǎn)為77#閥室,即管道破口處下游相鄰閥室),見圖9。

圖9 不同運(yùn)行壓力對應(yīng)的壓降速率

由圖9可以看出,管道本身運(yùn)行壓力越低,發(fā)生破損后壓降速率越小。因此,若整條管道采用統(tǒng)一壓降速率設(shè)定值,則壓力低的管段發(fā)生破損更容易被檢測出。

3.7 各影響因素敏感性小結(jié)

1)輸量對壓降速率影響非常小,可以忽略不計。

2)破口位置對壓降速率有一定影響,破口位置離閥室越近,破損工況越易被檢測到。

3)主管管徑和運(yùn)行壓力對壓降速率影響較大,主管管徑越小、運(yùn)行壓力越高,破損工況越易被檢測到。

4)破口當(dāng)量直徑對壓降速率影響最大,破口尺寸越大,破損工況越易被檢測到。

4 結(jié)論

壓降速率設(shè)定值的正確與否,直接關(guān)系到線路截斷閥動作的準(zhǔn)確性與及時性。對于大口徑、長距離輸氣管道,從投產(chǎn)初期到達(dá)設(shè)計輸量通常需要經(jīng)歷幾年至十來年,起點(diǎn)、末點(diǎn)工況以及沿線分輸工況也各不相同,其壓力、輸量變化的范圍非常大,因此管道全線采用一個統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)值具有很大的不確定性。本文以某工程事故管段為例,通過研究不同工況下管道壓降速率的變化情況,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論及建議：

1)線路截斷閥檢測范圍。線路截斷閥只能用于破口尺寸為主管管徑的1/3～1/2以上的爆管事故,無法檢測小口徑泄漏工況,例如小的機(jī)械損傷和腐蝕穿孔等。

2)穩(wěn)定運(yùn)行管道壓降速率設(shè)定值可適當(dāng)減小。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn),管道投產(chǎn)初期,壓降波動較大,線路截斷閥壓降速率設(shè)定值可采用0.15MPa/min。但隨著管線輸量逐漸提高達(dá)設(shè)計輸量,運(yùn)行趨于平穩(wěn),線路截斷閥壓降速率設(shè)定值可適當(dāng)降低。

3)壓降速率設(shè)定值下限。若要檢測到較小口徑的泄漏工況,在延時時間一定的情況下,壓降速率設(shè)定值需降低,但為避免截斷閥在管道非破損工況下誤動作,應(yīng)收集管道在實(shí)際生產(chǎn)過程中的運(yùn)行數(shù)據(jù),找出正常運(yùn)行情況下管道的最大壓降速率,截斷閥壓降速率設(shè)定值應(yīng)高于該數(shù)值。一般情況下,壓降速率最小設(shè)定值不宜低于0.05MPa/min。

4)設(shè)計取值與運(yùn)行實(shí)際情況的結(jié)合。為更好地發(fā)揮線路截斷閥的保護(hù)作用,在管道設(shè)計時,線路截斷閥的參數(shù)設(shè)置需根據(jù)管道具體情況(管徑、壓力、輸量、閥室間距及分輸情況等)進(jìn)行壓降速率模擬計算,且在運(yùn)行過程中,運(yùn)行單位應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

5)典型管道重點(diǎn)管段校核。由于天然氣管道眾多、工況不一,無法做到對每一管段不同運(yùn)行壓力、破口位置進(jìn)行逐一模擬計算。但是,在破口尺寸一定的情況下,影響壓降速率的最主要因素為主管管徑和運(yùn)行壓力。因此,對典型管道重點(diǎn)管段(壓氣站上下游閥室、管線末端閥室、分輸規(guī)模大的閥室),可按照設(shè)計輸量、最大閥室間距進(jìn)行壓降速率核算,找出典型管段壓降速率設(shè)定值,對其他管段具有重要參考價值,在保證設(shè)計準(zhǔn)確性的同時,大大減少了安全運(yùn)行管理的工作量。

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2015-01-09

張雙蕾(1987-),女,四川簡陽人,工程師,碩士,主要從事油氣儲運(yùn)及長輸管道設(shè)計研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.002