黃港港，周陽(yáng)

西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院（陜西 西安 710065)

0 引言

管道輸送是天然氣的主要輸送方式。為滿(mǎn)足國(guó)民對(duì)于天然氣的旺盛需求，我國(guó)天然氣管道總里程逐年增加。截至2020年底，已建成8.6×104km天然氣長(zhǎng)輸管道[1]。氣體雜質(zhì)沉積、腐蝕產(chǎn)物聚集、水合物生成等均可導(dǎo)致管道堵塞。堵塞事故發(fā)生后，管道流量、輸送效率等均不斷降低，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整個(gè)管道系統(tǒng)功能失效[2-3]。堵塞物質(zhì)的積累是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，管道堵塞初期即不完全堵塞階段，管內(nèi)壓力、流量變化不大，難以監(jiān)測(cè)，一旦形成完全堵塞，管道立即停輸。因此，開(kāi)展管道不完全堵塞定位技術(shù)研究，對(duì)于保障管道系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[4]。

目前，輸氣管道堵塞定位技術(shù)主要有應(yīng)力應(yīng)變法、透射檢測(cè)法、壓力體積法、壓力波法等[5-6]。但這些方法均存在一定的局限性。應(yīng)力應(yīng)變法和透射檢測(cè)法需要開(kāi)挖管道后使用專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)施困難；壓力體積法檢測(cè)周期長(zhǎng)且成本較高；近幾年，關(guān)于壓力波法的研究較多，但在不完全堵塞定位問(wèn)題上，壓力波法仍具有一定局限性[7-8]。壓力特性曲線法無(wú)需借助其他設(shè)備，僅從管道運(yùn)行數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)不完全堵塞定位，具有易操作、效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)[9]。但目前國(guó)內(nèi)關(guān)于輸氣管道壓力特性曲線的研究與應(yīng)用較少。為提高堵塞定位效率，保障管道安全運(yùn)行，對(duì)壓力特性曲線法在輸氣管道堵塞定位問(wèn)題中的適用性進(jìn)行相關(guān)研究。

1 管道不完全堵塞工況分析

如圖1 所示，輸氣管道堵塞初期階段堵塞點(diǎn)前由于管道憋壓，起點(diǎn)壓力不斷上升；堵塞點(diǎn)處氣體由于節(jié)流效應(yīng)壓力突降；由于堵塞點(diǎn)處氣體產(chǎn)生額外的能量損失，管道終點(diǎn)處壓力不斷降低，管道流量持續(xù)降低；一段時(shí)間后，管道起終點(diǎn)壓力、流量再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但已偏離正常工況[10]。此時(shí)，管道起終點(diǎn)壓差由ΔP1增加至ΔP2。通過(guò)設(shè)置ΔP變化閾值，可判斷管道不完全堵塞工況是否發(fā)生[11]。

圖1 輸氣管道不完全堵塞沿程壓力分布

2 堵塞定位原理及技術(shù)路線

2.1 壓力特性曲線法堵塞定位原理

如圖2所示，不完全堵塞穩(wěn)定工況下，管道沿程壓力、流量、管存量均不隨時(shí)間變化。迅速關(guān)閉起、終點(diǎn)閥門(mén)，進(jìn)行關(guān)閥測(cè)試。由于堵塞點(diǎn)前后管段連通，管道沿程壓力會(huì)自動(dòng)平衡并達(dá)到穩(wěn)定值Pbalance。壓力穩(wěn)定后，管道各點(diǎn)壓力均為Pbalance。使用Pbalance計(jì)算所得的管存量記為實(shí)際管存Vc，使用沿程壓力分布曲線積分所得的管存量記為理論管存V，兩者滿(mǎn)足Vc=V[9]，此為壓力特性曲線法核心思想。

圖2 輸氣管道不完全堵塞起終點(diǎn)壓力變化趨勢(shì)

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程作出以下假設(shè)：①輸氣管道為一維、水平、等溫管道；②氣體壓縮系數(shù)和管道摩阻系數(shù)為定值；③不完全堵塞段長(zhǎng)度與管道總長(zhǎng)度相比極短且唯一。堵塞點(diǎn)前后輸氣管道均為正常管道，使用參數(shù)PQ2、PZ2、流量Q2，結(jié)合式（1）即可計(jì)算沿程壓力分布曲線[12]。其中，PQ2、PZ2分別為堵塞穩(wěn)定工況下管道起點(diǎn)、終點(diǎn)壓力，Pa；Q2為堵塞穩(wěn)定工況下的管道流量，m3/s。

式中：Q為管道體積流量，m3/s；Cn為常數(shù)；Dm為管道內(nèi)徑，m；Z為氣體壓縮因子；Δ為氣體相對(duì)密度；T為管道運(yùn)行溫度，K；L為管道長(zhǎng)度，m；PQ為管道起點(diǎn)壓力，Pa；PZ為管道終點(diǎn)壓力，Pa；在簡(jiǎn)化條件下A為常數(shù)。

堵塞點(diǎn)處壓力突降會(huì)使管道實(shí)際沿程壓力分布如圖3 中曲線PQ2-A-C-PZ2或PQ2-B-D-PZ2所示。關(guān)閥測(cè)試后，實(shí)際管存Vc可表示為Pbalance與坐標(biāo)軸圍成的矩形面積，并由式（2）計(jì)算[13]。

式中：Vgd為管道容積，m3；P0為標(biāo)況壓力，101 325 Pa；T0為工程標(biāo)況溫度，293.15 K；Z0為工程標(biāo)況下空氣壓縮因子；Z為實(shí)際氣體壓縮因子。

理論管存V由壓力分布曲線對(duì)管長(zhǎng)積分所得，且積分值與不完全堵塞點(diǎn)位置相關(guān)。由圖3 可知，不完全堵塞點(diǎn)1、2 處對(duì)應(yīng)積分差值為陰影部分面積，且隨兩點(diǎn)間距增加積分差值陰影部分面積不斷增大。由此可知，不完全堵塞點(diǎn)位置越靠近終點(diǎn)積分值越大，即管道存氣量是堵塞位置的單調(diào)函數(shù)。以不完全堵塞點(diǎn)位置為自變量，建立管存函數(shù)模型，使用優(yōu)化算法即可反算事故點(diǎn)具體位置。

圖3 壓力特性曲線法示意圖

2.2 技術(shù)路線

由上述分析可知，不完全堵塞定位過(guò)程可等價(jià)于參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。待優(yōu)化變量為不完全堵塞點(diǎn)位置，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為壓力分布曲線積分面積V(l)，目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值為關(guān)閥測(cè)試后實(shí)際管道存氣量Vc，見(jiàn)式（3）。其中a為氣體體積轉(zhuǎn)換系數(shù)。

此為一元函數(shù)參數(shù)最優(yōu)化問(wèn)題，可通過(guò)優(yōu)化算法求解。粒子群優(yōu)化算法(PSO)原理簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛用于求解優(yōu)化問(wèn)題。選用PSO算法進(jìn)行后續(xù)分析，PSO算法原理為：對(duì)于N個(gè)自變量的優(yōu)化問(wèn)題，首先在搜索空間內(nèi)產(chǎn)生M個(gè)粒子，計(jì)算每個(gè)粒子適應(yīng)度，然后每個(gè)粒子根據(jù)自身適應(yīng)度最優(yōu)值Pbest和全局適應(yīng)度最優(yōu)解Gbest更新自身速度和運(yùn)動(dòng)方向，從而不斷尋找最優(yōu)值[4]。粒子速度、位置更新關(guān)系式如下。

式中：Vti、Xti分別為第i個(gè)粒子在t時(shí)刻的搜索速度和空間位置；c1、c2分別為粒子對(duì)自身適應(yīng)度最優(yōu)值和整體適應(yīng)度最優(yōu)值的學(xué)習(xí)因子；w為粒子自身的慣性權(quán)重；r1、r2為隨機(jī)數(shù)。

不完全堵塞定位技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 不完全堵塞定位技術(shù)路線

3 實(shí)驗(yàn)研究

研究過(guò)程中，首先基于Matlab 建立輸氣管道理論沿程壓力分布曲線計(jì)算模型；然后對(duì)管道參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行校正；最后通過(guò)PSO 算法對(duì)不完全堵塞位置進(jìn)行求解。同時(shí)，采用遺傳算法(GA)以及模擬退火算法(SAA)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，分析不同優(yōu)化算法在不完全堵塞定位問(wèn)題中的適用性。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)備參數(shù)型號(hào)及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)備流程圖如圖5所示，空氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓后，由氣水過(guò)濾器去除水分，最后進(jìn)入PU管道。管道95 m和190 m處設(shè)置節(jié)流閥，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度模擬多個(gè)不完全堵塞工況。起終點(diǎn)壓力、流量數(shù)據(jù)由PLC設(shè)備實(shí)時(shí)采集。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先全開(kāi)兩節(jié)節(jié)流閥進(jìn)行正常工況測(cè)試，獲得管道正常運(yùn)行參數(shù)PQ0、PZ0并檢查裝置氣密性，之后分別調(diào)節(jié)兩節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度，進(jìn)行不完全堵塞工況模擬，運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定后由PLC設(shè)備讀取PQ2、PZ2、流量Q2，關(guān)閥測(cè)試后讀取管道平衡壓力Pbalance。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備能力有限，共進(jìn)行11 次實(shí)驗(yàn)，包括：1次管道正常運(yùn)行工況模擬；10次不完全堵塞工況模擬。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

3.2 不完全堵塞定位計(jì)算結(jié)果分析

分別使用PSO、GA、SAA 對(duì)上述10 組事故工況進(jìn)行堵塞定位，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6 可以看出，壓力特性曲線法可應(yīng)用于輸氣管道不完全堵塞問(wèn)題，將定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題后，結(jié)合現(xiàn)代優(yōu)化算法定位效果良好。從兩個(gè)節(jié)流閥的定位結(jié)果看，PSO 算法定位效果優(yōu)于GA、SAA 算法，定位結(jié)果與節(jié)流閥實(shí)際位置更為接近；對(duì)于全長(zhǎng)288 m 實(shí)驗(yàn)管道，PSO 算法對(duì)于兩節(jié)流閥定位誤差為1.4～3.1 m，定位精度最高；從計(jì)算時(shí)長(zhǎng)看，PSO算法整體低于2 s，定位速度最快。

圖6 PSO、GA、SAA算法定位結(jié)果

盡管如此，采用壓力特性曲線與優(yōu)化算法結(jié)合的方式定位管道不完全堵塞位置仍存在一定誤差，誤差來(lái)源包括：①空氣濕度較高，氣水過(guò)濾器過(guò)濾能力有限，水分的存在導(dǎo)致起終點(diǎn)壓力表和流量表測(cè)量值存在誤差；②實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)閥操作為手動(dòng)完成，難以實(shí)現(xiàn)同時(shí)、迅速關(guān)閉起終點(diǎn)閥門(mén)，造成實(shí)際管存計(jì)算值不夠精確；③優(yōu)化算法本身具有局限性，對(duì)全局最優(yōu)值的搜索能力有待提高。

4 結(jié)論及展望

通過(guò)研究輸氣管道不完全堵塞工況下沿程壓力分布特點(diǎn)，使用壓力特性曲線法定位管道堵塞位置。研究結(jié)果表明：

1）壓力特性曲線法僅通過(guò)測(cè)量管道堵塞穩(wěn)定工況和關(guān)閥工況下管道起終點(diǎn)壓力、流量數(shù)據(jù)，即可定位不完全堵塞位置，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

2）在理論分析基礎(chǔ)上，提出將堵塞定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題并使用PSO、GA、SAA 算法進(jìn)行求解。結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，3 種算法均可實(shí)現(xiàn)堵塞定位，且PSO算法定位效果最好。

3）壓力特性曲線與最優(yōu)化方法相結(jié)合的思路，在輸氣管道不完全堵塞定位問(wèn)題的可行性和適用性較高，具有良好的應(yīng)用前景。

為進(jìn)一步提高不完全堵塞定位精度及速度，可從以下3個(gè)方面考慮：

1）選用搜索能力更強(qiáng)的優(yōu)化算法。

2）采用管網(wǎng)仿真技術(shù)求解理論沿程壓力分布曲線，并采用數(shù)值積分方法計(jì)算理論管存。

3）若管道無(wú)法進(jìn)行關(guān)閥測(cè)試，可從分析不同堵塞穩(wěn)定工況下管存變化量的特點(diǎn)來(lái)定位堵塞點(diǎn)。