輸氣管道線路截斷閥壓降速率設定值研究

張雙蕾 陳 鳳 孫在蓉 李 巧 陳 渝中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司, 四川 成都 610041

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輸氣管道線路截斷閥壓降速率設定值研究

張雙蕾 陳 鳳 孫在蓉 李 巧 陳 渝
中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司, 四川 成都 610041

天然氣長輸管道間隔一定距離需設置線路截斷閥,以便在破損事故發生時快速截斷氣源,避免產生更大的泄漏。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定值通常為0.15MPa/min。實際上,對于不同口徑以及不同工況下運行的天然氣長輸管道而言,管道全線采用一個統一的經驗值具有很大的不確定性,往往會發生線路截斷閥的誤動作或事故狀態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氣體流動進行動態模擬,研究了破口尺寸、主管管徑、運行壓力、破口位置、輸量等不同參數對管道壓降速率的影響,為目前采用的壓降速率設定值是否需要修正提供參考,使其更符合工程實際。

輸氣管道；管道破損；線路截斷閥；壓降速率；設定值

0 前言

為保證天然氣長輸管道安全可靠運行,應設置線路截斷閥,使管道在發生破損時能快速關斷,減小泄漏，降低經濟損失,減小對環境的污染,并防止事故進一步擴大[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。國內大口徑輸氣管道線路截斷閥使用的氣液聯動執行機構,通常采用機械式設定壓降速率,即當管線壓降速率過大,并達到一定延時時間(即持續超出設定壓降速率值達一定時間),認為管線存在破管泄漏現象,閥門自動關閉[2-3]。

目前國內各輸氣單位普遍借鑒國外的經驗值作為壓降速率設定值,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,若管道全線按照經驗值設置,很可能造成線路截斷閥的誤動作或事故狀態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,在工作實踐中研究天然氣長輸管道干線緊急截斷閥的參數設置可以為線路截斷閥的準確動作提供參考依據,具有重要意義。

1 軟件選用

在事故狀態下,天然氣長輸管道管內氣體的流動為動態變化過程。為保證天然氣長輸管道線路截斷閥動作可靠性,應根據管道實際情況(如管徑、長度、工藝運行參數等)應用相應的管道非穩態流數學模型進行瞬態模擬與分析,得出線路截斷閥最佳壓降速率設定值[5]。為保證計算精度、簡化分析過程,可采用成熟商業軟件進行計算分析。OLGA作為一種計算流體動力學(CFD)軟件,是用數值求解控制流體流動的微分方程(質量守恒方程、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區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流體(包括油、氣、水及其混合物)進行建模和分析,其模擬結果得到充分的實踐驗證,國際各大石油公司均認可該軟件,且對于亞音速和音速情況下氣體瞬態流動模擬具有較高的準確性[9],因此本文選用OLGA軟件進行建模分析。

2 實例

2.1 正常運行工況

為更貼近工程實際,以某大型輸氣管道發生事故的兩座壓氣站之間管段為例,建立模型,進行動態模擬與分析[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,環境溫度8 ℃。通過計算,在管道正常運行時,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行壓力曲線

2.2 管道破損模擬

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

圖3 管段破口模擬簡化模型

根據現場實際情況,發生爆管的位置為76#閥室內1條DN400的支管,因此設定破口當量直徑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#閥室的壓降速率進行計算分析,得到管道發生破損后的300s內,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定值為0.15MPa/min,延時時間設定值為100～300s。由圖4可以看出,300s內76#閥室壓降速率持續高于0.15MPa/min的時間達100s,而相鄰上、下游閥室處的壓降速率僅在很短時間內超出設定值。按照該計算結果,發生破損時,76#閥室的線路截斷閥會執行關斷,而75#和77#閥室處的閥門由于壓降速率持續高于設定值的時間很短,不會觸發閥門截斷。而實際情況也是只有76#閥室即刻執行了截斷,即軟件模擬結果與實際情況吻合。

進一步比較,改變壓降速率設定值,觀察管段破損后300s內,相鄰閥室壓降速率持續超過設定值的時間,見表1。

表1 相鄰閥室不同壓降速率設定值下的延時時間

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

從計算結果可以看出,對于該段管道,目前0.15MPa/min的壓降速率設定值偏大。管道破口尺寸已經達到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。若壓降速率設定值適當降低至0.10MPa/min,則3處閥室的截斷閥均可執行截斷。

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定,使其在管道發生破損時,能夠及時截斷,減少天然氣泄漏、有效遏制事故進一步擴大,首先需要先計算非破損工況下管道的壓降速率,閥門壓降速率設定值應高于此壓降速率,以免設定值過小,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：壓縮機啟停、上下游閥門誤關斷以及大規模用戶分輸工況等。其中,壓縮機啟機過程一般為轉速逐漸提高的持續過程(約15～30min),單位時間內壓降速率的變化相對較小,而壓縮機停機和大規模用戶分輸造成的短時間內壓降變化小于閥門瞬時關斷的壓降變化,即上下游閥門誤關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、下游閥門誤關斷工況不同壓降速率設定值下76#閥室的延時時間

工況延時時間/s設定值±0 15MPa/min設定值±0 10MPa/min設定值±0 08MPa/min設定值±0 05MPa/min設定值±0 03MPa/min上游75#閥室閥門誤關斷5103575165下游77#閥室閥門誤關斷102550110255

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

3.2 不同破口當量直徑模擬

仍設破損位置在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為壓降速率設定值,不同破損工況下,300s內壓降速率持續超出設定值的時間以及300s后壓降速率值見表3～4。

表3 300s內不同破口當量直徑下壓降速率持續超出±0.15MPa/min的延時時間

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

表4 不同破口當量直徑下相鄰閥室300s后壓降速率值

閥室壓降速率值/(MPa·min-1)破口當量直徑100mm破口當量直徑250mm破口當量直徑400mm破口當量直徑500mm破口當量直徑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定值；二是延時時間大于設定的時間值。因此,若以±0.15MPa/min為壓降速率設定值,100s為延時時間設定值,當管道破口當量直徑d≥400mm時,管道破損處的截斷閥動作,而當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,當管道破口當量直徑d≤250mm時,壓降速率設定值需降低至0.05MPa/min左右才能引發閥門及時動作。如前所述,0.05MPa/min的壓降速率設定值已偏低,對較小尺寸的破口,若想通過截斷閥進行泄漏判斷并執行關斷,困難較大。一般破口尺寸至少要達到主管管徑的1/3～1/2,線路截斷閥才能在管道發生破損時正確判斷并自動關斷。

3.3 不同破口位置模擬

以破口當量直徑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,對應的76#閥室處壓降速率不同,見圖6。

圖6 不同破口位置對應的壓降速率

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為壓降速率設定值,破口1～ 4工況下76#閥室處壓降速率持續超出設定值的時間分別為20、70、90、100s,可見破口位置離檢測點越遠,壓降速率衰減越快,若延時時間一定,則壓降速率設定值需適當降低,才能檢測出較遠位置的破口。

3.4 不同輸量模擬

按照實際情況,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(以破口當量直徑d=400mm為例,檢測點為76#閥室出口,即管道破口處),見圖7。

圖7 不同輸量對應的壓降速率

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,考慮其余參數不變,只改變主管管徑D,得到不同主管管徑對應的壓降速率(以破口當量直徑d=400mm為例,檢測點為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,管道發生破損后,壓降速率越大,越容易被檢測到。

3.6 不同運行壓力模擬

為單純研究運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不變,只改變運行壓力p,得到工況1(平均運行壓力8.65MPa)、工況2(平均運行壓力7.65MPa)和工況3(平均運行壓力6.65MPa)3種工況下的壓降速率(以破口當量直徑d=400mm為例,檢測點為77#閥室,即管道破口處下游相鄰閥室),見圖9。

圖9 不同運行壓力對應的壓降速率

由圖9可以看出,管道本身運行壓力越低,發生破損后壓降速率越小。因此,若整條管道采用統一壓降速率設定值,則壓力低的管段發生破損更容易被檢測出。

3.7 各影響因素敏感性小結

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

4)破口當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 結論

壓降速率設定值的正確與否,直接關系到線路截斷閥動作的準確性與及時性。對于大口徑、長距離輸氣管道,從投產初期到達設計輸量通常需要經歷幾年至十來年,起點、末點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一的經驗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,得出以下幾點結論及建議：

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,例如小的機械損傷和腐蝕穿孔等。

2)穩定運行管道壓降速率設定值可適當減小。根據現場經驗,管道投產初期,壓降波動較大,線路截斷閥壓降速率設定值可采用0.15MPa/min。但隨著管線輸量逐漸提高達設計輸量,運行趨于平穩,線路截斷閥壓降速率設定值可適當降低。

3)壓降速率設定值下限。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,應收集管道在實際生產過程中的運行數據,找出正常運行情況下管道的最大壓降速率,截斷閥壓降速率設定值應高于該數值。一般情況下,壓降速率最小設定值不宜低于0.05MPa/min。

4)設計取值與運行實際情況的結合。為更好地發揮線路截斷閥的保護作用,在管道設計時,線路截斷閥的參數設置需根據管道具體情況(管徑、壓力、輸量、閥室間距及分輸情況等)進行壓降速率模擬計算,且在運行過程中,運行單位應根據實際運行情況進行適當調整。

5)典型管道重點管段校核。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行壓力、破口位置進行逐一模擬計算。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行壓力。因此,對典型管道重點管段(壓氣站上下游閥室、管線末端閥室、分輸規模大的閥室),可按照設計輸量、最大閥室間距進行壓降速率核算,找出典型管段壓降速率設定值,對其他管段具有重要參考價值,在保證設計準確性的同時,大大減少了安全運行管理的工作量。

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2015-01-09

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

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.002