基于TGNET的環(huán)形天然氣管道干線截斷閥壓降速率設(shè)定值研究

馬開冀 王曉靜

摘 要：長輸天然氣管道設(shè)置的干線截斷閥門，都會設(shè)置一定的壓降速率值，以便在管道發(fā)生泄漏時快速關(guān)閉干線截斷閥門，防止事故進一步擴大，但由于干線截斷閥門設(shè)定的壓降速率值一般都為經(jīng)驗值，且普遍較大，管道發(fā)生泄漏時無法及時關(guān)閉，本文利用TGNET水力計算軟件對不同工況和不同破損口徑等多種情況進行模擬比對，以確定不同情況下的壓降速率設(shè)定值。

關(guān)鍵詞：環(huán)形天然氣管道;泄漏;壓降速率;延時時間;TGNET

1 前言

天然氣管道一旦發(fā)生泄漏，不僅會因氣體泄漏造成一定的經(jīng)濟損失和對環(huán)境的污染，嚴(yán)重情況下，還可能引發(fā)火災(zāi)或者爆炸。為保障天然氣輸送系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行，目前系統(tǒng)內(nèi)的干線截斷閥門都會設(shè)置一定的壓降速率值且普遍較大，一般為經(jīng)驗值0.15MPa/min，延時時間為120s，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力降超過該值并超過延時時間時，由驅(qū)動裝置自動關(guān)閉閥門。由此看出壓降速率和延時時間的取值直接影響到發(fā)生泄漏時閥門是否可以及時快速的關(guān)閉;當(dāng)取值偏大，系統(tǒng)發(fā)生泄漏時，則閥門無法及時關(guān)閉，將可能引起更大的事故危險;當(dāng)取值偏小，系統(tǒng)未發(fā)生泄漏時，也有可能因其他原因引發(fā)閥門誤關(guān)斷或頻繁關(guān)斷，將嚴(yán)重的影響系統(tǒng)的正常生產(chǎn)運行。因此對壓降速率和延時時間的取值研究就顯得尤為重要。

2 軟件的選用

長輸天然氣管道系統(tǒng)是一個非線性且隨時發(fā)生變化的系統(tǒng)，要對不同位置的閥門壓降速率和延時時間進行精準(zhǔn)計算，應(yīng)先建立與管道實際運行情況相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際工況的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型進行瞬態(tài)模擬與分析，得出氣體流態(tài)在管道系統(tǒng)中的分布情況和隨時間的變化情況。

TGNET水力計算軟件能夠?qū)μ烊粴夤艿老到y(tǒng)中進行穩(wěn)態(tài)模擬和瞬態(tài)模擬，可以有效的對天然氣管道系統(tǒng)正常工況和事故工況進行分析，其軟件選用的BWRS狀態(tài)方程更是引用了多達11個參數(shù)的狀態(tài)方程，引入的參數(shù)越多，考慮的因素就越多，適用的范圍也就越廣。因此本文選用TGNET水力計算軟件進行建模分析。

3 建立模型

以某管道公司環(huán)形天然氣管網(wǎng)為例，環(huán)形干線管道長度約659km，管徑為D508mm，單日平均輸氣量為350×104Nm3/d的輸氣系統(tǒng)，輸氣站A是系統(tǒng)的進氣點。利用TGNET水力計算軟件進行建模，模型示意圖如下：

4 泄漏工況模擬

4.1 靠近進氣點位置泄漏模擬

在2#和3#閥室閥室1/2位置處設(shè)置一個泄漏孔，通過改變泄漏孔徑來模擬實際發(fā)生泄漏時管道上下游及其相鄰閥室處的壓力變化情況，并判斷干線截斷閥門是否會在壓降速率超過±0.15MPa/min、延時時間為120s時及時關(guān)閉。

泄漏孔徑為200mm：設(shè)定泄漏孔徑d=200mm，相對泄漏孔徑40%，泄漏位置于2#閥室下游10km處，利用計算軟降對1#、2#、3#、4#閥室處的壓降速率進行計算分析，得到管道發(fā)生泄漏后300s內(nèi)1#、2#、3#、4#閥室的壓降速率。

計算結(jié)果得出2#閥室壓降速率超過±0.15MPa/min的時間為114s，3#閥室壓降速率超過±0.15MPa/min的時間為140s，1#和4#閥室壓降速率均未超過±0.15MPa/min。由此判斷，發(fā)生泄漏時僅3#閥室的干線截斷閥會自動關(guān)閉，1#、2#和4#閥室因?qū)嶋H的壓力變化值低于設(shè)定的壓降速率值，且持續(xù)時間較短，故不會執(zhí)行關(guān)閥動作。

當(dāng)泄漏孔徑達到200mm時，也僅有3#閥室的干線截斷閥門關(guān)閉，其他閥門閥門均未關(guān)閉，所以當(dāng)前±0.15MPa/min的壓降速率值設(shè)定偏大，若適當(dāng)將壓降速率設(shè)定值設(shè)定為±0.13MPa/min、延時時間為120s，則2#、3#閥門的干線截斷閥會執(zhí)行關(guān)閥動作。

4.2 遠離進氣點位置泄漏模擬

在6#和7#閥室閥室1/2位置處設(shè)置一個泄漏孔，通過改變泄漏孔徑來模擬實際發(fā)生泄漏工況時管道上下游及其相鄰閥室處的壓力變化情況，并判斷干線截斷閥門是否會在壓降速率超過±0.15MPa/min、延時時間為120s時及時關(guān)閉。

泄漏孔徑為200mm：設(shè)定泄漏孔徑d=200mm，相對泄漏孔徑40%，泄漏位置于6#閥室下游10km處，利用計算軟降對5#、6#、7#、8#閥室處的壓降速率進行計算分析，得到管道發(fā)生泄漏后300s內(nèi)5#、6#、7#、8#閥室的壓降速率。

計算結(jié)果得出發(fā)生泄漏后5#、6#、7#、8#閥室處的壓降速率均未達到±0.15MPa/min、延時時間為120s的關(guān)閥條件，所以當(dāng)前±0.15MPa/min的壓降速率（下轉(zhuǎn)第20頁）（上接第18頁）值設(shè)定偏大，若適當(dāng)將壓降速率設(shè)定值設(shè)定為±0.13MPa/min、延時時間為120s，則6#、7#閥門的干線截斷閥會執(zhí)行關(guān)閥動作。

5 不同工況對壓降速率的影響

為在實際運行過程中更準(zhǔn)確的判定干線截斷閥壓降速率的設(shè)定值，還應(yīng)綜合考慮其他因素對計算結(jié)果的影響。

5.1 不同輸量的影響

實際運行中系統(tǒng)輸送氣量受季節(jié)性影響，為單純研究不同輸量對壓降速率的影響，設(shè)定泄漏孔徑d=200mm，相對泄漏孔徑40%，泄漏位置于2#閥室下游10km處，分別對不同輸量下的壓降速率進行模擬計算，得出在氣量差異較大時，系統(tǒng)在發(fā)生泄漏時壓降速率變化過程基本一致，其超過0.15MPa/min的延時時間均超過120s;因此在相同條件下，不同輸量的變化對壓降速率的影響可忽略不計。

5.2 不同泄漏孔徑的影響

仍設(shè)定泄漏位置于2#閥室下游10km處，分別模擬計算300s內(nèi)不同泄漏孔徑（50mm、150mm、250mm、350mm）對壓降速率的影響，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泄漏孔徑分別為50mm和100mm時，壓降速率未達到其設(shè)定值0.15MPa、

延時時間120s的關(guān)閥條件，當(dāng)泄漏孔徑分別為250mm和350mm時壓降速率明顯超出其閥門設(shè)定值，且延時時間更長，泄漏孔徑與壓降速率成正比，如前所述，壓降速率設(shè)定值不宜設(shè)置過低，因此應(yīng)考慮在相對泄漏孔徑的30%以上確定壓降速率設(shè)定值和延時時間。

5.3 不同泄漏位置的影響

設(shè)定泄漏孔徑d=200mm，其他輸入條件不變，分別模擬計算300s內(nèi)不同泄漏位置（2#出口、1/3、2/3、3#入口）對壓降速率的影響，得出在泄漏位置不同，壓降速率出現(xiàn)峰值和延遲時間也有較大差異，當(dāng)泄漏位置分別在2/3和3#入口處時，壓降速率未達到其設(shè)定值0.15MPa、延時時間120s的關(guān)閥條件，由此判斷泄漏位置越遠，壓力衰減越弱，持續(xù)時間越短，對壓降速率的影響也就越小。

6 結(jié)論

為更精準(zhǔn)的確定干線截斷閥門的壓降速率設(shè)定值，在保證系統(tǒng)發(fā)生泄漏時能快速的執(zhí)行關(guān)閥動作，又要避免因壓降速率設(shè)置過小導(dǎo)致閥門的誤關(guān)斷或頻繁關(guān)斷，在實際應(yīng)用中除綜合考慮多重因素對壓降速率的影響外，還應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個最小泄漏報警限，和對重點管段進行更精確的模擬計算。總結(jié)文中確定壓降速率設(shè)定值的方法如下：①建立與實際工況一致的系統(tǒng)模型，輸入的變量條件越多，輸出結(jié)果也就越準(zhǔn)確;②在系統(tǒng)內(nèi)建立一個典型泄漏工況，將其結(jié)果分別代入其他分段管道，驗證是否合理;③泄漏位置的不同和泄漏孔徑的大小對壓降速率的影響最大，應(yīng)針對不同輸氣系統(tǒng)、不同管段進行分析篩選;④在實際應(yīng)用過程中，對運行工況不穩(wěn)定的輸氣系統(tǒng)，應(yīng)逐步減小壓降速率設(shè)定值，待運行一段時間后再做調(diào)整。