輸氣管道的典型瞬態工況分析

楊毅 呂曉華 魏凱 陳鵬 許玉磊

中國石油北京油氣調控中心

輸氣管道的典型瞬態工況分析

楊毅 呂曉華 魏凱 陳鵬 許玉磊

中國石油北京油氣調控中心

準確了解輸氣管道工況的瞬時變化情況,有助于輸氣管道調度管理部門調控和優化輸氣管道運行方案,及時采取應急措施,保障輸氣管道的安全運營。為此,在分析輸氣管道基本方程的基礎上,選用SPS仿真軟件模擬了輸氣管道典型工況的瞬態變化情況,得到以下結論:當壓縮機站啟機時,該站流量上升,入口壓力下降,出口壓力上升;停機時,該站流量下降,入口壓力上升,出口壓力下降;截斷閥關斷時,上下游流量下降,入口壓力上升,出口壓力下降;管道發生泄漏時,上下游壓力下降,上游流量上升,下游流量下降。該分析結果對輸氣管道的安全運營具有指導作用。

天然氣 管道 瞬態 工況 分析 SPS仿真軟件 安全運營

隨著天然氣輸氣管道的不斷建設和相互連接成網[1],輸氣管網的調度管理工作日漸繁瑣,輸氣管道的工況變化也越來越頻繁,個別異常工況的出現將會影響輸氣管道的安全運行。準確了解輸氣管道工況的瞬時變化情況,能夠有效地幫助和指導輸氣管道調度管理部門制訂調整方案,及時采取應急措施[2-4]。

1 管輸天然氣的流動基本方程

天然氣在管道中流動的主要方程為質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程,其他相關方程請參見本文參考文獻[5]。

2 輸氣管道的穩態和瞬態仿真軟件

基于上述輸氣管道的基本方程以及其他相關方程,可以建立出輸氣管道穩態和瞬態的仿真模型,選用特征線法或中心隱式差分法等算法求解模型,開發出輸氣管道仿真軟件[6-10]。筆者采用SPS軟件模擬輸氣管道典型工況的瞬態情況。

3 典型瞬態工況及分析

輸氣管道的運行工況可以分為正常工況和異常工況。正常工況包括了管道啟輸、啟停壓縮機組、壓縮機組切換、越站輸氣、分輸用戶的氣量調整和氣源進氣量的調整等。異常工況包括了管道泄漏(爆管)、管道堵塞(冰堵)、干線截斷閥意外關斷、運行機組故障停運、通訊中斷和站場故障停運等。

某輸氣管道全長1 316 km,全線共4座壓縮機站(SB站、YCZG站、WL站和 HD站),有4座分輸站(DLH站、XN站、M H站和末站),1座分輸閥室(DSQ閥室),4個監控閥室(FS25閥室、FS26閥室、FS30閥室和FS31閥室)。該管道正常運行工況下的壓力和流量曲線如圖1所示。

圖1 某輸氣管道正常運行工況下的壓力和流量曲線圖

3.1 壓縮機站啟停壓縮機時的瞬態工況

下面討論的壓縮機站啟停壓縮機既包括了計劃性啟停機又包括了故障停機。

3.1.1 輸氣管道壓縮機停機時的瞬態工況

HD站壓縮機停機的瞬時壓力和流量趨勢如圖2所示。從圖2可以看出,HD站壓縮機停機后,該站的天然氣通過量瞬間下降至0,上下游的流量下降均下降較快,入站壓力上升,出站壓力下降。長此以往將影響到上游壓縮機的運行、下游用戶的分輸量以及全線的輸氣量。

圖2 HD站壓縮機停機時的瞬時壓力和流量曲線圖

如果是故障停機,應該立刻采取應急措施。對于有備用機組的站場,站內工作人員應在停機后首先判斷出能否在短時間內啟機,然后再根據情況判斷是否需要立即適當地提高下游站場壓縮機轉速或降低上游站場機組轉速;如果無備機可用時,可以采用維持上游壓縮機最高出站壓力、提高下游壓縮機的出站壓力、降低全線輸氣量和降低下游用戶的供氣量等應急措施來保障管道的安全平穩運行。

3.1.2 輸氣管道壓縮機啟機時的瞬態工況

HD站壓縮機啟機時的瞬時壓力和流量趨勢如圖3所示。從圖3中可以看出,HD站壓縮機啟機后,該站的天然氣通過量瞬間提高的幅度非常大,上下游的流量上升速度均較快,入站壓力下降,出站壓力上升。長此以往將影響到上游壓縮機的運行、下游用戶的分輸量以及全線的輸氣量,最后,全線工況會穩定到如圖1所示的狀態。

3.2 輸氣管道干線截斷閥意外關斷時的瞬態工況

輸氣管道干線截斷閥(DSQ閥室)意外關斷時,管道的瞬時壓力和流量趨勢如圖4所示。從圖4可以看出,DSQ閥室意外關斷后,該閥室的天然氣通過量瞬間下降至零,上下游的流量下降均較快,入站壓力上升,出站壓力下降。長此以往將影響到上游壓縮機的運行、下游用戶的分輸量以及全線的輸氣量,最后導致全線停運。

圖4 DSQ閥室意外關斷時的瞬時壓力和流量曲線圖

當發現閥室工況突變并判斷出閥室意外關斷后,應立刻采取應急措施。首先維修人員應盡快到達被關斷的閥室,快速打開旁通閥室平壓,然后再打開主閥。當出現嚴重的閥門故障、不能重新開閥時,應該調節運行工況,逐漸關停上下游的壓縮機,最后停運全線,直至事故處理完畢。

輸氣管道發生嚴重堵塞以及站場意外停運(如站內關鍵閥門關斷)時的壓力和流量曲線與干線截斷閥意外關斷時的壓力和流量曲線相近,同樣是上下游的流量下降,入站壓力上升,出站壓力下降。

3.3 輸氣管道泄漏時的瞬態工況

圖5 管道某處泄漏后的流量曲線圖

管道某處泄漏后的流量曲線圖如圖5所示,管道泄漏點的壓力曲線圖如圖6所示。從圖5可以看出,管道泄漏后,泄漏點上游的流量上升,下游的流量下降。從圖6可以看出,管道泄漏后,泄漏點壓力下降較快,并會引起泄漏點上下游壓力的下降。如果泄漏量較大或者出現管道爆管情況時將嚴重影響上下游壓縮機站的運行,最后導致全線停運。

圖6 管道泄漏點的壓力曲線圖

當發現上下游兩個站場或閥室的壓力和流量情況符合圖5和圖6的變化曲線后,應初步判斷出泄漏點的位置,并及時派遣巡線人員查找泄漏點的準確位置,盡快實施應急維修預案,快速解決泄漏事故。

3.4 其他典型瞬態工況分析

SB站流量突增后的全線壓力和流量曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出,當SB站的氣量突然增加后,SB站的出站壓力迅速上升,其他站的壓力和流量變化幅度不大。

圖7 SB站流量突增后的全線壓力和流量曲線圖

XN站的用戶分輸流量突增后的全線壓力和流量曲線圖如圖8所示。從圖8可以看出,當XN站的分輸氣量突然增加后,XN站上下游的壓力會有所下降,上游的流量會有所增加。

4 結論

1)輸氣管道壓縮機站啟機時,該站的天然氣通過量瞬間提高的幅度非常大,上下游的流量上升速度均較快,入站壓力下降,出站壓力上升;停壓縮機時,該站的天然氣通過量瞬間下降至0,上下游的流量下降均較快,入站壓力上升,出站壓力下降。

圖8 XN站的用戶分輸流量突增后的全線壓力和流量曲線圖

2)輸氣管道干線閥室意外關斷(或嚴重堵塞)時,天然氣通過量瞬間下降至0,上下游的流量下降均較快,入站壓力上升,出站壓力下降。

3)輸氣管道發生泄漏時,泄漏點壓力下降較快,會導致泄漏點上下游壓力的下降,上游流量上升,下游流量下降。

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Typical transient working conditions of gas transm ission pipelines

Yang Yi,LüXiaohua,Wei Kai,Chen Peng,Xu Yulei
(Beijing Oil&Gas Pipeline Control Center,PetroChina,Beijing 100007,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 7,pp.71-73,7/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

To accurately understand the transient working conditions of gas pipelines w ill help the management department control and op timize the operation p rogram,p romptly take emergency measures,thereby ensure its safe operation.Based on an analysis of the basic equationsof gas pipelines,the Stoner Pipeline Simulator(SPS)is adopted to simulate the transient state of typical pipeline operating conditions.The follow ing conclusions are obtained.(1)When the comp ressor unit at the comp resso r station is powered on,both the flow rate and outlet p ressure accordingly lower dow n,w hereas the inlet p ressure drops.(2)When the comp ressor unit is powered off,the flow rate and outlet p ressure accordingly decline,w hereas the inlet p ressure rises.(3)When the block valve is turned off,the upstream and dow nstream flow rate and the outlet p ressure fall,w hereas the inlet p ressure rises.(4)When pipeline leakage takes p lace,the upstream and dow nstream p ressure and dow nstream flow rate drop,w hereas the upstream flow rate increases.These conclusions have great significance fo r the safe operation of gas transmission pipelines.

natural gas,pipeline,transient state,working condition,analysis,Stoner Pipeline Simulator(SPS)software,safeoperation

楊毅等.輸氣管道的典型瞬態工況分析.天然氣工業,2011,31(7):71-73.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.017

楊毅,1977年生,副研究員,博士;主要從事油氣管道調控技術研究和管理工作。地址:(100007)北京市東城區東直門北大街9號中國石油大廈北京油氣調控中心。電話:(010)59983762。E-mail:yangyi.xn@petrochina.com.cn

(修改回稿日期 2011-05-03 編輯 何 明)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.017

Yang Yi,associate researcher,bo rn in 1977,holds a Ph.D degree,beingmainly engaged in the regulation,controlling and management of oil and gas pipelines.

Add:No.9,No rth Dongzhimen Street,Dongcheng District,Beijing 100007,P.R.China

Tel:+86-10-5998 3762 Mobile:+86-15811097631 E-mail:yangyi.xn@petrochina.com.cn