天然氣干線破管檢測系統控制參數設置*

龍學淵 田園 朱娜重慶科技學院 西南油氣田分公司輸氣管理處

天然氣干線破管檢測系統控制參數設置*

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氣液聯動閥是天然氣干線破管檢測系統核心控制裝置，其控制參數設置是否科學直接影響破管檢測系統運行的有效性和敏感性。通過對數值仿真實驗數據進行多元擬合，得到輸量、壓力、管徑、漏失當量直徑與壓降速率之間的多元擬合解析式，該多元擬合解析式可由已知的管輸量、管徑、工作壓力及泄漏當量直徑估算出起點閥室的最大壓力下降速率，平均誤差低于10%。破管泄漏點距起點閥室越近，起點閥室處壓力降幅越大，且壓力下降曲線斜率也越大。在管輸量、管徑、泄漏當量直徑一定的情況下，壓降速率隨著起點閥室壓力的增加而增加，但增幅隨壓力的增加而減小。

管線漏失；破管檢測；壓力；數值模擬；多元擬合

干線破管檢測系統的引入為管道安全輸送提供了強有力的保障，其核心控制裝置即氣液聯動閥設置于站場及閥室，以實現輸送系統在出現異常情況下的緊急切斷和場站進出站的緊急關斷功能。氣液聯動閥是天然氣干線破管檢測系統核心控制裝置，其控制參數設置是否科學直接影響破管檢測系統運行的有效性和敏感性[1]。氣液聯動閥以壓力下降速率作為控制參數，當出現漏失事故時干線破管檢測系統是否能準確識別并關閉閥門，或當干線破管檢測系統誤動作時是否能短時間內解除生產停止狀態并防止管網憋壓，這都是輸氣公司必須面對的實際工程問題[2]。由于對不同工況下的不同管道進行破管參數的監測和計算較為復雜，國內外尚無成熟設置規則與判斷方法[3]。

1 不同漏失工況數值模擬

為進行不同輸量、壓力、泄漏當量直徑條件下起點閥室壓力變化的分析，根據文獻[4]所列模型對整個管線漏失事故工況進行數值模擬。從漏失位置、管徑、輸量、管線運行壓力等幾個方面分析破管漏失對起點閥室壓力下降速率變化的影響。取各影響參數變化范圍如下：管徑426～914 mm，輸量150×104～1 500×104m3/d，運行壓力2～6 MPa，破管漏失當量直徑50～200 mm。

首先，分析不同的漏失位置對起點閥室壓力變化的影響。在起點和終點閥室間，每隔4 km設置一個漏失點，動態仿真破管漏失點形成后起點閥室壓力的變化，分析不同位置對起點閥室壓力變化的影響。模擬管徑為426 mm，管線長度32 km，起點閥室壓力2 MPa，輸量150×104m3/d，仿真得到起點閥室壓力下降速率與破管漏失點的對應變化關系。結果表明，漏失位置距離起點閥室越遠，則其壓降下降速率越小，且壓力下降速率最大值在時間上存在一定的延遲。

其次，分析不同的破管漏失當量直徑對起點閥室壓力下降速率的影響。當管輸量為150×104m3/d時，取起點壓力2 MPa，管徑426 mm，破管漏失點距離起點閥室16 km，假定漏失發生在第1.9 h，漏失部位在0.1 h內形成，背壓為大氣壓。針對不同的漏失當量直徑（50、100、150和200 mm），仿真5 h內的工況變化，得到不同當量直徑破管漏失發生后起點閥室壓力下降速率的變化。結果表明，在管輸量、起點壓力、管徑不變的條件下，起點壓力下降速率隨漏失當量直徑的增大而迅速上升。在漏失當量直徑不發生變化后7 min左右，漏失速率達到最大值，隨后速率開始下降到一個穩定值，管徑越大則速率下降到穩定值所需時間越長，管徑越小所需時間越短。

再次，分析不同管徑對起點閥室壓力下降速率的影響。取輸量為750×104m3/d，起點壓力為6 MPa，漏失當量直徑為100 mm，針對不同的管徑（529、610、711、813和914 mm），觀察起點閥室壓力下降速率變化情況。結果表明，在管輸量、起點壓力、泄漏點當量直徑不變的條件下，起點壓力下降速率從泄漏發生時到開始上升到2.2 h時，即泄漏發生12 min后壓力下降速率達到最大值。

最后，分析漏失發生后輸量對起點閥室壓力下降速率的影響。取起點壓力為6 MPa，泄漏當量直徑為100 mm，管徑為813 mm，針對不同的輸量（150×104～1 200×104m3/d），觀察起點閥室壓力下降速率變化情況。結果表明，在破管漏失情況下，輸量對起點閥室的壓力下降速率影響不大。

2 仿真實驗數據多元擬合

為了得到輸量、壓力、管徑、漏失當量直徑對起點閥室壓力及壓力下降速率影響的定量關系，正確地設置氣液聯動閥關鍵參數，要對整個模擬計算得到的原始數據進行多元擬合，進而得到能夠估算最大壓降速率的擬合公式，如下式

Vmax=aQ+bp+cD+dDL+e（1）

式中Vmax為起點閥室壓力最大壓力下降速率（bar/min），Q為輸量（100×104m3/d）；p為管道正常工作壓力（MPa）；D為管徑（mm）；DL為泄漏點當量直徑（mm）。

擬合公式中各常數值如下：

a=1.496 405 196 548 99×10-4

b=-1.718 410 655 671 75×10-2

c=-6.540 930 315 377 99×10-5

d=3.500 391 399 130 48×10-3

e=2.752 383 727 424 9×10-2

根據式（1），通過已知管線的管徑、工作壓力、輸量及漏失當量直徑可計算起點閥室的最大壓力下降速率，從而為氣液聯動閥的參數設置提供理論依據。依據仿真數據進行擬合，得到起點閥室最大壓力下降速率與仿真數據點對比結果，如圖1所示。

圖1 擬合計算值與仿真實驗數據對比

由圖1可知，當管徑較大，壓力較高，且泄漏當量直徑在100 mm以上時，擬合公式預估數據較為準確；而在小管徑、低壓力，且泄漏當量直徑為50 mm及以下時，壓力降速率變化較慢，對各個自變量敏感度低，因此擬合結果差距較大，但擬合的準確度普遍達到85%以上，能夠作為現場對管線泄漏情況進行分析的依據。

3 結論

由于長輸管線破管泄漏是一種極端工況，發生頻度較低，現場采集到的實際數據少且漏失點隨機性高，很難作為基礎數據進行規律性分析研究，應用數值仿真手段對不同工況和不同的漏失情況下的起點閥室壓力變化規律進行深入分析研究，最后對數值模擬實驗結果進行多元擬合及誤差分析，得到如下結論：

（1）通過對數值仿真實驗數據進行多元擬合，得到輸量、壓力、管徑、漏失當量直徑與壓降速率之間的多元擬合解析式，該多元擬合解析式可由已知的管輸量、管徑、工作壓力及泄漏當量直徑估算出起點閥室的最大壓力下降速率，平均誤差低于10%，為氣液聯動閥關鍵控制參數的設置提供一種簡便實用的方法，并可為管線破管泄漏故障診斷提供指導。

（2）破管泄漏點距起點閥室越近，則起點閥室處壓力降幅越大，且壓力下降曲線斜率也越大。在管輸量、壓力、管徑一定的前提下，管道泄漏當量直徑存在臨界值，隨著當量直徑的增加，起點壓力下降速率迅速增加，但下降速率的增幅逐漸減小，趨于一個臨界值。該臨界值隨著管輸量、壓力、管徑的變化而變化。在管輸量、壓力、泄漏當量直徑一定的情況下，壓降速率隨著管徑的增加而增加，但增幅隨管徑的增加而減小。在管輸量、管徑、泄漏當量直徑一定的情況下，壓降速率隨著起點閥室壓力的增加而增加，但增幅隨壓力的增加而減小。

[1]Pal-Stefan Murvay，Ioan Silea．A Survey on Gas Leak Detection and Localization Techniques[J]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25（6）：966-973.

[2]張連文．管道泄漏檢測技術及評價[J]．油氣田地面工程，2003，22（4）：1-3.

[3]桑博，蘭惠清．燃氣管道泄漏過程模型的研究進展[J]．油氣儲運，2011，30（8）：608-612.

[4]H．Prashanth Reddy，Shankar Narasimhan．Leak Detection in Gas Pipeline Networks Using an Efficient State Estimator．Part II．Experimental and Field Evaluation[J]．Computers and Chemical Engineering，2010，35（4），662-670.

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.035

基金論文：重慶市教委科學技術研究項目（KJ131414）。