基于TGNET的環形天然氣管道干線截斷閥壓降速率設定值研究

馬開冀 王曉靜

摘 要：長輸天然氣管道設置的干線截斷閥門，都會設置一定的壓降速率值，以便在管道發生泄漏時快速關閉干線截斷閥門，防止事故進一步擴大，但由于干線截斷閥門設定的壓降速率值一般都為經驗值，且普遍較大，管道發生泄漏時無法及時關閉，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定值。

關鍵詞：環形天然氣管道;泄漏;壓降速率;延時時間;TGNET

1 前言

天然氣管道一旦發生泄漏，不僅會因氣體泄漏造成一定的經濟損失和對環境的污染，嚴重情況下，還可能引發火災或者爆炸。為保障天然氣輸送系統的安全平穩運行，目前系統內的干線截斷閥門都會設置一定的壓降速率值且普遍較大，一般為經驗值0.15MPa/min，延時時間為120s，當系統內壓力降超過該值并超過延時時間時，由驅動裝置自動關閉閥門。由此看出壓降速率和延時時間的取值直接影響到發生泄漏時閥門是否可以及時快速的關閉;當取值偏大，系統發生泄漏時，則閥門無法及時關閉，將可能引起更大的事故危險;當取值偏小，系統未發生泄漏時，也有可能因其他原因引發閥門誤關斷或頻繁關斷，將嚴重的影響系統的正常生產運行。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是一個非線性且隨時發生變化的系統，要對不同位置的閥門壓降速率和延時時間進行精準計算，應先建立與管道實際運行情況相對應的數學模型，根據實際工況的穩態數學模型進行瞬態模擬與分析，得出氣體流態在管道系統中的分布情況和隨時間的變化情況。

TGNET水力計算軟件能夠對天然氣管道系統中進行穩態模擬和瞬態模擬，可以有效的對天然氣管道系統正常工況和事故工況進行分析，其軟件選用的BWRS狀態方程更是引用了多達11個參數的狀態方程，引入的參數越多，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

以某管道公司環形天然氣管網為例，環形干線管道長度約659km，管徑為D508mm，單日平均輸氣量為350×104Nm3/d的輸氣系統，輸氣站A是系統的進氣點。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位置處設置一個泄漏孔，通過改變泄漏孔徑來模擬實際發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時及時關閉。

泄漏孔徑為200mm：設定泄漏孔徑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，得到管道發生泄漏后300s內1#、2#、3#、4#閥室的壓降速率。

計算結果得出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，發生泄漏時僅3#閥室的干線截斷閥會自動關閉，1#、2#和4#閥室因實際的壓力變化值低于設定的壓降速率值，且持續時間較短，故不會執行關閥動作。

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

4.2 遠離進氣點位置泄漏模擬

在6#和7#閥室閥室1/2位置處設置一個泄漏孔，通過改變泄漏孔徑來模擬實際發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時及時關閉。

泄漏孔徑為200mm：設定泄漏孔徑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，得到管道發生泄漏后300s內5#、6#、7#、8#閥室的壓降速率。

計算結果得出發生泄漏后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的關閥條件，所以當前±0.15MPa/min的壓降速率（下轉第20頁）（上接第18頁）值設定偏大，若適當將壓降速率設定值設定為±0.13MPa/min、延時時間為120s，則6#、7#閥門的干線截斷閥會執行關閥動作。

5 不同工況對壓降速率的影響

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

5.1 不同輸量的影響

實際運行中系統輸送氣量受季節性影響，為單純研究不同輸量對壓降速率的影響，設定泄漏孔徑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，系統在發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

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

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

5.3 不同泄漏位置的影響

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

6 結論

為更精準的確定干線截斷閥門的壓降速率設定值，在保證系統發生泄漏時能快速的執行關閥動作，又要避免因壓降速率設置過小導致閥門的誤關斷或頻繁關斷，在實際應用中除綜合考慮多重因素對壓降速率的影響外，還應在系統內設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。總結文中確定壓降速率設定值的方法如下：①建立與實際工況一致的系統模型，輸入的變量條件越多，輸出結果也就越準確;②在系統內建立一個典型泄漏工況，將其結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，應針對不同輸氣系統、不同管段進行分析篩選;④在實際應用過程中，對運行工況不穩定的輸氣系統，應逐步減小壓降速率設定值，待運行一段時間后再做調整。