輸氣管道放空時間測算及作業控制方法

張 科

（陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

輸氣管道放空作業是生產運行過程中的常見環節，但放空時間的測算與過程控制對管道放空作業的順利實施以及管道停輸施工期間下游用戶的保供具有重要的意義。靖邊—西安天然氣管道運行系統具有線路長、規格多、敷設范圍廣、管道沿線環境復雜等特點，并且該系統承擔著向西安市、關中地區以及陜南地區天然氣供給的重要任務，對管道運行的穩定性要求極高。因此有必要結合生產實際對管道放空作業時間進行測算與研究。基于靖西三線輸氣管道8號—9號閥室間管道因第三方施工導致輕微泄漏而實施應急搶險作業，對施工管道放空作業過程分別進行數值計算與模擬計算研究，并與實際放空作業過程進行了對比分析。

1 數值計算

1.1 計算模型

在施工管道放空作業過程中，氣體處于非穩定流動狀態［1-3］，由于管道放空作業過程中壓降變化較大，導致管道內氣體的溫度、密度等物性參數隨時間不斷變化，在整個放空作業過程中氣體要經歷兩種流態，即臨界流狀態和亞音速流狀態［4-8］。同時，放空作業會受到施工管道長度、施工管道外徑與壁厚、放空管外徑與壁厚、管道摩阻、放空閥開度等多種因素的影響，定量分析放空作業過程較為復雜，但在應急搶險過程中，往往需要通過估算放空作業時間來有效控制搶險過程。因此，在施工管道放空時間估算時，通常忽略亞音速流狀態，將放空作業過程當做臨界流狀態，忽略放空管阻力損失的臨界流數值計算模型如式（1）所示［9-11］。

式中，t為放空時間，s；V為施工管道的容積，m3；μ為放空閥相對開度，無量綱；A為放空閥全開后流通截面積，m2；p1為放空前施工管道內天然氣平均絕對壓力，MPa；p2為放空后施工管道內天然氣絕對壓力，MPa；Mr為天然氣相對分子質量，無量綱；Z為天然氣壓縮因子，無量綱；Rcon為天然氣氣體常數，J／kg·K；T為施工管道內天然氣溫度，K；κ為天然氣等熵絕熱指數，無量綱；g為重力加速度，g＝9.8 m／s2。

1.2 基本參數

靖西三線輸氣管道8號—9號閥室間施工管道放空作業過程基本參數如表1所示，兩座閥室均為單管放空，放空閥開度均由小到大單調遞增，為簡化計算將天然氣近似地按純甲烷考慮，取天然氣在101.25 kPa、20 ℃狀態下的氣體常數、等熵絕熱指數及壓縮因子［12］，按照放空閥尺寸與放空管尺寸一致且兩座閥室同時點火放空的工況進行測算。

1.3 數值計算

將該段施工管道放空作業的相關參數代入式（1）進行計算，測算該段施工管道持續放空直至表壓為0時，將放空閥不同開度對應的放空時間進行統計（表2）。

從測算結果看，在只考慮放空閥開度與放空時間關系時，同一施工管道放空作業所需的放空時間是隨著放空閥開度的增加而逐漸減小，但在實際放空作業過程中，尤其是針對高壓輸氣管道放空作業，放空閥開度是在連續變化且具體變化情況與操作人員的業務水平、操作經驗以及放空管周圍環境等因素密切相關，簡單通過數值計算來測算放空時間存在較大局限性。

表1 放空作業相關參數表

表2 放空閥相對開度與放空時間關系表

2 模擬計算

為了掌握管道放空作業過程，準確測算放空作業時間，基于靖西三線輸氣管道8號—9號閥室間施工管道放空作業過程，利用TGNET Pipeline Studio 3.0 軟件搭建放空作業瞬態模型，對管道放空過程進行動態模擬［13-18］。在不考慮放空管周圍環境及人為干預的情況下，假設兩座閥室同時同步開始進行放空作業，在放空閥開啟時開始記錄放空時間，放空閥開度均由小到大單調遞增，模擬施工管道內天然氣壓力隨放空閥開度及放空時間的變化情況。

2.1 模型設置

采 用 TGNET Pipeline Studio 3.0 軟件 在 TGNET 主視 窗 中 利 用 Supply、 Deliver、 Leak、 Pipe、 Block valve等元件構建閥室放空作業模型（圖1）。

圖1 放空作業模型圖

初始條件。在主視窗中選用的各種模型元件中設置如表1所示的施工管道長度、施工管道外直徑與壁厚、放空管外直徑與壁厚、閥室高程、天然氣壓縮因子、施工管道內天然氣溫度等相應的基本參數（表1），設置施工管道內壁粗糙度為20 μm，取距離步長經驗值為0.5 km，選放空閥流量系數為50 000，兩閥室閥門開度Amount open 為0，模型進氣口壓力設為3.30 MPa。

邊界條件。流體狀態方程選用Peng-Robinson 方程，管道氣體摩阻方程選用Colebrook-White 方程，模型進氣模式選用Max Pressure 最高壓力模式，輸氣模式選用Max Flow 最大流量模式，兩座閥室放空閥相對開度由小到大單調遞增即控制Amount open 變化區間為0～1。

其他條件。為保證模型與放空作業前實際工況接近，設置模型中施工管道在放空作業前輸送的氣體瞬時流量為850×104Nm3／d。

2.2 模擬計算與分析

根據建立的模型，通過調整漏氣通徑Leak Diameter進行賦值，利用Transient瞬態模式開始進行放空模擬，分別模擬“立即開啟放空閥”、“近勻速開啟放空閥”、“先慢后快開啟放空閥”三種工況，按照8 號、9 號閥室同時同步點火放空，對比施工管道壓力變化與放空時間的關系，由于兩閥室模擬放空作業工況基本相同，故以8號閥室放空作業工況進行討論。

立即開啟放空閥。在模型中輸入立即放空指令后，模型系統立即打開放空閥，即模擬忽略因放空閥前后壓差產生的開閥阻力而引起的時間延遲且不考慮放空管周圍環境因素的影響，兩閥室同時同步開始放空，放空閥開度瞬間達到100%（圖2），由圖2可知，放空閥相對開度曲線為避免與縱坐標軸重合略微進行了位置調整，施工管道內天然氣壓力經過0.36 h 后由3.26 MPa 下降至0.5 MPa，施工管道壓力曲線斜率較大，在0.36 h后施工管道壓力曲線斜率逐漸變小直至放空結束，最終施工管道放空所用時間為0.71 h。

圖2 立即開啟放空閥時施工管道壓力隨時間變化曲線圖

近勻速開啟放空閥。假定為減小點火放空作業對周圍環境的影響，調整模型設置持續近勻速開啟放空閥直至全部打開，施工管道壓力隨著放空閥開度增大而逐漸下降，3 h 后放空閥全部打開（圖3）。從施工管道壓力變化曲線看，在勻速開啟放空閥的第1 h內，施工管道壓力曲線斜率較小，壓力下降緩慢，在勻速開啟放空閥的第2 h內，施工管道壓力曲線斜率增加，壓力快速下降，之后繼續勻速開啟放空閥，施工管道壓力曲線斜率又逐漸變小，壓力下降緩慢直至放空結束，實際放空時間為2.81 h，小于放空閥全開所用時間3 h，即在放空閥相對開度為0.95時施工管道壓力已降至0。

圖3 近勻速開啟放空閥時施工管道壓力隨時間變化曲線圖

先慢后快開啟放空閥。為了使模型與實際放空作業過程接近，假設考慮放空管周圍環境、放空作業噪聲及放空火焰高度等因素，對模型設置進行調整以模擬放空閥緩慢開啟的過程，要求在放空閥前后差壓較高時控制放空火焰高度，待壓差逐步減小后根據火焰高度逐漸全部打開放空閥，在放空閥開啟的前3 h 內，放空閥相對開度曲線斜率小于圖3 中放空閥相對開度曲線斜率，之后放空閥開度曲線斜率大于圖3所示，放空閥開度逐漸增加直至放空閥全開，放空閥全開所用時間為4 h（圖4）。與之對應，施工管道壓力變化曲線在前3 h內斜率較小，3 h后放空閥相對開度曲線斜率迅速增加，施工管道壓力曲線斜率逐漸增大，壓力逐漸降低直至放空結束，放空時間為4.22 h大于放空閥全開所用時間，即在放空閥全開后0.22 h施工管道壓力降至0。

圖4 先慢后快開啟放空閥時施工管道壓力隨時間變化曲線圖

3 放空實踐

3.1 放空作業概況

在靖西三線8號—9號閥室間管道因第三方施工導致輕微泄漏而實施應急搶險作業時，綜合考慮泄漏情況及管網系統運行工藝，立即關閉施工管道上游側8號閥室線路截斷閥，通過向管網下游平壓、利用大用戶用氣降壓等工藝方式調節［19］，待壓力降至預定值時關閉施工管道下游側9 號閥室線路截斷閥，開始進行放空作業，施工管道長度、放空管等基本情況如表1所示，放空作業前8號閥室下游側壓力為3.32 MPa，9號閥室上游側壓力為3.2 MPa。

按照放空作業計劃，分別通過8號閥室下游側放空閥和9號閥室上游側放空閥同時進行點火放空，以不擾民為原則，通過調整放空閥開度控制放空火焰高度、放空噪音大小等，避免引發次生災害，直至放空火焰微弱后關閉放空閥，保證施工管道內天然氣處于微正壓狀態，避免空氣回流進入施工管道而帶來安全隱患［20］。

3.2 放空作業記錄

由于放空作業過程會受到操作人員業務技能、周圍環境等外界因素影響，故對8號、9號閥室實際放空過程中壓力變化與放空閥開度情況進行對比分析，在放空閥開啟時開始記錄放空時間。

8 號閥室點火放空時施工管道壓力為3.32 MPa，由于閥室放空管位于村莊附近，依據現場環境，調整放空閥開度，控制放空火焰大小，避免擾民及引發次生災害。根據放空作業過程記錄，放空閥相對開度與施工管道壓力變化情況（圖5），在第192 min時放空閥全部打開，第243 min 時施工管道壓力約為1 000 Pa，放空火焰微弱，關閉放空閥，放空作業結束，即8號閥室放空閥全開所用時間為3.2 h，實際放空時間為4.05 h。

9 號閥室點火放空時施工管道壓力為3.2 MPa，由于閥室放空管附近多林地，依據現場周圍環境，調整放空閥開度，控制放空火焰大小，避免引發森林火災及次生災害。根據放空作業過程記錄，放空閥相對開度與施工管道壓力變化情況（圖6），在第157 min時放空閥全部打開，第216 min時施工管道壓力約為900 Pa，放空火焰微弱，關閉放空閥，放空作業結束，即9 號閥室放空閥全開所用時間為2.62 h，實際放空時間為3.6 h。綜上所述，施工管道放空時間即為8號閥室放空時間4.05 h。

圖5 8號閥室下游側管道放空壓力變化圖

圖6 9號閥室上游側管道放空壓力變化圖

3.3 分析與對比

1）數值計算反算分析。根據此次放空作業過程記錄，將實際放空作業過程與數值計算結果進行對比，把施工管道放空時間4.05 h 代入式（1）進行反算，得出放空閥相對開度為16.8%。即認為，僅基于此次放空作業的特定工況，綜合考慮外界因素影響，只要控制放空閥相對開度為16.8%，即可滿足此次放空作業實際要求。

2）模擬計算結果對比。將兩座閥室實際放空過程中壓力變化及放空閥開度情況與模擬計算結果進行對比發現，施工管道壓力及放空閥相對開度隨時間變化曲線與模擬計算施工管道壓力曲線的變化趨勢相近（圖4）。在實際放空作業初期，由于放空閥前后壓差較大，放空閥保持在較小開度，以控制放空氣量大小，避免放空火焰過高而威脅周圍植被及居民安全，隨著放空作業進行，施工管道內外壓差逐漸減小，放空閥開度亦隨之增大直至放空結束。圖4中“先慢后快”開啟放空閥的模型計算出的兩座閥室同時放空所用時間為4.22 h 與實際放空時間4.05 h基本接近。

從放空閥操作過程看，8號閥室放空閥相對開度處于20%以內的時間約為105 min，占放空時間的43%，9 號閥室放空閥相對開度處于20%以內的時間約為102 min，占放空時間的47%，即認為此次放空作業控制放空閥相對開度處于20%以內的時間約占放空總時間的50%，這種在放空作業前半程控制放空閥相對開度處于20%以內的“先慢后快”的控制方法更接近實際放空作業需要。

4 結論

通過數值計算與模擬計算兩種方式，結合放空作業實踐對施工管道放空時間測算及作業控制方法進行分析，結果表明：

1）放空時間與放空閥相對開度有密切關系，可通過臨界流數值計算模型對放空時間進行估算，但計算結果通常較實際放空作業時間偏小，利用TGNET Pipeline Studio 3.0軟件構建合理的瞬態模型能夠較準確的測算放空時間。

2）在放空作業前半程控制放空閥相對開度處于20%以內的“先慢后快”的控制方法更符合此次放空作業實際需要。

3）施工管道放空作業與管道長度、直徑、壓力等固有物性參數有關，但同時會受到放空管周圍環境、放空閥操作人員業務技能等因素的影響，應總結經驗，利用大數據手段，引入環境影響因子、人員影響因子或綜合影響因子，在現有的數值計算模型和模擬計算模型的基礎上優化，總結出更具指導意義的放空時間測算模型。