相國寺儲氣庫干線閥室截斷閾值探究

湯 丁

中國石油西南油氣田公司儲氣庫管理處

0 引言

目前，國內大部分長輸干線上均安裝了線路截斷閥，當發生管道泄漏等事故時，閥門可自動關斷，從而減少事故損失、降低事故后果。以目前應用最為廣泛的Shafer氣液聯動閥為例[1-3]，當管線發生泄漏或爆管時，閥門可監測到管道兩端的壓力不斷下降，當壓降速率達到事先設定的低壓限值會進行報警，當達到高壓限值并持續一定時間后，會執行閥門緊急截斷操作[4]。

合理設定閥室壓降截斷閾值和延遲時間是管道正常安全運行的關鍵[5-6]。國內西部、華北某些輸氣管道等管線也報道了多例因截斷閥參數設置不合理導致的閥門誤關斷或不關斷的事件[7-10]。相國寺儲氣庫注氣干線也曾由于壓降速率限值設置不合理、未設置延遲時間，因壓縮機抽吸引起壓降波動而造成出站球閥誤關斷。而目前國內外對于如何區分管道泄漏與壓縮機抽吸引起的壓降速率的差異報道較少，且對于全線閥室截斷參數一般都取國外經驗值[11-12]，難以有針對性地對不同管線及泄漏工況進行合理截斷。

筆者以相國寺儲氣庫的集輸干線—銅相線為對象，采用Pipeline Studio軟件[13-15]建立銅相線管線仿真模型，開展了管線在泄漏及壓縮機抽吸工況下的閥室壓降速率研究。提出了不同泄漏工況下的閥室截斷參數，以及有效區分壓縮機抽吸與管道泄漏的截斷閥壓降速率取值范圍及延遲時間。

1 管道動態仿真模型建立

根據銅相線實際站場布置情況，沿線管道實際高程與里程建立銅相線管道仿真模型（圖1）。以2018—2020年相國寺儲氣庫銅相線實際運行參數為依據，對銅相線仿真模型驗證結果如表1所示，其平均誤差僅為0.9%，與現場情況一致。銅相線全長84.2 km，管道內徑784.6 mm，壁厚14.2 mm，管道沿線高程、里程圖如圖2所示。正輸情況下，起點為集注站，終點為銅梁站；反輸時為銅梁站—集注站方向。正輸時，起點以運行壓力，終點以日輸氣量為邊界條件；反輸時邊界條件相反。

圖1 銅相線仿真模型示意圖

表1 銅相線仿真模型結果校核表

圖2 銅相線沿線高程、里程圖

泄漏仿真模型在銅相線管道仿真模型基礎上，增加泄漏元件用以模擬位于兩閥室間的泄漏點，設定泄漏孔徑在第3 min時達到最大值，模擬總時長為30 min；壓縮機抽吸模型在銅相線管道仿真模型基礎上設置壓縮機組1套，以起點銅梁站日輸氣量、終點集注站壓力為模型中的指定邊界條件。

2 泄漏工況壓降速率特征分析

由于泄漏點上下游閥室壓降速率由多種因素綜合影響[16-18]。結合管道2018—2020年的實際運行參數，選定靜觀—土場閥室段，分析管道運行壓力、輸量、泄漏孔徑以及泄漏位置對壓降速率的影響。

2.1 不同壓力、輸量條件下壓降速率曲線對比

設定泄漏孔徑為125 mm，泄漏點位于靜—土兩閥室中間，分別模擬了包含正輸、反輸，不同起點壓力和輸量條件下共4種工況，繪制上下游閥室的壓降曲線（圖3）。可見，正輸條件下相同工況時，下游閥室最大壓降速率高于上游閥室；運行壓力越高，閥室最大壓降速率越大，泄漏工況更易被檢測。反輸條件下的壓降特征與正輸相同。此外，由于泄漏孔徑從0 時開始增大，第3 min后達到最大，故最大泄漏發生在第3 min時，這段時間內管道已泄放一些氣體，第3 min后壓降速率開始下降，第10 min后壓降速率變化趨于平緩。在第3～10 min閥室壓降變化非常明顯，尤其是第3～5 min壓降變化幾乎占壓降下降值的一半。

圖3 不同壓力、輸量條件下閥室壓降速率變化圖

通過仿真還發現，當保持管道起點壓力不變時，改變輸量，閥室的壓降速率變化很小，較之壓力變化，輸量變化對壓降的影響略小。

結合管道實際運行工況與事故工況，當管線出現壓降速率異常增大并持續一定時間，則認為存在泄漏現象[19-20]。目前，Shafer氣液聯動閥的延遲時間一般設置為60～180 s，同時文獻[2,16]表明延遲時間一般設置為100～120 s。結合本次模擬得到的壓降曲線圖，在第3～5 min壓降速率迅速下降，為保證安全及防止誤關斷動作的發生，即以最大泄漏發生時刻在第3 min后，持續時間達到2 min的最小壓降速率作為閥室壓降速率閾值推薦值，給出靜觀—土場段閥室截斷閾值參考值（表2）。

表2 不同壓力、輸量下閥室壓降速率推薦截斷閾值表

2.2 不同泄漏孔徑條件下壓降速率曲線對比

選定運行壓力7.83 MPa，輸量1 712×104m3/d，泄漏點位于兩閥室中間。分別模擬了泄漏孔徑為25 mm、50 mm、80 mm、125 mm、300 mm泄漏工況的壓降速率曲線（圖4）。明顯可見，泄漏孔徑越大，閥室總體壓降速率越大，且下游閥室總體壓降速率高于上游閥室。閥室壓降曲線變化趨勢與2.1中相同，壓降速率均在第3～10 min內閥室壓降下降明顯，在第10 min后趨于平緩。

圖4 不同泄漏孔徑條件下的閥室壓降速率變化圖

與前文研究思路相同，考慮到壓降曲線變化趨勢，結合Shafer氣液聯動閥延遲時間設置與文獻[2，16，21]中延遲時間一般設置為100～120 s，以最大泄漏發生后持續時間達到2 min的最小壓降速率作為閥室壓降速率閾值推薦值，給出了不同泄漏孔徑條件下靜觀—土場段閥室截斷閾值參考值（表3）。

表3 不同泄漏孔徑條件下閥室壓降速率推薦截斷閾值表

2.3 不同泄漏位置條件下壓降速率曲線對比

選定運行壓力7.83 MPa，輸量1 712×104m3/d，泄漏孔徑80 mm。分別模擬泄漏點位置為距上游閥室（靜觀閥室）相對距離10%、30%、50%、70%的閥室壓降速率曲線（圖5）。可見泄漏點距離截斷閥室越近，該閥室的壓降速率越大，達到最大值的時間越快，且對最大壓降速率的影響非常顯著。閥室壓降曲線變化趨勢也與前文相同，均在第3～10 min內閥室壓降下降明顯，第10 min后趨于平緩。

圖5 不同泄漏位置條件下閥室壓降速率變化圖

延遲時間的設置與前述依據相同，以最大泄漏發生后持續時間達到2 min的最小壓降速率作為閥室壓降速率閾值推薦值，閾值的確定選擇上下游閥室壓降速率值更小的一個，可以保證不同位置發生泄漏事故時閥室能及時截斷[22]，不至于誤動作。為此給出了不同泄漏位置條件下靜觀—土場段閥室截斷閾值參考值（表4）。

表4 不同泄漏位置下游閥室壓降速率推薦截斷閾值表

3 壓縮機抽吸工況壓降特征分析

管道在正常運行時由于壓縮機抽吸會產生一定程度的壓降。設定壓縮機在第5 min時開啟，持續時間為35 min，起點壓力8.69 MPa，輸量352×104m3/d，壓縮比分別為1.75、2.00、2.50、3.00，得到各閥室最大壓降速率值（表5）。當壓縮比為1.75時的閥室壓降速率曲線如圖6所示。

表5 各閥室最大壓降速率值單位：kPa/min

4 閥室關斷閾值分析

通過圖6與圖3、4、5壓降特征信號的對比，發現壓縮機抽吸工況下高壓降值持續時間非常短，與普通泄漏工況有明顯的區別。

圖6 銅相線沿程各閥室壓降速率變化圖

依據上述結論，對比了兩種工況下閥室壓降速率超過0.03 MPa/min的持續時間（表6）。泄漏工況模擬條件為：起點壓力7.4 MPa、輸量2 089×104m3/d、泄漏點位置為距上游閥室相對距離的30%、泄漏孔徑125 mm。壓縮機抽吸工況模擬條件為：起點壓力8.69 MPa、輸量352×104m3/d，壓縮比1.75。

表6 各閥室壓降速率超過0.03 MPa/min的持續時間統計表

通過表6可知因壓縮機抽吸導致的閥室高壓降持續時間較短，說明高壓降速率值持續時間可以作為區分事故與非事故工況的參考。

綜合不同閥室在泄漏后30 min內壓降特征參數，給出了不同泄漏孔徑及壓縮機抽吸工況的壓降速率變化范圍（表7）。

表7 壓降速率變化范圍一覽表

壓縮機抽吸時導致的壓降速率變化范圍包含了泄漏孔徑為25、50、80、125 mm時的壓降速率范圍，說明當泄漏孔徑小于125 mm時，僅從壓降速率這一評判標準難以將泄漏工況和壓縮機抽吸工況區分開。因此需結合高壓降速率值持續時間來對不同工況進行區分。針對相國寺儲氣庫銅相線閥室截斷閾值，給出以下建議：1）當壓降速率大于0.15 MPa/min時，無需設置延遲時間，直接關斷；2）當壓降速率為0.03～0.15 MPa/min時，把延遲時間設置為90 s，可避免因壓縮機抽吸導致截斷閥室誤關斷；3）當壓降速率小于0.03 MPa/min時，需要通過其他方式區分泄漏工況和壓縮機抽吸工況。

5 結論

1）以銅相線沿線實際高程數據為基礎，采用Pipeline Studio建立管道仿真模型、管道泄漏模型及壓縮機抽吸模型，并結合實際運行數據驗證了正常工況下模型的精度。

2）管道運行壓力越大、泄漏孔徑越大、泄漏點位置距離閥室越近，閥室的最大壓降速率值越大、壓降變化越顯著。并給出了不同壓力（輸量）、不同泄漏孔徑、不同泄漏位置條件下，靜觀—土場閥室段閥室推薦關斷閾值。

3）給出了相國寺儲氣庫銅相線閥室截斷閾值建議：以0.03 MPa/min為臨界值，當壓降速率大于該值時，可通過設置90 s及以上的延遲時間繼續監控壓降變化以獲得是否關斷指令；當壓降速率小于該值時，仍需尋求更好的判別方式以區分兩種工況。