控制圖法在優化天然氣長輸管道壓力安全設備 定值中的應用

葉喆(浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

在天然氣長輸管道建設中通常會根據工程所在區域經濟發展規劃對天然氣消費的需求，設計出不同管徑和運行壓力的管網。出于經濟性和管道途徑地區運行安全風險的考慮，天然氣長輸管道工程一般根據供氣量和用氣壓力需求設計選擇不同管徑和壓力等級的管材，形成由不同管徑和壓力等級管道組成的復雜輸送體系。天然氣長輸管道工程的生產目標是完成天然氣的長距離輸送，遵照合同約定可靠平穩地為下游用戶供氣。主干管網為保證較高的輸送能力，通常會采用10 MPa以上的運行壓力。支線管網以及下游用戶由于供氣需求相對較低，一般采用6.3 MPa或更低的運行壓力。為實現不同運行壓力管網間的互聯互通，通常需要調壓分輸站對管輸天然氣壓力進行調整，使維持下游管道運行壓力不超過其設計安全限值。壓力安全設備是在壓力調整出現偏離正常范圍的高壓時，仍能保證下游管道安全運行的屏障[1]。文章結合現行設計規范，將控制圖法應用于管網壓力安全設備定值的優化，提高調壓系統運行可靠和安全性。

1 控制圖及其在生產過程控制中的應用

控制圖是一種利用統計圖表展示產品質量隨生產過程中各階段因素產生波動的狀態圖形，用來區分引起質量波動的原因是偶然的還是系統的，可以提供系統原因存在問題的信息，從而判斷生產過程是否處于受控狀態[2]。這種質量波動分正常波動和非正常波動，正常波動是指由材料的非理想組成、設備磨損變化、隨機測量誤差，以及人員操作的微小變化等不可控系統因素在其容許范圍內產生的狀態數據集合；非正常波動則是以上因素超容許范圍變化時的狀態數據集合[3-4]?？刂茍D按其用途可分為兩類，一類是供管理用的控制圖，主要用于發現生產過程是否出現異常情況，以預防產生不合格結果；另一類是供分析用的控制圖，用控制圖分析生產過程中有關質量特性值的變化情況，看工序是否處于穩定受控狀。監控一套完整設備系統運行中的特定測量結果涉及的是控制圖后一種用途。在生產過程中數據，如果某一測量結果ξ受大量的偶然因素影響，且每一種因素產生的貢獻分布均勻而微小，即沒有一項因素占據主導，則測量結果ξ將服從正態分布。

若測量結果ξ的概率密度函數p(x)為：

則稱ξ的分布為正態分布，記為ξ～N(μ，σ2)。式中：μ為平均值，σ為標準差。

在正態分布概率密度函數曲線下，介于坐標[μ±σ]、[μ±2σ]、[μ±3σ]和[μ±4σ]間 的 面 積，分 別 占 總 面 積 的68.26%、95.45%、99.73%和99.99%，隨機事件發生在坐標區間界外的概率分別為31.74%、4.55%、0.27%和0.01%，超過上下限一側的概率則分別為15.87%、2.275%、0.135%和0.006%。由此可見，隨機事件發生在區間[μ±2σ]外將是一個極小概率事件，在ISO 8258中被定義為警告限值(warning limit)。ISO 8258將發生在區間[μ±3σ]外的情況定義為一種行動限值(action limit)，把該區間的上臨界線μ+3σ稱為控制上界，記為UCL(upper control limit)，平均數稱為中心線記為CL(central line)，下臨界線μ-3σ稱為控制下界，記為LCL(lower control limit)。若發生的數據出現在控制界限μ+3σ之外，則認為生產過程發生異常，需要采取措施予以糾正[2]。

當運行過程中，仍存在多個因素偶然的疊加導致數據偏離上下臨界點的異常情況，如選定超出[μ±3σ]即為系統緊急終止條件，則易造成設備因過度糾正而影響生產。為減少此類風險，則可以將控制界限的區間擴大到[μ±4σ]，發生數據一側出界的概率將變為0.006%，相關的代價是設備將在一定時間內經受極端工況下的異常損耗[3]。

2 長輸管道壓力涉及的安全設定值及其應用關系

壓力安全保護裝置是保證在工作調壓系統失效時，下游壓力仍可以被維持在其設計的安全運行壓力內的安全設備。根據應用的壓力安全裝置由行動水平影響的不同可分為在維持運行狀態下的監控調壓和安全泄放，以及終止運行的安全截斷[5]。國內現行設計規范涉及天然氣長輸管道壓力安全設備主要有《輸氣管道工程設計規范》GB 50251—2015和《壓力管道規范 長輸管道》GB/T 34275—2017，可參照的國外標準有《輸氣和配氣管道系統》ASME B31.8—2018、《輸送天然氣及其他氣體管道：最低的聯邦安全標準》49 CFR Part 192和《燃氣基礎設施.輸配用氣體壓力調節站.功能要求》BS EN12186—2014。GB 50251參照BS EN12186的做法，明確當壓力控制系統出現故障會危及下游供氣設施安全時，應設置可靠的壓力安全裝置。提出當上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力時，氣體調壓系統應設置具備有快速關閉和可靠截斷密封的安全截斷設備。當上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6 MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設備強度試驗壓力時，還應加上第二個安全設備。加設的第二個安全設備有三種可選方案，第一種是每一回路串聯安裝2臺安全截斷設備；第二種是每一回路安裝1臺安全截斷設備和1臺附加的壓力調節控制設備；第三種是每一回路安裝1臺安全截斷設備和1臺最大流量安全泄放設備[5-6]。第一種串聯安裝2臺安全截斷設備的設計，一般適用于上游管網供氣比較平穩的情況，或對供氣壓力波動不敏感的城市燃氣用戶。一旦發生超壓，則上下安全截斷閥同時動作切斷供氣[1,5,11]。第二種設計根據的是BS EN12186和GB 50251條文說明里提出的原則，在支路中除有壓力調節閥(PV—pressure valve)外，上游還應依次設置獨立的安全截斷閥(SSV—safety slam-shut valve)和監控調壓閥(MV—monitor valve)，以保證下游輸氣管道和設備的絕對安全。按流向順序依次串聯設置安全截斷閥、監控調壓閥和壓力調節閥，其中，安全截斷閥和監控調壓閥的壓力檢測點均獨立設在壓力調節閥下游且與壓力調節閥的壓力監測點鄰近布置，相關安裝結構如圖1所示[5-6]。

圖1 管道壓力安全設備安裝流程圖

為提高安全設備動力來源的多樣及可靠性，通常選用自力式調壓閥作為附加的壓力調節控制設備，在系統中扮演監控調壓閥角色。自力式調壓閥在支路調壓正常時處于非工作全開狀態，當電動調壓閥出現故障造成下游超壓時，串聯的自力式調壓閥將自動投入進行調壓，防止系統下游氣體壓力超過允許的范圍。自力式調壓閥從動力到調節回路均與電動調壓閥回路不同，當供電中斷或電動調壓閥出現故障時，自力式調壓閥既能保障系統下游不超壓，又能維持下游的正常供氣，提升調壓系統的有效性和可靠性[5]。第三種設計方式GB 50251則參考ASME B31.8，所提的最大流量安全泄放設備一般指安全閥，是一種不借助任何外力而利用介質本身的力來排出一定數量的流體，以防止壓力超過額定安全值。設置在管道上的安全閥用于保護相關設備不受上游超壓的影響，當壓力恢復后，閥門再行關閉并阻止介質繼續流出[5,7,12]。由于安全閥受結構尺寸和設備安裝等因素影響，泄放能力有限，一般應用在少量泄放就能完成調壓的場合，或者與監控調壓閥串聯形成設計冗余。安全壓力值的設定關系反映各壓力安全設備的響應順序邏輯，在BS EN 12186中，TOP和MIP分別對應監控調壓閥和安全截斷閥最高響應設定值的參考上限。GB 50251和ASME B31.8要求最大流量安全泄放設備應根據下游設備設計的最大操作壓力確定整定壓力。系統運行的最大運行壓力，以及監控調壓閥、安全截斷閥和安全閥的最高壓力響應設定值關系如表1所示[5-7]。

表1 最大操作壓力、臨時操作壓力、最大意外壓力和整定壓力之間的關系

3 現有規范安全設定值在實際長輸管道壓力控制中的關系

為說明前述規范要求的安全設定值在實際生產中的指導關系，現列舉某一燃機電廠用戶的上游調壓站的運行壓力數據。該燃機電廠用戶的燃氣前置模塊入口壓力為2.8 MPa至3.2 MPa，最高操作壓力為3.5 MPa，最低操作壓力為2.4 MPa。隨機選取4天正常負荷運行壓力數據，以及近三年以來正常負荷運行壓力數據，壓力隨時間變化數據示意如圖2所示。

圖2 調壓后系統下游壓力隨時間變化數據

從壓力隨時間變化數據中可得出，該燃機電廠用戶一般操作運行壓力維持在3.34 MPa左右。在燃機機組正常負荷運行時，(μ+σ) / μ基本維持在1.026的水平，接近于EN 12186給出1.6 MPa至4 MPa區間內波峰水平操作壓力為最大操作壓力1.025倍的水平，臨時操作壓力為1.1倍最大操作壓力則基本處于μ+4σ/ μ的水平，數據統計結果如表2所示。

表2 壓力隨時間變化的數據統計結果

4 控制圖法應用于優化壓力安全設備定值

為觀察和評價輸氣壓力的穩定性，通常需要設置壓力報警的低低限(LLL)、低限(LL)、高限(HL)和高高限(HHL)。在壓力偏離不同限值時，系統將做出不同影響范圍的響應。一般在運行壓力超過低限和高限時，系統將提醒并記錄相關狀態，但不進行報警；在運行壓力超過低低限和高高限時，系統將發出報警，并反饋工作調壓閥動作，調整系統壓力。EN 12186第9.3.1條明確，壓力低限報警值應由操作需要和下游用戶來確定，在設定時，應充分考慮下游用氣特點、管存量與人員應急反應時間之間的合理需求，故不再進一步討論[6]。

現行規范雖明確了監控調壓閥、安全截斷閥和安全閥的最高響應設定值，未充分考慮設備之間相互干擾和越級響應問題。例如在4 MPa到7.5 MPa的范圍內，監控調壓閥和安全閥的設定都為最大操作壓力的1.1倍，存在越級響應的問題。為使安全設備定值更加合理，可將控制圖法應用在不同級別的安全設備定值響應條件上。

結合現有規范，將 μ+σ作為高限；μ+2σ作為高高限；μ+4σ作為監控限；將μ+6σ 至μ+8σ作為終止系統運行的安全限值?？紤]到安全閥整定壓力有±3%的最大容許偏差，為防止安全閥先于監控調壓閥響應，可將安全閥的整定壓力設定在μ+4σ，適當向下調整監控調壓閥定值，避免在互為設計冗余時相互干擾。壓力安全設備建議設定值見表3所示，系統壓力運行超過各安全限值的概率如表4所示[12]。

表3 安全限值建議值

表4 系統運行壓力超過各安全限值的概率(%)

在上游不出現意外事故和發生大幅波動的條件下，97.725% 的情況下不需要工作調壓改變狀態；99.18%的情況下不需要電動調壓閥外的安全設備進行干預[13]。在監控調壓閥和安全閥不失效的情況下，處于系統第二級的安全截斷閥動作的概率為9.87×10-10至1.1×10-15，屬于不可能發生事件，由兩級安全設備組成的壓力安全系統能保障長輸管道的平穩運行[14]。

5 結語

結合現行規范，將控制圖應用于壓力安全設備定值優化有以下三個方面的優點：(1)在現行規范的基礎上增加高限和高高限報警兩個參考限值，量化區分系統正常范圍內的壓力波動，減少工作調壓設備不必要的損耗，避免過低的安全定值導致監控調壓設備頻繁響應動作。(2)充分考慮各設備存在的合理整定值偏差，增加不同行動水平的安全設備的定值差異，防止相互干擾越級響應。(3)減少安全調壓過程中的天然氣泄放，在確保系統安全的情況下，盡量維持系統運行[15]。

同時，結合現有生產數據，控制圖法很好解釋現有規范中安全設備定值的原理。幫助設計人員理解現行規范中不同設備在其應用環境下所能達到的運行效果，優化天然氣管網系統設計。