不同工況下輸氣管道截?cái)嚅y壓降速率設(shè)定研究

杜 宇 周治國(guó) 高 陽(yáng) 鄭 偉 郭 輝 孫世武

（1. 廊坊開(kāi)發(fā)區(qū)中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，河北 廊坊 065000；2. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十二采油廠，陜西 西安 710000；3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采油廠，陜西 西安 710000；4. 中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠，河北 任丘 062552；5. 中國(guó)石油華北油田公司工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552）

0 引言

隨著西氣東輸、中緬天然氣、川氣東送等一系列輸氣管道的建設(shè)投產(chǎn)，我國(guó)長(zhǎng)輸天然氣管道向著大口徑、高壓力、高等級(jí)的方向發(fā)展。當(dāng)管道在發(fā)生泄漏或斷裂時(shí)，線路兩端的截?cái)嚅y根據(jù)檢測(cè)到的壓降速率值可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)斷，降低泄漏帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。目前，國(guó)內(nèi)截?cái)嚅y多采用氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)定值取0.15MPa/min，持續(xù)120s，但輸氣管道在泄漏時(shí)屬于非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，在全線采用統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)值往往具有盲目性和局限性，可能引發(fā)截?cái)嚅y誤操作或不動(dòng)作的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者證明了壓降速率與管道參數(shù)、泄漏參數(shù)等有關(guān)，但以上研究未涉及D1219mm以上的管徑，且對(duì)于上下游閥門(mén)關(guān)斷、管道爆管等特殊工況的研究不足。基于此，根據(jù)管道的實(shí)際運(yùn)行情況，以O(shè)LGA軟件為基礎(chǔ)建立管道瞬態(tài)模型并進(jìn)行分析，得到最佳的壓降速率和持續(xù)時(shí)間設(shè)定值，為管道投產(chǎn)、運(yùn)行階段的安全管理提供理論依據(jù)和實(shí)際參考。

1 模型建立

管線總長(zhǎng)度120km，包括首站、末站和中間5個(gè)閥室，閥室間距20km，管徑1219mm，設(shè)計(jì)輸量8800×104m3/d，首站出站壓力10MPa。該管道位于戈壁地區(qū)，沿線地勢(shì)平緩，閥室間的高差較小，無(wú)定向鉆穿跨越工程。模擬不同工況下1號(hào)閥室的壓降速率和持續(xù)時(shí)間，入口采用流量節(jié)點(diǎn)，出口采用壓力節(jié)點(diǎn)，采用leak模塊結(jié)合manual controller控制泄漏時(shí)刻，泄漏時(shí)刻為1min后，背壓為大氣壓，管道模型如圖1所示。圖中inlet為首站，outlet為2號(hào)閥室，leak處為1號(hào)閥室。

圖1 管道模型圖

2 結(jié)果與討論

2.1 非泄漏工況

截?cái)嚅y壓降速率的設(shè)定要保證管道發(fā)生泄漏時(shí)及時(shí)關(guān)閉，首先需對(duì)非泄漏情況進(jìn)行模擬，使設(shè)定值高于非泄漏情況的壓降速度，以免引起閥門(mén)的誤關(guān)斷。

2.1.1 投產(chǎn)或壓縮機(jī)啟動(dòng)階段

兩者均為壓力、流量緩慢上升，單位時(shí)間內(nèi)壓降速度的變化相對(duì)較小，可通過(guò)控制首站閥門(mén)開(kāi)度和持續(xù)時(shí)間使壓力緩慢上升，保證升壓速率小于1號(hào)閥室截?cái)嚅y的設(shè)定值即可防止誤關(guān)斷。

2.1.2 首站、2號(hào)閥室閥門(mén)誤關(guān)斷

首站、2號(hào)閥室閥門(mén)誤關(guān)斷后1號(hào)閥室的壓降速率如圖2所示。首站閥門(mén)誤關(guān)斷時(shí)，壓降速率先迅速上升至0.06MPa/min，后逐漸波動(dòng)維持在0.04MPa/min以上，因此只要壓降速率設(shè)定值在0.06MPa/min以上，首站閥門(mén)誤關(guān)斷后就不會(huì)引起1號(hào)閥室的截?cái)嚅y關(guān)閉；2號(hào)閥室閥門(mén)誤關(guān)斷時(shí)，壓降速率先迅速上升至0.05MPa/min后逐漸下降，因此只要壓降速率設(shè)定值在0.05MPa/min以上，2號(hào)閥室閥門(mén)誤關(guān)斷后就不會(huì)引起1號(hào)閥室的截?cái)嚅y關(guān)閉。

圖2 閥門(mén)誤關(guān)斷時(shí)壓降速率變化曲線

2.2 泄漏工況

設(shè)泄漏處位于1號(hào)閥室，模擬不同泄漏孔徑（100、200、300、400、500mm）下1號(hào)閥室壓降速率，如圖3所示。泄漏孔徑越大，短時(shí)間內(nèi)的壓降速率峰值越大，且壓降速率下降也越快。統(tǒng)計(jì)不同泄漏孔徑下，持續(xù)時(shí)間超過(guò)120s的最大壓降速率值，如表1所示。根據(jù)之前非泄漏工況條件的模擬結(jié)果，壓降速率設(shè)定應(yīng)在0.05MPa/min以上，但無(wú)法檢測(cè)200mm及以下的泄漏孔徑。

表1 不同泄漏孔徑下的壓降速率設(shè)定值

圖3 不同泄漏孔徑對(duì)壓降速率的影響

2.3 爆管工況

在此模擬首站出站處和2號(hào)閥室進(jìn)站處爆管工況下1號(hào)閥室的壓降速率。首站爆管時(shí)，1號(hào)閥室的壓降速率迅速上升至0.35MPa/min，隨后逐漸下降，約有230s左右的時(shí)間持續(xù)在0.10 MPa/min以上，即此時(shí)設(shè)定值為0.10MPa/min，若持續(xù)時(shí)間設(shè)定值超過(guò)230s，則1號(hào)閥室的截?cái)嚅y不會(huì)關(guān)斷，反之持續(xù)時(shí)間小于230s，則1號(hào)閥室的截?cái)嚅y會(huì)關(guān)斷。

2號(hào)閥室爆管時(shí)，1號(hào)閥室的壓降速率迅速上升至0.20MPa/min，隨后逐漸下降，約有200s左右的時(shí)間持續(xù)在0.10MPa/min以上，即此時(shí)設(shè)定值為0.10 MPa/min，若持續(xù)時(shí)間設(shè)定值超過(guò)200s，則1號(hào)閥室的截?cái)嚅y不會(huì)關(guān)斷，反之持續(xù)時(shí)間小于200s，則1號(hào)閥室的截?cái)嚅y會(huì)關(guān)斷。

2.4 壓降速率設(shè)定值

通過(guò)以上計(jì)算，總結(jié)壓降速率的設(shè)定值與持續(xù)時(shí)間，設(shè)定1號(hào)閥室的壓降速率為0.1MPa/min，持續(xù)時(shí)間120s，這樣可避免閥門(mén)誤關(guān)斷，同時(shí)對(duì)爆管工況進(jìn)行有效響應(yīng)，也可檢測(cè)200mm以上的管道 泄漏。

3 結(jié)語(yǔ)

使用OLGA軟件對(duì)幾種極端工況條件進(jìn)行了模擬，得到了壓降速率和持續(xù)時(shí)間的設(shè)定值，在前期投產(chǎn)的情況下應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)降低壓降速率設(shè)定值，在后期輸量穩(wěn)定后，可依據(jù)模擬結(jié)果設(shè)置氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)定值。