輸油管道截斷閥的優(yōu)化設定

齊先志，謝 成，王 唯，石 磊，王曉霖，夏 天

1.中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045

2.國家管網集團華南分公司，廣東廣州 510623

3.中國石化銷售有限公司上海石油分公司，上海 201111

輸油管道沿線通常設置截斷閥，在管道泄漏或其他緊急情況下關閉截斷閥能夠減少油品泄漏量[1]。同時，截斷閥的功能也包括截斷待維護的管道區(qū)段、在閥門處監(jiān)測壓力與溫度、接入支線管道[1]。GB 50253—2014《輸油管道工程設計規(guī)范》規(guī)定[2]，截斷閥的間距不應小于32 km，同時，穿越大中型河流、飲用水源、人員密集區(qū)段應設置截斷閥。但該標準和其他標準規(guī)范未對截斷閥是否配備遠程自動化控制裝置作出規(guī)定。如果截斷閥無遠程自動化控制裝置，在緊急情況下，截斷閥關閉需要管道管理人員到現場手動操作，耗時較長，不利于應急處置。截斷閥位置的設定在考慮閥門維護、保養(yǎng)便利的同時，也應考量截斷閥在泄漏情況下對油品泄漏量的控制效果。

Enbridge管道公司的Weir提出的截斷閥位置優(yōu)化計算方法為[3]：在數據調研后，首先，在管道全線布點，為了管控敏感區(qū)域的泄漏風險，基于布點的效能系數對截斷閥的位置進行篩選，經過多輪次迭代計算，確定截斷閥位置。其次，基于總體泄漏降量，繼續(xù)在非敏感區(qū)域增設截斷閥，經過多輪次迭代計算，確定截斷閥位置，確保管道沿線所有點的泄漏量低于Enbridge管道公司設定的限值。第三步，對特殊區(qū)域的泄漏量進行核算，確定特殊區(qū)域有無增設截斷閥的需求。最后，現場核查，確定最終截斷閥位置。在由Dynamic Risk Assessment Systems 公司Deng 提出的截斷閥和止回閥設置優(yōu)化方法中[4]，基于管道失效頻率、失效后果、閥設置對失效后果的影響、閥本身的建設和維護成本等因素，進行詳細的量化核算。在考慮失效頻率的情況下，通過對比閥門相關的預防性投入與閥門設置對泄漏后果損失的降量，保證增設閥門的投入產生正向效益。在由Fontecha 給出的截斷閥位置優(yōu)化計算模型中[5]，在管道泄漏量計算分析、管道沿線的環(huán)境危害受體分析和管道個人風險計算的基礎上，建立了計算框架，優(yōu)化了截斷閥的位置和數量，將截斷閥設置的優(yōu)化問題轉變?yōu)樽疃搪窂絾栴}。采用Bellman-Ford 算法，將個人風險控制在可接受范圍的同時，將泄漏危害降至最低。計算實例說明，該方法取得了較好的優(yōu)化效果。

為了研究截斷閥的設置對管道泄漏量的影響，闡述了表征截斷閥在降低泄漏量方面發(fā)揮作用的方法，基于該表征方法可以對截斷閥的位置進行優(yōu)化設計，以期通過截斷閥控制管道泄漏量和管控泄漏危害后果。

1 管道泄漏量計算

國外對管道泄漏事故調研和泄漏模擬計算證實[3]，如果臨近泄漏發(fā)生處的截斷閥在泄漏發(fā)生后及時關閉，能夠顯著降低油品泄漏量，進而降低危害后果。實現截斷閥的遠程控制能夠提升泄漏情況的應急處置能力。同時，泄漏事故的模擬證實，在停泵后及時關閉截斷閥一般不會造成管道的超壓[6]。

管道泄漏量與泄漏孔尺寸密切相關，泄漏孔尺寸越大，泄漏量越大，潛在的危害后果越嚴重。為了充分評估泄漏危害后果，在泄漏量計算模型中，按管道全尺寸破裂計算泄漏量。同時，國外管道監(jiān)管機構和管道企業(yè)為了管控泄漏風險，設定了泄漏量的限值，規(guī)定在任何情況下，管道的泄漏量不能超過該值。

在上下游截斷閥為遠程控制自動閥的條件下，將管道泄漏發(fā)生后按應急處置的操作可分為以下兩個階段[7]：

第一，泄漏探測至截斷閥關閉階段，從泄漏發(fā)生、被探測、停泵，至截斷閥關閉過程。該階段油品泄漏量按式（1）計算。

式中：V為該階段泄漏量，m3；Q為管道流量，m3/s；t為該階段持續(xù)時間，s。

第二，油品排空階段，泄漏處上下游的截斷閥被關閉后，被隔斷的管道區(qū)段中油品在重力作用下從泄漏處排出，該階段泄漏量計算模式如圖1所示[4]，排空管道的容積為該階段泄漏量。

圖1 油品在管道中排空，紅色標識的區(qū)段為排空管道

參考現階段我國輸油管道的運行經驗，第一階段的持續(xù)時間設定為8 min。采用專業(yè)的計算軟件計算第二階段排空管道的長度，該軟件中，輸入數據為管道的高程與里程對應數據（每隔10 m取點）、泄漏點和泄漏點上下游截斷閥位置里程。管道泄漏量為以上兩階段的泄漏量之和。

2 截斷閥作用表征

某管道的兩個站場之間的區(qū)段長95 km，每隔200 m 布點，計算該點發(fā)生全尺寸破裂后泄漏量。在該管道某位置增設截斷閥前后，管道全程的泄漏量如圖2所示。

圖2 截斷閥安裝前后管道全線泄漏量

自動化遠控截斷閥的設置可以有效降低泄漏量，采用以下4 種方法對截斷閥發(fā)揮的作用進行表征[8]。

1）截斷閥效能系數按式（2）計算。

式中：Ef為截斷閥效能系數；i為某高后果區(qū)；n為截斷閥能夠影響的高后果區(qū)數量；ΔVi為截斷閥設置前后，某高后果區(qū)泄漏量的差值；Li為高后果區(qū)內管道長度；Wi為高后果區(qū)等級。

2）截斷閥效率系數按式（3）計算。

式中：Ey為截斷閥效率系數；V0為未設置截斷閥時該處高后果區(qū)泄漏量。

以上兩個系數的計算需要采集截斷閥影響區(qū)域的高后果區(qū)信息，對于管道沿線不存在高后果區(qū)或高后果區(qū)較少的管道，可采用總體泄漏降量和平均泄漏降量表征截斷閥的作用。總體泄漏降量和平均泄漏降量需要對管道全線進行泄漏量計算，計算和數據處理量較大。

3）總體泄漏降量采用式（4）進行計算。

式中：Rtot為總體泄漏降量。

4）平均泄漏降量采用式（5）進行計算。

式中：Ravg為平均泄漏降量。

現階段，很多輸油管道配備的截斷閥為手動，管道企業(yè)為了提升泄漏情況下的應急處置能力，將手動截斷閥改造升級為遠控自動截斷閥。為了確保改造投資產生較好的安全效益，企業(yè)可采用以上4種表征方法對待改造的手動截斷閥進行優(yōu)選排序。截斷閥的系數或泄漏降量值越高，說明截斷閥改造投資產生的安全效益越大。

3 截斷閥位置優(yōu)化設計

管道截斷閥位置優(yōu)化設計的流程如圖3所示。

圖3 截斷閥位置優(yōu)化設計實施流程

管道企業(yè)在截斷閥優(yōu)化方面的主要需求包括以下方面：第一，在人員密集區(qū)域或失效頻率高的區(qū)域通過截斷閥的設置控制泄漏量；第二，通過截斷閥設置控制大落差管道泄漏量；第三，在役管道的截斷閥自動化改裝實施中，手動閥的排序優(yōu)選；第四，在保持標準規(guī)定的截斷閥最低數量的條件下，基于全線泄漏量對截斷閥位置進行優(yōu)化。

4 計算實例

4.1 案例1

某輸油管道在站場A 和站場B 間距離113 km，管徑為276 mm，年輸量為（150～200）×104t。管道穿越某大型河流（位置里程為68 km 處），兩端設置遠控的自動化截斷閥。按照設計標準對截斷閥的規(guī)定，在里程為80～90 km 處應設置一截斷閥，實地調研征地、接入電源、截斷閥現場維護等因素，選擇了3 處候選位置，按以上方法，對3 處位置進行計算分析，選擇最優(yōu)位置。9 處高后果區(qū)發(fā)生泄漏后，泄漏量受到待安裝的截斷閥影響，如表1所示。

表1 高后果區(qū)信息與高后果區(qū)管道在不同情況下泄漏量

3 處候選位置設置截斷閥的效能系數、效率系數、總體泄漏量和平均泄漏量如表2所示。

表2 3處候選位置安裝截斷閥在控制泄漏量方面發(fā)揮的作用

由表2 可知，A 位置安裝截斷閥的效能系數和效率系數最高，從總體泄漏降量和平均泄漏降量角度來看，B 位置安裝截斷閥效果最佳。高后果區(qū)也是風險水平較高的區(qū)域，從風險管控角度來看，A位置是安裝截斷閥的最終位置。

4.2 案例2

某大型成品油管道約2 600 km，共配備75 個截斷閥，其中22 處安裝在大型河流的兩岸，截斷閥均為手動操作。為了提升應急處置能力，對截斷閥進行自動化改造，增設遠控裝置，為了保證改造投資產生較好的安全效益，對截斷閥進行優(yōu)選排序，排除22 處河岸截斷閥，其余截斷閥的計算分析結果如圖4～6所示。

圖4 截斷閥效能系數

圖5 截斷閥效率系數

圖6 截斷閥總體泄漏降量

部分截斷閥的效能與效率系數、總體泄漏降量均處于較高的水平，說明該類截斷閥的設置能夠有效地降低泄漏量和高后果區(qū)泄漏危害后果。部分截斷閥效率系數和效能系數較低，但總體泄漏降量較高，說明該類截斷閥周邊區(qū)段高后果區(qū)較少，但截斷閥能夠顯著降低周邊區(qū)段管道的泄漏量。部分截斷閥效能系數較低，但效率系數較高，該現象有兩種解釋：一方面，某些截斷閥能夠降低特定高后果區(qū)管道區(qū)段的泄漏量，但對其他區(qū)段影響較小；另一方面，小口徑管道的流速和容積顯著低于大口徑管道，這導致小口徑管道效能系數較低，但某些小口徑管道截斷閥能夠顯著降低泄漏量，因此，部分小口徑管道截斷閥效能系數低，效率系數高。同時，在優(yōu)選排序決策中，失效頻率高的管道區(qū)段的泄漏量降低效果也是決策的重要影響因素。

基于以上計算分析，同時考量電源接入、設備投資等因素，確定1～13 號、16 號、19 號、44 號和48 號為優(yōu)選截斷閥；14 號、15 號、17 號、18號、20～34號、38號為次優(yōu)選截斷閥；其余為第三批次截斷閥。在管道泄漏后泄漏量控制方面，優(yōu)選截斷閥能夠發(fā)揮顯著作用，次優(yōu)選截斷閥發(fā)揮的作用次之，第三批次截斷閥發(fā)揮的作用較小。

5 結束語

兩個計算實例說明：截斷閥效能系數、效率系數、總體泄漏降量和平均泄漏降量4個參數能夠較合理地表征截斷閥在降低管道泄漏量方面發(fā)揮的作用。以上參數可應用于設計階段截斷閥位置的優(yōu)化和運行階段的截斷閥改造的優(yōu)選排序。

4 個參數的計算是基于管道破裂情況下的泄漏量，未考量中孔和微孔泄漏，在參數的實際應用中需注意該缺陷，靈活應用參數進行優(yōu)化計算。