淺析輸氣管道氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)壓降速率設(shè)定值與持續(xù)時間
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作者；張毅
中國正在逐步加快油氣干線管道和配套設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)，完善全國油氣管線網(wǎng)絡(luò)。在此背景下，全國各省市油氣管網(wǎng)建設(shè)正進(jìn)入了規(guī)劃大建設(shè)時期，目前各省市在建輸氣管網(wǎng)中依據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》( GB 50251-2015)均設(shè)置了線路截斷閥室，其中很多線路截斷閥選擇了氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)，希望在管道發(fā)生事故時氣液聯(lián)動球閥能根據(jù)壓降速率變化自動關(guān)閉，保護(hù)非事故管道的安全，減少損失。長期以來，氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)壓降速率設(shè)定值的確定，通常借鑒國內(nèi)或國外的經(jīng)驗值。實際上，由于輸氣管道在事故狀態(tài)下管內(nèi)氣體的流動為非穩(wěn)態(tài)流動，流動規(guī)律復(fù)雜，因而采用經(jīng)驗值往往具有很大的局限性，可能會發(fā)生氣液聯(lián)動閥的誤動作或事故狀態(tài)下不能及時動作的情況。這樣，就不能很好地使氣液聯(lián)動球閥在事故狀態(tài)下迅速關(guān)閉，最大限度地保護(hù)管道，減少經(jīng)濟損失。為最大限度地降低地震、洪水、第三方破壞等災(zāi)害給輸氣管道及周邊環(huán)境造成的經(jīng)濟損失和危害，對氣液聯(lián)動閥動作的準(zhǔn)確性要求將越來越高。氣液聯(lián)動閥壓降速率設(shè)定值的正確與否，直接關(guān)系到干線截斷閥動作的準(zhǔn)確性與及時性。因此研究擬建管道截斷閥壓降速率設(shè)定值與持續(xù)時間具有重要的意義。
1研究工具
本研究采用的軟件為國際知名軟件TGNET軟件，TGNET軟件是英國ESI能源集團開發(fā)出品的業(yè)界領(lǐng)先的Pipeline Studio軟件，能夠?qū)敋夤艿乐械膯蜗嗔鬟M(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬；可以模擬簡單的單管輸送模型，也可以模擬包括多個氣源和用戶。TGNET軟件在國內(nèi)已經(jīng)成功應(yīng)用于西氣東輸一線、西氣東輸二線、澀寧蘭、忠武線等大型工程中。本文中將利用TGNET中的泄漏模塊動態(tài)模擬氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)在發(fā)生極端工況下的壓降速率變化情況。
2研究內(nèi)容
結(jié)合安徽省某擬建輸氣管道1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)在各種工況下的動作情況，提出1 #閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)定值與持續(xù)時間推薦值。安徽省某輸氣管道線路全長68.5km，管徑ɸ610，設(shè)計壓力6.3MPa，年輸氣能力為23.8億m3。前期投產(chǎn)時的壓力為4.1MPa，后期運行壓力可達(dá)5MPa。全線共設(shè)置線路截斷閥室3座，截斷閥均采用帶有氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)的球閥。根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》( GB 50251-2015)閥室情況設(shè)置如表1。
本文中主要是對1 #閥室在投產(chǎn)、上游首站出站截斷閥及下游2#閥室截斷閥誤關(guān)斷、1 #閥室處發(fā)生泄漏、1 #閥室上下游管道發(fā)生爆炸時檢測1#閥室處的壓降速率及持續(xù)時間。
2.1投產(chǎn)
投產(chǎn)階段上游給定壓力為4.1MPa，輸量為1×108m3/a時，初期投產(chǎn)可以通過首站閥門開度來控制進(jìn)入管道的氣量從而控制管道內(nèi)緩慢升壓，此過程只要保證管道升壓速率小于氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定值，1 #閥室氣液聯(lián)動閥門就不會存在誤關(guān)斷。
2.2 1#閥室上下游線路截斷閥誤關(guān)斷時對1#閥室壓降速率的影響分析
鑒于不同壓力、不同輸量情況下的組合工況復(fù)雜，只對后期管道運行壓力為5 M Pa，管道輸量達(dá)到23.8×108m3/a時的工況進(jìn)行研究。
(1)1#閥室上游首站出站閥門誤關(guān)斷時1#閥室的壓降速率變化
通過圖1計算分析，在1 #閥室上游首站出站閥門誤關(guān)斷時，1 #閥室的壓降速率變化值短時間內(nèi)突破了0.08MPa/min，約有120 s的時間持續(xù)在0.04MPa/min以上區(qū)間。由此可見，只要在1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)設(shè)定值在0. 08 M Pa/min以上且設(shè)置120 s的持續(xù)時間時，1#閥室氣液聯(lián)動球閥不會動作。
(2)下游2#閥室線路截斷閥誤關(guān)斷時1 #閥室的壓降速率變化
通過圖2計算分析，在1 #閥室下游的2#閥室閥門誤關(guān)斷時，1#閥室的壓降速率變化值未超過0.07MPa/min。由此可見，在1#閥室壓降速率設(shè)定值在0.08MPa/min時，下游2#閥門截斷閥出現(xiàn)誤關(guān)斷不會造成1#閥室氣液聯(lián)動球閥誤動作。
2.3管道泄漏
在后期管道運行壓力為5 M Pa，管道輸量達(dá)到23.8×108 m3/a的情況下，假定1#閥室處發(fā)生了當(dāng)量管徑為DN150、DN200、DN250、DN300的管道泄漏，計算1#閥室氣液聯(lián)動球閥是否動作。
(1)1#閥室發(fā)生當(dāng)量管徑為DN150的泄漏
從圖3中可以看出，在1 #閥室處發(fā)生當(dāng)量管徑為DN150的泄漏時，1 #閥室的壓降速率短時間內(nèi)超過0.17MPa/min，約有80 s的時間持續(xù)在0.08MPa/min以上區(qū)間。由此可見，在1#閥室泄漏當(dāng)量管徑為DN150，泄漏壓降速率設(shè)定值為0.08 M Pa/min，持續(xù)時間設(shè)定大于80 s時，1 #閥室氣液聯(lián)動球閥不會動作，反之設(shè)定值小于80 s時，1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)將會關(guān)閉閥門。
(2)1#閥室發(fā)生當(dāng)量管徑為DN200的泄漏
從圖4中可以看出，在1 #閥室處發(fā)生當(dāng)量管徑為DN200的泄漏時，1#閥室的壓降速率變化值短時間內(nèi)超過0.35MPa/min，約有220 s的時間持續(xù)在0.08MPa/min以上區(qū)間。由此可見，在1#閥室泄漏當(dāng)量管徑為DN200，泄漏壓降速率設(shè)定值為0.08 M Pa/min，持續(xù)時間設(shè)定大于220 s時，1#閥室氣液聯(lián)動球閥不會動作，反之設(shè)定值小于80 s時，1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)將會動作關(guān)閉閥門。
(3)1#閥室發(fā)生當(dāng)量管徑為DN250的泄漏
從圖5中可以看出，在1#閥室處發(fā)生當(dāng)量管徑為DN200的泄漏時，1 #閥室的壓降速率變化值短時間內(nèi)已超過0.8Pa/min，約有400 s的時間持續(xù)在0.08MPa/min以上區(qū)間。由此可見，在1#閥室泄漏當(dāng)量管徑為DN250，泄漏壓降速率設(shè)定值為0.08MPa/min，持續(xù)時間設(shè)定大于400 s時，1#閥室氣液聯(lián)動球閥不會動作，反之設(shè)定值小于400 s時，1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)將會動作關(guān)閉閥門。
2.4爆管影響
本文中只對后期管道運行壓力為5 M Pa，管道輸量達(dá)到23.8×108 m3/a的工況下進(jìn)行研究，對于爆管影響研究了以下2種工況。
(1)1#閥室上游首站出站處發(fā)生爆管
從圖6中可以看出，在1#閥室上游首站處發(fā)生爆管時，1#閥室的壓降速率變化值短時間內(nèi)已超過0.25MPa/min，約有200 s的時間持續(xù)在0. 08 M Pa/min以上區(qū)間。由此可見，在1#閥室上游首站發(fā)生爆管，1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)壓降速率設(shè)定值為0.08MPa/min，持續(xù)時間設(shè)定值小于200 s時，1#閥室氣液聯(lián)動閥門將會關(guān)閉，若持續(xù)時間設(shè)定值大于200 s時，1#閥室氣液聯(lián)動閥門將不會關(guān)閉。
(2)1#閥室下游2#閥室處發(fā)生爆管
從圖7中可以看出，在1#閥室下游2#閥室處發(fā)生爆管時，1#閥室的壓降速率變化值短時間內(nèi)已超過0.1MPa/min，約有180 s的時間持續(xù)在0. 08 M Pa/min以上區(qū)間。由此可見，在1#閥室下游2#閥室發(fā)生爆管，1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)壓降速率設(shè)定值為0.8MPa/min，持續(xù)時間設(shè)定值小于180 s時，1#閥室氣液聯(lián)動閥門將會關(guān)閉，若持續(xù)時間設(shè)定值大于180 s時，1#閥室氣液聯(lián)動閥門將不會關(guān)閉。
2.5壓降速率設(shè)定值推薦值
通過以上計算分析可以得出，安徽省某輸氣管道1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行壓降速率設(shè)定值與持續(xù)時間。
(1)為減少上下游截斷閥門誤關(guān)斷造成1#閥室氣液聯(lián)動閥門誤關(guān)斷，則要求1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定值大于0.08 M Pa/min，持續(xù)時間大于Ss。
(2)為保證上下游最遠(yuǎn)端處，即首站或2#閥室發(fā)生爆管時，盡快關(guān)閉1#閥室氣液聯(lián)動閥門，減少損失及對環(huán)境的影響，要求氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定值大于0. 08 M Pa/min，持續(xù)時間小于180 s。
綜合以上2種情況并采取一定的計算余量情況下，推薦安徽省某輸氣管道1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)壓降速率設(shè)定值為0.08 Pa/min，持續(xù)時間為120s(2 min)。在此設(shè)置情況下，1#閥室截斷閥不會因上下游截斷閥的誤關(guān)斷而自發(fā)關(guān)斷，同時還能在管線發(fā)生爆管及1#閥室處發(fā)生當(dāng)量管徑DN200及以上當(dāng)量管徑的泄漏時，快速關(guān)斷1#閥室截斷閥，減少天然氣損失，保護(hù)上游或下游管道的運營安全。
3結(jié)語
影響壓降速率的幾大因素包括管道的運行壓力、運行輸量、管道發(fā)生爆炸或泄露的位置、泄露的當(dāng)量管徑、上下游截斷閥門的關(guān)閉速度等因素，以DN600氣液聯(lián)動球閥勻速關(guān)閉時間18 s為依據(jù)，研究了幾種極端工況，即達(dá)產(chǎn)運行時上下游距離1#閥室最遠(yuǎn)處發(fā)生爆炸及上下游閥門誤關(guān)斷時1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)該設(shè)置的壓降速率值。在實際運營過程中，為更好發(fā)揮1#閥室氣液聯(lián)動球閥對管道的保護(hù)作用，建議運營單位在早期未達(dá)產(chǎn)的情況下根據(jù)實際運營情況適當(dāng)降低1#閥室的氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)定值，在后期達(dá)產(chǎn)運營過程中可參考本文中推薦值進(jìn)行設(shè)置。
4摘要：通過對安徽省某輸氣管道1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)在各種極端工況（上下游站場或閥室發(fā)生爆炸、閥室本身泄漏、上下游線路截斷閥誤關(guān)斷）下的研究，提出1#閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)的壓降速率與持續(xù)時間的推薦值。
