楊毅 向敏 孫曉波 刁洪濤 李國(guó)軍 李華

1中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心

2中石油管道有限責(zé)任公司

依據(jù)GB 5025—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，輸氣管道均設(shè)置了線(xiàn)路截?cái)嚅y室，其中很多線(xiàn)路截?cái)嚅y選擇了氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)人工設(shè)定壓降速率來(lái)進(jìn)行爆管保護(hù)或泄漏檢測(cè)自關(guān)斷，保護(hù)非事故管道的安全，減少損失。長(zhǎng)期以來(lái)，由于線(xiàn)路截?cái)嚅y壓降速率設(shè)定的計(jì)算較為復(fù)雜和困難，加之管道沿線(xiàn)工況變化存在較大差異，國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)運(yùn)行單位普遍采用或借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)值，或按照管道在穩(wěn)定流動(dòng)情況下進(jìn)行粗略的估算。目前，西氣東輸?shù)却蠊軓捷敋夤艿谰€(xiàn)路截?cái)嚅y壓降速率設(shè)定值一般為0.15 MPa/min，持續(xù)時(shí)間為120 s[1]。

近幾年王廣輝[2]、王衛(wèi)琳等[3]通過(guò)建立和求解管道泄漏數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出了管道破損時(shí)的壓降速率；徐嘉爽[4]、范振寧等[5]利用SPS 軟件模擬計(jì)算出管道泄漏后的壓降速率；中石油相關(guān)研究人員也分別對(duì)西二線(xiàn)和陜京管道進(jìn)行了線(xiàn)路截?cái)嚅y壓降速率的模擬計(jì)算分析[6-7]。眾人的分析結(jié)果表明管道全線(xiàn)采用一個(gè)統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)值具有很大的不確定性。

1 管道泄漏實(shí)例

（1）西部某輸氣管道。2012 年，西部某管徑1 219 mm 天然氣管道某中間閥室發(fā)生了天然氣泄漏爆炸事故。初始泄漏孔徑約20 mm，線(xiàn)路截?cái)嚅y沒(méi)有自動(dòng)關(guān)斷。事故發(fā)生后，調(diào)度遠(yuǎn)程關(guān)閉該閥室上下游閥室的干線(xiàn)截?cái)嚅y。在關(guān)斷上下游閥室截?cái)嚅y前，初始泄漏階段上下游閥室的壓力速率約0.03 MPa/min，遠(yuǎn)小于干線(xiàn)截?cái)嚅y速率設(shè)定值0.15 MPa/min。

（2）華北某輸氣管道。2012 年，華北某管徑1 016 mm 輸氣管道某閥室發(fā)生泄漏，初始泄漏孔徑約350 mm。事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)人員關(guān)閉了事故點(diǎn)上下游閥室截?cái)嚅y。由于當(dāng)時(shí)管道內(nèi)運(yùn)行壓力較低，事故點(diǎn)上下游閥室截?cái)嚅y的壓降速率較小，沒(méi)有達(dá)到截?cái)嚅y自動(dòng)關(guān)斷壓降速率限制。事故點(diǎn)上游閥室截?cái)嚅y壓力曲線(xiàn)如圖1 所示。

圖1 下游閥室發(fā)生泄漏后該閥室的壓力曲線(xiàn)Fig.1 Pressure curve of downstream valve station after leakage

（3）華南某輸氣管道。2013 年，華南某管徑1 219 mm 輸氣管道由于所在地區(qū)連續(xù)降雨，導(dǎo)致管道局部沉降位移，在管道焊口及焊口附近發(fā)生了斷裂起火事故，初始泄漏孔徑約1 000 mm。距離事故點(diǎn)700 m 的下游站場(chǎng)進(jìn)站壓力由7.84 MPa 驟降至0.2 MPa，壓降速率達(dá)1.31 MPa/min，進(jìn)站截?cái)嚅y自動(dòng)關(guān)斷。距離事故點(diǎn)14 km 的上游閥室也自動(dòng)關(guān)斷，壓降速率達(dá)0.36 MPa/min。事故點(diǎn)下游站場(chǎng)進(jìn)站截?cái)嚅y壓力曲線(xiàn)如圖2 所示。

圖2 事故點(diǎn)下游站場(chǎng)進(jìn)站壓力變化曲線(xiàn)Fig.2 Pressure variation curve of input pressure of station downstream the leakage point

（4）2015 年，中石油天然氣主干管網(wǎng)發(fā)生了10 余起管道或閥室泄漏事件，由于泄漏量相對(duì)較小，壓降速率相對(duì)較小，所有事件均沒(méi)有導(dǎo)致關(guān)聯(lián)線(xiàn)路截?cái)嚅y自動(dòng)關(guān)閉。同時(shí)，主干管網(wǎng)發(fā)生了20余起截?cái)嚅y意外自動(dòng)關(guān)斷事件，但多數(shù)事件是由閥體電氣故障導(dǎo)致關(guān)斷，只有少數(shù)幾起事件是由于閥體故障導(dǎo)致壓降速率及時(shí)間達(dá)到限制而自動(dòng)關(guān)閉。

隨著我國(guó)天然氣管道輸送行業(yè)的飛速發(fā)展，輸氣管道向著大管徑、高壓力、長(zhǎng)距離的趨勢(shì)發(fā)展。干線(xiàn)截?cái)嚅y速率設(shè)定值的正確與否，直接關(guān)系到干線(xiàn)截?cái)嚅y動(dòng)作的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。因此研究大管徑管線(xiàn)各種運(yùn)行工況下干線(xiàn)截?cái)嚅y速率設(shè)定值具有重要的意義。

2 輸氣管道泄漏工況分析

目前，國(guó)內(nèi)天然氣主干管網(wǎng)的管徑通常為1 219 mm 或1 016 mm，因此模擬大管徑管道的泄漏工況，對(duì)于研究線(xiàn)路截?cái)嚅y自關(guān)斷壓降速率限定值更有實(shí)際意義。當(dāng)輸氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道內(nèi)高壓氣體瞬間泄放至空氣中（忽略土壤對(duì)埋地管道泄漏的影響），由于壓差非常大，泄漏點(diǎn)的瞬時(shí)流量會(huì)非常大，而隨著泄漏時(shí)間的增加，泄漏點(diǎn)壓差減小，泄漏量也會(huì)減小。輸氣管道泄漏后的瞬時(shí)壓力和流量趨勢(shì)[8]如圖3 所示。從圖3 可以看出，管道泄漏后，泄漏點(diǎn)上游的流量上升，下游的流量下降；而且泄漏點(diǎn)壓力有所下降，同時(shí)會(huì)引起泄漏點(diǎn)上下游壓力的下降。如果泄漏量較大或者出現(xiàn)管道爆管情況時(shí)將嚴(yán)重影響上下游壓縮機(jī)站的運(yùn)行，最后導(dǎo)致全線(xiàn)停運(yùn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)上下游兩個(gè)站場(chǎng)或閥室的壓力和流量情況符合圖3 變化曲線(xiàn)后，輸氣管道調(diào)控人員應(yīng)初步判斷出泄漏點(diǎn)的位置，并及時(shí)派遣巡線(xiàn)人員查找泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，及時(shí)采取應(yīng)急維修預(yù)案，快速解決泄漏事故。

圖3 輸氣管道泄漏點(diǎn)的壓力和流量曲線(xiàn)Fig.3 Pressure and flow curve of natural gas pipeline leakage point

3 輸氣管道泄漏工況模擬與計(jì)算

為了分析管道發(fā)生泄漏后閥室或站場(chǎng)的壓力變化情況，采用成熟的天然氣管道仿真軟件[9]模擬計(jì)算大管徑管道泄漏后相鄰閥室或站場(chǎng)的壓力變化情況，為分析設(shè)置干線(xiàn)截?cái)嚅y設(shè)置關(guān)斷速率提供參考。

3.1 輸氣管道仿真模型

輸氣管道模型包括1 個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)（與壓氣站合并）、1 個(gè)出氣點(diǎn)（末站）、5 個(gè)中間閥室，閥間距20 km，合計(jì)120 km。該長(zhǎng)輸管道處于甘肅的戈壁地區(qū)，氣候干燥，壓氣站管段地形相對(duì)平緩，閥室高程差相對(duì)較小，無(wú)穿跨越工程。管徑為1219 mm和1 016 mm 兩種，模擬泄漏點(diǎn)定在3#閥室和4#閥室中間位置。因此，在3#和4#閥室之間簡(jiǎn)化為2 條管段，每段為10 km。輸氣管道壓降速率模擬計(jì)算模型示意圖如4 所示。為了有效模擬真實(shí)泄漏情況，在調(diào)整相關(guān)控制元件參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)元件E_TAKE 采用壓力控制，元件E_OUT 流量控制，壓縮機(jī)采用出口壓力控制，采用1 個(gè)元件HEAD 控制模擬泄漏的孔徑。

為了充分說(shuō)明閥室壓降速率與閥室初始?jí)毫?、管道過(guò)流以及泄漏孔徑之間的關(guān)系，模擬計(jì)算了5種初始工況下的泄漏。5 個(gè)初始工況的部分參數(shù)如表1 所示，工況1、2、3 模擬計(jì)算7 種孔徑（100、200、300、400、600、900、1 100 mm）泄漏時(shí)的壓降速率；工況4 和5 模擬計(jì)算6 種孔徑（100、200、300、400、600、900 mm）泄漏時(shí)的壓降速率。

圖4 輸氣管道壓降速率模擬計(jì)算模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of simulation calculation model for pressure drop rate of gas pipeline

表1 5 個(gè)初始工況部分參數(shù)Tab.1 Part of parameters for 5 initial working conditions

3.2 不同工況泄漏后壓降速率計(jì)算分析

不同工況、不同泄漏孔徑時(shí)下游4#閥室截?cái)嚅y的壓降速率與持續(xù)時(shí)間曲線(xiàn)的關(guān)系分別如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9 所示。每個(gè)工況都是從第1 min開(kāi)始泄漏。從各圖可以看出，發(fā)生泄漏后，由于泄漏點(diǎn)距離4#閥室相對(duì)較近，泄漏點(diǎn)下游4#閥室的壓降速率迅速提高，在1 min 內(nèi)達(dá)到了極值；然后壓降速率迅速下降，并逐漸平緩。不同工況、不同泄漏孔徑時(shí)下游4#閥室截?cái)嚅y的壓降速率極值和滿(mǎn)足截?cái)嚅y壓降速率自動(dòng)關(guān)斷的泄漏孔徑數(shù)值如表2所示。

圖5 工況1 在泄漏后壓降速率計(jì)算曲線(xiàn)Fig.5 Pressure drop rate calculation carve after leakage under working condition 1

圖6 工況2 泄漏后壓降速率計(jì)算曲線(xiàn)Fig.6 Pressure drop rate calculation curve after leakage under working condition 2

圖7 工況3 在不同孔徑下泄漏后壓降速率計(jì)算曲線(xiàn)Fig.7 Pressure drop rate calculation curve after leakage under working condition 3

圖8 工況4 在不同孔徑下泄漏后壓降速率計(jì)算曲線(xiàn)Fig.8 Pressure drop rate calculation curve after leakage under working condition 4

從不同工況的泄漏模擬計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于管徑1 016 mm 和1 219 mm 的輸氣管道，當(dāng)泄漏點(diǎn)孔徑小于300 mm 時(shí)，泄漏點(diǎn)下游4#閥室壓降速率都無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)關(guān)斷要求（壓降速率大于0.15 MPa/min，且持續(xù)120 s），泄漏點(diǎn)兩端的截?cái)嚅y幾乎都不能實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷。這在一定程度上能夠說(shuō)明西部某輸氣管道發(fā)生泄漏但干線(xiàn)截?cái)嚅y未實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷的主要原因是泄漏孔徑較小。

圖9 工況5 在不同孔徑下泄漏后壓降速率計(jì)算曲線(xiàn)Fig.9 Pressure drop rate calculation curve after leakage under working condition 5

表2 不同工況、不同泄漏孔徑下游4#閥室截?cái)嚅y的壓降速率及閥門(mén)自關(guān)斷的泄漏孔徑Tab.2 Pressure drop rate of No.4 valve sation under different working conditions and different leakage diameter and leakage diameter of valve self shut down

從圖5～圖9 可以看出，泄漏點(diǎn)孔徑越大，截?cái)嚅y壓降速率越大且儲(chǔ)蓄時(shí)間越長(zhǎng)，越容易實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷功能。

對(duì)比工況1 和工況2 計(jì)算結(jié)果可知，在管徑和輸量相同的情況下，事故前運(yùn)行壓力越高，能夠?qū)崿F(xiàn)截?cái)嚅y自關(guān)斷的泄漏孔徑越小。高壓運(yùn)行工況有利于泄漏后閥門(mén)實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷。這在一定程度上說(shuō)明華北某輸氣管道發(fā)生泄漏但干線(xiàn)截?cái)嚅y未實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷的主要原因是運(yùn)行壓力較低。

對(duì)比工況1 和工況3（或工況4 和工況5）計(jì)算結(jié)果可知，在管徑相同且在高壓運(yùn)行情況下，管道輸量越大，能夠?qū)崿F(xiàn)截?cái)嚅y自關(guān)斷的泄漏孔徑越小。高壓高輸量運(yùn)行工況有利于泄漏后閥門(mén)實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷。

對(duì)比工況3 和工況5 計(jì)算結(jié)果可知，在管徑不同和輸量不同但壓力基本相同的情況下，管道管徑越小且輸量越小，能夠?qū)崿F(xiàn)截?cái)嚅y自關(guān)斷的泄漏孔徑越小。對(duì)于小管徑管道，高壓低輸量運(yùn)行工況有利于泄漏后閥門(mén)實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷。

對(duì)比工況1 和工況3 及工況5 計(jì)算結(jié)果可知，雖然泄漏點(diǎn)下游4#閥室的壓力基本相同，但由于管徑和輸量的不同，導(dǎo)致了4#閥室截?cái)嚅y自關(guān)斷的泄漏孔徑也不同。

4 結(jié)論和建議

（1）對(duì)于同一管道，泄漏點(diǎn)孔徑越大，截?cái)嚅y壓降速率越大，越容易實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷功能。高壓高輸量情況下發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)上下游截?cái)嚅y更容易實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷功能。

（2）當(dāng)管徑1 016 mm 和1 219 mm 輸氣管道出現(xiàn)孔徑小于300 mm 的泄漏時(shí)，現(xiàn)有的截?cái)嚅y自關(guān)斷壓降速率設(shè)定值可能導(dǎo)致泄漏點(diǎn)兩端的截?cái)嚅y都不能實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷。

（3）結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，管道投產(chǎn)初期，由于輸量和壓降波動(dòng)較大，線(xiàn)路截?cái)嚅y壓降速率設(shè)定值可以大一些。但是，管道接近滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行后，流量和壓力較高且相對(duì)平穩(wěn)，線(xiàn)路截?cái)嚅y壓降速率設(shè)定值以及延時(shí)值可以適當(dāng)減小，以便于出現(xiàn)小孔徑泄漏時(shí)也能實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷。

（4）為更好發(fā)揮線(xiàn)路截?cái)嚅y的保護(hù)作用，每個(gè)管段的管徑及物理位置應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況的輸量和壓力，有針對(duì)性地設(shè)置導(dǎo)致截?cái)嚅y自關(guān)斷的壓降速率值。

（5）為避免閥門(mén)誤動(dòng)作，在計(jì)算的基礎(chǔ)上，還應(yīng)收集管道在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，找出正常運(yùn)行情況下管道的最大壓降速率，在進(jìn)行壓降速率設(shè)置時(shí)，應(yīng)高于此數(shù)值。