張 科

（陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

輸氣管道放空作業(yè)是生產(chǎn)運行過程中的常見環(huán)節(jié)，但放空時間的測算與過程控制對管道放空作業(yè)的順利實施以及管道停輸施工期間下游用戶的保供具有重要的意義。靖邊—西安天然氣管道運行系統(tǒng)具有線路長、規(guī)格多、敷設(shè)范圍廣、管道沿線環(huán)境復(fù)雜等特點，并且該系統(tǒng)承擔著向西安市、關(guān)中地區(qū)以及陜南地區(qū)天然氣供給的重要任務(wù)，對管道運行的穩(wěn)定性要求極高。因此有必要結(jié)合生產(chǎn)實際對管道放空作業(yè)時間進行測算與研究。基于靖西三線輸氣管道8號—9號閥室間管道因第三方施工導(dǎo)致輕微泄漏而實施應(yīng)急搶險作業(yè)，對施工管道放空作業(yè)過程分別進行數(shù)值計算與模擬計算研究，并與實際放空作業(yè)過程進行了對比分析。

1 數(shù)值計算

1.1 計算模型

在施工管道放空作業(yè)過程中，氣體處于非穩(wěn)定流動狀態(tài)［1-3］，由于管道放空作業(yè)過程中壓降變化較大，導(dǎo)致管道內(nèi)氣體的溫度、密度等物性參數(shù)隨時間不斷變化，在整個放空作業(yè)過程中氣體要經(jīng)歷兩種流態(tài)，即臨界流狀態(tài)和亞音速流狀態(tài)［4-8］。同時，放空作業(yè)會受到施工管道長度、施工管道外徑與壁厚、放空管外徑與壁厚、管道摩阻、放空閥開度等多種因素的影響，定量分析放空作業(yè)過程較為復(fù)雜，但在應(yīng)急搶險過程中，往往需要通過估算放空作業(yè)時間來有效控制搶險過程。因此，在施工管道放空時間估算時，通常忽略亞音速流狀態(tài)，將放空作業(yè)過程當做臨界流狀態(tài)，忽略放空管阻力損失的臨界流數(shù)值計算模型如式（1）所示［9-11］。

式中，t為放空時間，s；V為施工管道的容積，m3；μ為放空閥相對開度，無量綱；A為放空閥全開后流通截面積，m2；p1為放空前施工管道內(nèi)天然氣平均絕對壓力，MPa；p2為放空后施工管道內(nèi)天然氣絕對壓力，MPa；Mr為天然氣相對分子質(zhì)量，無量綱；Z為天然氣壓縮因子，無量綱；Rcon為天然氣氣體常數(shù)，J／kg·K；T為施工管道內(nèi)天然氣溫度，K；κ為天然氣等熵絕熱指數(shù)，無量綱；g為重力加速度，g＝9.8 m／s2。

1.2 基本參數(shù)

靖西三線輸氣管道8號—9號閥室間施工管道放空作業(yè)過程基本參數(shù)如表1所示，兩座閥室均為單管放空，放空閥開度均由小到大單調(diào)遞增，為簡化計算將天然氣近似地按純甲烷考慮，取天然氣在101.25 kPa、20 ℃狀態(tài)下的氣體常數(shù)、等熵絕熱指數(shù)及壓縮因子［12］，按照放空閥尺寸與放空管尺寸一致且兩座閥室同時點火放空的工況進行測算。

1.3 數(shù)值計算

將該段施工管道放空作業(yè)的相關(guān)參數(shù)代入式（1）進行計算，測算該段施工管道持續(xù)放空直至表壓為0時，將放空閥不同開度對應(yīng)的放空時間進行統(tǒng)計（表2）。

從測算結(jié)果看，在只考慮放空閥開度與放空時間關(guān)系時，同一施工管道放空作業(yè)所需的放空時間是隨著放空閥開度的增加而逐漸減小，但在實際放空作業(yè)過程中，尤其是針對高壓輸氣管道放空作業(yè)，放空閥開度是在連續(xù)變化且具體變化情況與操作人員的業(yè)務(wù)水平、操作經(jīng)驗以及放空管周圍環(huán)境等因素密切相關(guān)，簡單通過數(shù)值計算來測算放空時間存在較大局限性。

表1 放空作業(yè)相關(guān)參數(shù)表

表2 放空閥相對開度與放空時間關(guān)系表

2 模擬計算

為了掌握管道放空作業(yè)過程，準確測算放空作業(yè)時間，基于靖西三線輸氣管道8號—9號閥室間施工管道放空作業(yè)過程，利用TGNET Pipeline Studio 3.0 軟件搭建放空作業(yè)瞬態(tài)模型，對管道放空過程進行動態(tài)模擬［13-18］。在不考慮放空管周圍環(huán)境及人為干預(yù)的情況下，假設(shè)兩座閥室同時同步開始進行放空作業(yè)，在放空閥開啟時開始記錄放空時間，放空閥開度均由小到大單調(diào)遞增，模擬施工管道內(nèi)天然氣壓力隨放空閥開度及放空時間的變化情況。

2.1 模型設(shè)置

采 用 TGNET Pipeline Studio 3.0 軟件 在 TGNET 主視 窗 中 利 用 Supply、 Deliver、 Leak、 Pipe、 Block valve等元件構(gòu)建閥室放空作業(yè)模型（圖1）。

圖1 放空作業(yè)模型圖

初始條件。在主視窗中選用的各種模型元件中設(shè)置如表1所示的施工管道長度、施工管道外直徑與壁厚、放空管外直徑與壁厚、閥室高程、天然氣壓縮因子、施工管道內(nèi)天然氣溫度等相應(yīng)的基本參數(shù)（表1），設(shè)置施工管道內(nèi)壁粗糙度為20 μm，取距離步長經(jīng)驗值為0.5 km，選放空閥流量系數(shù)為50 000，兩閥室閥門開度Amount open 為0，模型進氣口壓力設(shè)為3.30 MPa。

邊界條件。流體狀態(tài)方程選用Peng-Robinson 方程，管道氣體摩阻方程選用Colebrook-White 方程，模型進氣模式選用Max Pressure 最高壓力模式，輸氣模式選用Max Flow 最大流量模式，兩座閥室放空閥相對開度由小到大單調(diào)遞增即控制Amount open 變化區(qū)間為0～1。

其他條件。為保證模型與放空作業(yè)前實際工況接近，設(shè)置模型中施工管道在放空作業(yè)前輸送的氣體瞬時流量為850×104Nm3／d。

2.2 模擬計算與分析

根據(jù)建立的模型，通過調(diào)整漏氣通徑Leak Diameter進行賦值，利用Transient瞬態(tài)模式開始進行放空模擬，分別模擬“立即開啟放空閥”、“近勻速開啟放空閥”、“先慢后快開啟放空閥”三種工況，按照8 號、9 號閥室同時同步點火放空，對比施工管道壓力變化與放空時間的關(guān)系，由于兩閥室模擬放空作業(yè)工況基本相同，故以8號閥室放空作業(yè)工況進行討論。

立即開啟放空閥。在模型中輸入立即放空指令后，模型系統(tǒng)立即打開放空閥，即模擬忽略因放空閥前后壓差產(chǎn)生的開閥阻力而引起的時間延遲且不考慮放空管周圍環(huán)境因素的影響，兩閥室同時同步開始放空，放空閥開度瞬間達到100%（圖2），由圖2可知，放空閥相對開度曲線為避免與縱坐標軸重合略微進行了位置調(diào)整，施工管道內(nèi)天然氣壓力經(jīng)過0.36 h 后由3.26 MPa 下降至0.5 MPa，施工管道壓力曲線斜率較大，在0.36 h后施工管道壓力曲線斜率逐漸變小直至放空結(jié)束，最終施工管道放空所用時間為0.71 h。

圖2 立即開啟放空閥時施工管道壓力隨時間變化曲線圖

近勻速開啟放空閥。假定為減小點火放空作業(yè)對周圍環(huán)境的影響，調(diào)整模型設(shè)置持續(xù)近勻速開啟放空閥直至全部打開，施工管道壓力隨著放空閥開度增大而逐漸下降，3 h 后放空閥全部打開（圖3）。從施工管道壓力變化曲線看，在勻速開啟放空閥的第1 h內(nèi)，施工管道壓力曲線斜率較小，壓力下降緩慢，在勻速開啟放空閥的第2 h內(nèi)，施工管道壓力曲線斜率增加，壓力快速下降，之后繼續(xù)勻速開啟放空閥，施工管道壓力曲線斜率又逐漸變小，壓力下降緩慢直至放空結(jié)束，實際放空時間為2.81 h，小于放空閥全開所用時間3 h，即在放空閥相對開度為0.95時施工管道壓力已降至0。

圖3 近勻速開啟放空閥時施工管道壓力隨時間變化曲線圖

先慢后快開啟放空閥。為了使模型與實際放空作業(yè)過程接近，假設(shè)考慮放空管周圍環(huán)境、放空作業(yè)噪聲及放空火焰高度等因素，對模型設(shè)置進行調(diào)整以模擬放空閥緩慢開啟的過程，要求在放空閥前后差壓較高時控制放空火焰高度，待壓差逐步減小后根據(jù)火焰高度逐漸全部打開放空閥，在放空閥開啟的前3 h 內(nèi)，放空閥相對開度曲線斜率小于圖3 中放空閥相對開度曲線斜率，之后放空閥開度曲線斜率大于圖3所示，放空閥開度逐漸增加直至放空閥全開，放空閥全開所用時間為4 h（圖4）。與之對應(yīng)，施工管道壓力變化曲線在前3 h內(nèi)斜率較小，3 h后放空閥相對開度曲線斜率迅速增加，施工管道壓力曲線斜率逐漸增大，壓力逐漸降低直至放空結(jié)束，放空時間為4.22 h大于放空閥全開所用時間，即在放空閥全開后0.22 h施工管道壓力降至0。

圖4 先慢后快開啟放空閥時施工管道壓力隨時間變化曲線圖

3 放空實踐

3.1 放空作業(yè)概況

在靖西三線8號—9號閥室間管道因第三方施工導(dǎo)致輕微泄漏而實施應(yīng)急搶險作業(yè)時，綜合考慮泄漏情況及管網(wǎng)系統(tǒng)運行工藝，立即關(guān)閉施工管道上游側(cè)8號閥室線路截斷閥，通過向管網(wǎng)下游平壓、利用大用戶用氣降壓等工藝方式調(diào)節(jié)［19］，待壓力降至預(yù)定值時關(guān)閉施工管道下游側(cè)9 號閥室線路截斷閥，開始進行放空作業(yè)，施工管道長度、放空管等基本情況如表1所示，放空作業(yè)前8號閥室下游側(cè)壓力為3.32 MPa，9號閥室上游側(cè)壓力為3.2 MPa。

按照放空作業(yè)計劃，分別通過8號閥室下游側(cè)放空閥和9號閥室上游側(cè)放空閥同時進行點火放空，以不擾民為原則，通過調(diào)整放空閥開度控制放空火焰高度、放空噪音大小等，避免引發(fā)次生災(zāi)害，直至放空火焰微弱后關(guān)閉放空閥，保證施工管道內(nèi)天然氣處于微正壓狀態(tài)，避免空氣回流進入施工管道而帶來安全隱患［20］。

3.2 放空作業(yè)記錄

由于放空作業(yè)過程會受到操作人員業(yè)務(wù)技能、周圍環(huán)境等外界因素影響，故對8號、9號閥室實際放空過程中壓力變化與放空閥開度情況進行對比分析，在放空閥開啟時開始記錄放空時間。

8 號閥室點火放空時施工管道壓力為3.32 MPa，由于閥室放空管位于村莊附近，依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，調(diào)整放空閥開度，控制放空火焰大小，避免擾民及引發(fā)次生災(zāi)害。根據(jù)放空作業(yè)過程記錄，放空閥相對開度與施工管道壓力變化情況（圖5），在第192 min時放空閥全部打開，第243 min 時施工管道壓力約為1 000 Pa，放空火焰微弱，關(guān)閉放空閥，放空作業(yè)結(jié)束，即8號閥室放空閥全開所用時間為3.2 h，實際放空時間為4.05 h。

9 號閥室點火放空時施工管道壓力為3.2 MPa，由于閥室放空管附近多林地，依據(jù)現(xiàn)場周圍環(huán)境，調(diào)整放空閥開度，控制放空火焰大小，避免引發(fā)森林火災(zāi)及次生災(zāi)害。根據(jù)放空作業(yè)過程記錄，放空閥相對開度與施工管道壓力變化情況（圖6），在第157 min時放空閥全部打開，第216 min時施工管道壓力約為900 Pa，放空火焰微弱，關(guān)閉放空閥，放空作業(yè)結(jié)束，即9 號閥室放空閥全開所用時間為2.62 h，實際放空時間為3.6 h。綜上所述，施工管道放空時間即為8號閥室放空時間4.05 h。

圖5 8號閥室下游側(cè)管道放空壓力變化圖

圖6 9號閥室上游側(cè)管道放空壓力變化圖

3.3 分析與對比

1）數(shù)值計算反算分析。根據(jù)此次放空作業(yè)過程記錄，將實際放空作業(yè)過程與數(shù)值計算結(jié)果進行對比，把施工管道放空時間4.05 h 代入式（1）進行反算，得出放空閥相對開度為16.8%。即認為，僅基于此次放空作業(yè)的特定工況，綜合考慮外界因素影響，只要控制放空閥相對開度為16.8%，即可滿足此次放空作業(yè)實際要求。

2）模擬計算結(jié)果對比。將兩座閥室實際放空過程中壓力變化及放空閥開度情況與模擬計算結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，施工管道壓力及放空閥相對開度隨時間變化曲線與模擬計算施工管道壓力曲線的變化趨勢相近（圖4）。在實際放空作業(yè)初期，由于放空閥前后壓差較大，放空閥保持在較小開度，以控制放空氣量大小，避免放空火焰過高而威脅周圍植被及居民安全，隨著放空作業(yè)進行，施工管道內(nèi)外壓差逐漸減小，放空閥開度亦隨之增大直至放空結(jié)束。圖4中“先慢后快”開啟放空閥的模型計算出的兩座閥室同時放空所用時間為4.22 h 與實際放空時間4.05 h基本接近。

從放空閥操作過程看，8號閥室放空閥相對開度處于20%以內(nèi)的時間約為105 min，占放空時間的43%，9 號閥室放空閥相對開度處于20%以內(nèi)的時間約為102 min，占放空時間的47%，即認為此次放空作業(yè)控制放空閥相對開度處于20%以內(nèi)的時間約占放空總時間的50%，這種在放空作業(yè)前半程控制放空閥相對開度處于20%以內(nèi)的“先慢后快”的控制方法更接近實際放空作業(yè)需要。

4 結(jié)論

通過數(shù)值計算與模擬計算兩種方式，結(jié)合放空作業(yè)實踐對施工管道放空時間測算及作業(yè)控制方法進行分析，結(jié)果表明：

1）放空時間與放空閥相對開度有密切關(guān)系，可通過臨界流數(shù)值計算模型對放空時間進行估算，但計算結(jié)果通常較實際放空作業(yè)時間偏小，利用TGNET Pipeline Studio 3.0軟件構(gòu)建合理的瞬態(tài)模型能夠較準確的測算放空時間。

2）在放空作業(yè)前半程控制放空閥相對開度處于20%以內(nèi)的“先慢后快”的控制方法更符合此次放空作業(yè)實際需要。

3）施工管道放空作業(yè)與管道長度、直徑、壓力等固有物性參數(shù)有關(guān)，但同時會受到放空管周圍環(huán)境、放空閥操作人員業(yè)務(wù)技能等因素的影響，應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗，利用大數(shù)據(jù)手段，引入環(huán)境影響因子、人員影響因子或綜合影響因子，在現(xiàn)有的數(shù)值計算模型和模擬計算模型的基礎(chǔ)上優(yōu)化，總結(jié)出更具指導(dǎo)意義的放空時間測算模型。