输气管道线路截断阀压降速率设定值研究

张双蕾 陈 凤 孙在蓉 李 巧 陈 渝中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司, 四川 成都 610041



输气管道线路截断阀压降速率设定值研究

张双蕾 陈 凤 孙在蓉 李 巧 陈 渝
中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司, 四川 成都 610041

天然气长输管道间隔一定距离需设置线路截断阀,以便在破损事故发生时快速截断气源,避免产生更大的泄漏。对大口径输气管道,线路截断阀的主要启动判别方法为压降速率法。目前,西气东输工程等大管径输气管道线路截断阀压降速率设定值通常为0.15MPa/min。实际上,对于不同口径以及不同工况下运行的天然气长输管道而言,管道全线采用一个统一的经验值具有很大的不确定性,往往会发生线路截断阀的误动作或事故状态下不动作或未及时动作的情况。以某工程两座压气站之间的管段为例,利用OLGA软件对不同工况下管内气体流动进行动态模拟,研究了破口尺寸、主管管径、运行压力、破口位置、输量等不同参数对管道压降速率的影响,为目前采用的压降速率设定值是否需要修正提供参考,使其更符合工程实际。

输气管道；管道破损；线路截断阀；压降速率；设定值

0 前言

为保证天然气长输管道安全可靠运行,应设置线路截断阀,使管道在发生破损时能快速关断,减小泄漏，降低经济损失,减小对环境的污染,并防止事故进一步扩大[1]。线路截断阀的启动判别方法主要有两种：压力限值法和压降速率法。国内大口径输气管道线路截断阀使用的气液联动执行机构,通常采用机械式设定压降速率,即当管线压降速率过大,并达到一定延时时间(即持续超出设定压降速率值达一定时间),认为管线存在破管泄漏现象,阀门自动关闭[2-3]。

目前国内各输气单位普遍借鉴国外的经验值作为压降速率设定值,然而由于天然气长输管道沿线工况变化较大,不同管段破损尺寸不同的情况下,压降速率并不相同,若管道全线按照经验值设置,很可能造成线路截断阀的误动作或事故状态下不动作或未及时动作的情况[4]。例如,2013年1月,某大型输气管道工程1座阀室起火,相邻上下游管线截断阀未及时自动截断,幸未造成人员伤亡。因此,在工作实践中研究天然气长输管道干线紧急截断阀的参数设置可以为线路截断阀的准确动作提供参考依据,具有重要意义。

1 软件选用

在事故状态下,天然气长输管道管内气体的流动为动态变化过程。为保证天然气长输管道线路截断阀动作可靠性,应根据管道实际情况(如管径、长度、工艺运行参数等)应用相应的管道非稳态流数学模型进行瞬态模拟与分析,得出线路截断阀最佳压降速率设定值[5]。为保证计算精度、简化分析过程,可采用成熟商业软件进行计算分析。OLGA作为一种计算流体动力学(CFD)软件,是用数值求解控制流体流动的微分方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程),得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布以及随时间的变化,从而近似模拟流体流动情况[6-8]。由于OLGA软件可以有效地对动态流体(包括油、气、水及其混合物)进行建模和分析,其模拟结果得到充分的实践验证,国际各大石油公司均认可该软件,且对于亚音速和音速情况下气体瞬态流动模拟具有较高的准确性[9],因此本文选用OLGA软件进行建模分析。

2 实例

2.1 正常运行工况

为更贴近工程实际,以某大型输气管道发生事故的两座压气站之间管段为例,建立模型,进行动态模拟与分析[10]。模拟管道示意见图1。

图1 模拟管道示意图

该管段外径1 219mm,壁厚22mm,管壁粗糙度为10μm,输量为192×108m3/a,环境温度8 ℃。通过计算,在管道正常运行时,得到A压气站到B压气站间管段沿线高程及压力变化，见图2。

图2 管段沿线高程及正常运行压力曲线

2.2 管道破损模拟

在事故状态下,天然气长输管道管内气体的流动为动态变化过程,应根据管道的实际情况建立相应的水力计算模型,并采用瞬态模拟计算[11-12]。为模拟不同破口尺寸的管道破损,在建模时,需在管段上设置一个泄漏孔,通过改变泄漏孔的孔径来模拟实际可能出现的各种破损工况，见图3。

图3 管段破口模拟简化模型

根据现场实际情况,发生爆管的位置为76#阀室内1条DN400的支管,因此设定破口当量直径d=400mm,破损位置在76#阀室出口,利用软件对76#阀室以及上游22.1km处75#阀室和下游23.9km处77#阀室的压降速率进行计算分析,得到管道发生破损后的300s内,75#、76#和77#阀室处的压降速率，见图4。

图4 各阀室压降速率变化曲线(d=400 mm)

目前,某大型输气管道工程线路截断阀压降速率设定值为0.15MPa/min,延时时间设定值为100～300s。由图4可以看出,300s内76#阀室压降速率持续高于0.15MPa/min的时间达100s,而相邻上、下游阀室处的压降速率仅在很短时间内超出设定值。按照该计算结果,发生破损时,76#阀室的线路截断阀会执行关断,而75#和77#阀室处的阀门由于压降速率持续高于设定值的时间很短,不会触发阀门截断。而实际情况也是只有76#阀室即刻执行了截断,即软件模拟结果与实际情况吻合。

进一步比较,改变压降速率设定值,观察管段破损后300s内,相邻阀室压降速率持续超过设定值的时间,见表1。

表1 相邻阀室不同压降速率设定值下的延时时间

阀室延时时间/s设定值±0 15MPa/min设定值±0 10MPa/min设定值±0 05MPa/min75#514024076#10030030077#30145210

从计算结果可以看出,对于该段管道,目前0.15MPa/min的压降速率设定值偏大。管道破口尺寸已经达到400mm,而此时只有管道破损处截断阀动作,上、下游截断阀均未及时动作。若压降速率设定值适当降低至0.10MPa/min,则3处阀室的截断阀均可执行截断。

3 不同因素对压降速率的影响

3.1 非破损工况模拟

为研究线路截断阀压降速率值的设定,使其在管道发生破损时,能够及时截断,减少天然气泄漏、有效遏制事故进一步扩大,首先需要先计算非破损工况下管道的压降速率,阀门压降速率设定值应高于此压降速率,以免设定值过小,引起阀门误截断。

一般情况下,能引起管道压降速率较大波动的非破损工况包括：压缩机启停、上下游阀门误关断以及大规模用户分输工况等。其中,压缩机启机过程一般为转速逐渐提高的持续过程(约15～30min),单位时间内压降速率的变化相对较小,而压缩机停机和大规模用户分输造成的短时间内压降变化小于阀门瞬时关断的压降变化,即上下游阀门误关断造成管道在非破损工况下的压降波动最大,因此,在计算时考虑此极端工况。

仍以某大型输气管道工程A压气站到B压气站管段为模拟对象。研究上游75#阀室和下游77#阀室阀门误关断情况下,76#阀室处的压降速率延时时间,见表2。

表2 上、下游阀门误关断工况不同压降速率设定值下76#阀室的延时时间

工况延时时间/s设定值±0 15MPa/min设定值±0 10MPa/min设定值±0 08MPa/min设定值±0 05MPa/min设定值±0 03MPa/min上游75#阀室阀门误关断5103575165下游77#阀室阀门误关断102550110255

由表2可以看出,在上、下游阀室误关断工况下,76#阀室的延时时间随压降速率设定值减小而增大,当压降速率设定值为0.05MPa/min时,延时时间可达110s,因此，为避免截断阀在非破损工况下误动作,其压降速率设定值不宜低于0.05MPa/min。

3.2 不同破口当量直径模拟

仍设破损位置在76#阀室出口,其余条件不变,模拟不同破口直径d(100、250、400、500、750mm)对应的管道破损情况,观察相邻3座阀室压降速率。以±0.15MPa/min为压降速率设定值,不同破损工况下,300s内压降速率持续超出设定值的时间以及300s后压降速率值见表3～4。

表3 300s内不同破口当量直径下压降速率持续超出±0.15MPa/min的延时时间

阀室延时时间/s破口当量直径100mm破口当量直径250mm破口当量直径400mm破口当量直径500mm破口当量直径750mm75#0558025076#0510028030077#0530135210

表4 不同破口当量直径下相邻阀室300s后压降速率值

阀室压降速率值/(MPa·min-1)破口当量直径100mm破口当量直径250mm破口当量直径400mm破口当量直径500mm破口当量直径750mm75#0 0080 0470 1000 1440 19176#0 0100 0490 1020 1470 22277#0 0060 0370 0430 0770 159

由于线路截断阀执行动作必须同时满足两个条件：一是检测到的压降速率大于设定值；二是延时时间大于设定的时间值。因此,若以±0.15MPa/min为压降速率设定值,100s为延时时间设定值,当管道破口当量直径d≥400mm时,管道破损处的截断阀动作,而当d≥500mm时,上、下游截断阀才动作。

从300s后破损处相邻阀室的压降速率值大小可以看出,当管道破口当量直径d≤250mm时,压降速率设定值需降低至0.05MPa/min左右才能引发阀门及时动作。如前所述,0.05MPa/min的压降速率设定值已偏低,对较小尺寸的破口,若想通过截断阀进行泄漏判断并执行关断,困难较大。一般破口尺寸至少要达到主管管径的1/3～1/2,线路截断阀才能在管道发生破损时正确判断并自动关断。

3.3 不同破口位置模拟

以破口当量直径d=400mm为例,在其他条件不变的情况下,更改破口位置,使其分别在上游75#阀室出口、75#～76#阀室之间1/3、2/3处以及76#阀室入口,观察76#阀室压降速率的变化情况。不同破口位置模拟示意见图5。

图5 不同破口位置模拟示意图

通过计算,破口位置不同,对应的76#阀室处压降速率不同,见图6。

图6 不同破口位置对应的压降速率

由图6可以看出,破口位置不同,对压降速率的峰值和检测到峰值的时间点影响很大,但是压降速率变化很快趋于一致。以0.15MPa/min为压降速率设定值,破口1～ 4工况下76#阀室处压降速率持续超出设定值的时间分别为20、70、90、100s,可见破口位置离检测点越远,压降速率衰减越快,若延时时间一定,则压降速率设定值需适当降低,才能检测出较远位置的破口。

3.4 不同输量模拟

按照实际情况,输量不同管段的压力情况也不同。但为了单纯研究输量对压降速率的影响,在模拟时,考虑其余参数不变,只改变输量Q,得到不同输量工况下的压降速率(以破口当量直径d=400mm为例,检测点为76#阀室出口,即管道破口处),见图7。

图7 不同输量对应的压降速率

由图7可以看出,即使是在压降速率变化最剧烈的管道破口处,3种输量工况对应的压降速率差异都很微小,因此,在其他条件不变的情况下,可以认为输量对管道破损工况下压降速率的影响非常小。

3.5 不同主管管径模拟

图8 不同主管管径对应的压降速率

同样的,为单纯研究主管管径对管道破损工况下压降速率的影响,在模拟时,考虑其余参数不变,只改变主管管径D,得到不同主管管径对应的压降速率(以破口当量直径d=400mm为例,检测点为77#阀室,即管道破口处下游相邻阀室),见图8。

由图8可以看出,主管管径越小,管道发生破损后,压降速率越大,越容易被检测到。

3.6 不同运行压力模拟

为单纯研究运行压力对管道破损工况下压降速率的影响,模拟时考虑其余参数不变,只改变运行压力p,得到工况1(平均运行压力8.65MPa)、工况2(平均运行压力7.65MPa)和工况3(平均运行压力6.65MPa)3种工况下的压降速率(以破口当量直径d=400mm为例,检测点为77#阀室,即管道破口处下游相邻阀室),见图9。

图9 不同运行压力对应的压降速率

由图9可以看出,管道本身运行压力越低,发生破损后压降速率越小。因此,若整条管道采用统一压降速率设定值,则压力低的管段发生破损更容易被检测出。

3.7 各影响因素敏感性小结

1)输量对压降速率影响非常小,可以忽略不计。

2)破口位置对压降速率有一定影响,破口位置离阀室越近,破损工况越易被检测到。

3)主管管径和运行压力对压降速率影响较大,主管管径越小、运行压力越高,破损工况越易被检测到。

4)破口当量直径对压降速率影响最大,破口尺寸越大,破损工况越易被检测到。

4 结论

压降速率设定值的正确与否,直接关系到线路截断阀动作的准确性与及时性。对于大口径、长距离输气管道,从投产初期到达设计输量通常需要经历几年至十来年,起点、末点工况以及沿线分输工况也各不相同,其压力、输量变化的范围非常大,因此管道全线采用一个统一的经验值具有很大的不确定性。本文以某工程事故管段为例,通过研究不同工况下管道压降速率的变化情况,得出以下几点结论及建议：

1)线路截断阀检测范围。线路截断阀只能用于破口尺寸为主管管径的1/3～1/2以上的爆管事故,无法检测小口径泄漏工况,例如小的机械损伤和腐蚀穿孔等。

2)稳定运行管道压降速率设定值可适当减小。根据现场经验,管道投产初期,压降波动较大,线路截断阀压降速率设定值可采用0.15MPa/min。但随着管线输量逐渐提高达设计输量,运行趋于平稳,线路截断阀压降速率设定值可适当降低。

3)压降速率设定值下限。若要检测到较小口径的泄漏工况,在延时时间一定的情况下,压降速率设定值需降低,但为避免截断阀在管道非破损工况下误动作,应收集管道在实际生产过程中的运行数据,找出正常运行情况下管道的最大压降速率,截断阀压降速率设定值应高于该数值。一般情况下,压降速率最小设定值不宜低于0.05MPa/min。

4)设计取值与运行实际情况的结合。为更好地发挥线路截断阀的保护作用,在管道设计时,线路截断阀的参数设置需根据管道具体情况(管径、压力、输量、阀室间距及分输情况等)进行压降速率模拟计算,且在运行过程中,运行单位应根据实际运行情况进行适当调整。

5)典型管道重点管段校核。由于天然气管道众多、工况不一,无法做到对每一管段不同运行压力、破口位置进行逐一模拟计算。但是,在破口尺寸一定的情况下,影响压降速率的最主要因素为主管管径和运行压力。因此,对典型管道重点管段(压气站上下游阀室、管线末端阀室、分输规模大的阀室),可按照设计输量、最大阀室间距进行压降速率核算,找出典型管段压降速率设定值,对其他管段具有重要参考价值,在保证设计准确性的同时,大大减少了安全运行管理的工作量。

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2015-01-09

张双蕾(1987-),女,四川简阳人,工程师,硕士,主要从事油气储运及长输管道设计研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.002