天然氣管道應急搶修中氮氣置換工藝優(yōu)化研究

熊毅，趙瀟，司偉平，于達

中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京102249

0 引言

隨著我國天然氣管道建設(shè)的迅速發(fā)展，天然氣管道事故也逐漸增多[1]。天然氣管道事故的應急搶修是針對天然氣管道事故的特征采取相應的技術(shù)方案，對事故進行控制并恢復生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，越來越受到天然氣輸運企業(yè)的重視。

天然氣管道事故的應急搶修一方面要求迅速控制事故現(xiàn)場，快速恢復天然氣管道正常運行；另一方面又要求在應急搶修過程中保證施工安全，避免引發(fā)次生事故[2]。因此，在目前的技術(shù)手段下，為了提高天然氣管道事故應急搶修過程的安全性，對于停輸換管等搶修方案，在天然氣放空后進行全管段氮氣置換成為一個重要的搶修流程，在川氣東送、西氣東輸?shù)裙艿赖牟糠謶睋屝薹桨钢械玫綉肹3-4]。

目前，對氮氣置換工藝的研究主要集中在投產(chǎn)階段的氮氣置換[5-7]，對應急搶修過程中的氮氣置換流程則主要依據(jù)施工經(jīng)驗進行選擇。但是一方面，管道事故應急搶修中的氮氣置換工藝不同于投產(chǎn)過程，有其獨有的規(guī)律與特征：(1)應急搶修對施工時間有特殊要求，因此氮氣置換過程重點關(guān)注總置換時間；(2)應急搶修中存在破損點，氮氣置換過程有2個出口，置換規(guī)律受破損口位置、大小等影響[5]。另一方面，施工經(jīng)驗依據(jù)的是管道穩(wěn)態(tài)輸運狀態(tài)下的靜態(tài)估算結(jié)果，而吳長春的研究結(jié)果[8]表明，管道氣體輸送的靜態(tài)估算結(jié)果與動態(tài)模擬過程存在一定的偏差。

因此，本文基于SPS建立了有破損口的長輸管道模型，通過動態(tài)模擬不同工藝條件、不同事故條件下的氮氣置換過程，研究應急搶修過程中的氮氣置換時間規(guī)律，對應急搶修過程中的氮氣置換工藝進行優(yōu)選。

1 應急搶修中氮氣置換SPS模型建立

1.1 應急搶修中氮氣置換流程及方案

天然氣管道事故應急搶修過程中，首先將破損口前后2個閥室間的天然氣通過閥室放空立管放空至微正壓(0.05 MPa)，再通過閥室向管道內(nèi)注入氮氣進行置換，應保證管道內(nèi)天然氣含量低于2%。氮氣置換結(jié)束后，再在破損口附近進行應急搶修施工，可以保證現(xiàn)場施工安全。氮氣置換工藝(簡稱注氮工藝)根據(jù)其注氮口的數(shù)量可以分為單端注氮和雙端注氮。單端注氮工藝中，根據(jù)注氮端距離破損口的位置可以分為遠端注氮和近端注氮。單/雙端注氮工藝流程如圖1和圖2所示。

單端注氮流程如圖1所示，以事故管道其中一端閥室作為注氮口，將氮氣注入管道，管道內(nèi)的天然氣通過破損口及另一端閥室放空管排出，由此實現(xiàn)管道內(nèi)的氮氣置換。當破損口離注氮閥室較放空閥室遠時，即L1＞L2，稱為遠端注氮；反之L1＜L2，則為近端注氮。

雙端注氮流程如圖2所示，以事故管道兩端的閥室作為注氮口，將氮氣注入管道內(nèi)，管道內(nèi)的天然氣通過破損口排出，實現(xiàn)管道內(nèi)的氮氣置換。

1.2 應急搶修中氮氣置換SPS模型

根據(jù)SPS建模流程[9-11]，單端注氮SPS模型如圖3所示，整個管段設(shè)置閥室2座。由于在事故搶修工況下上下游管道均通過閥室截斷，故在模擬氮氣置換過程時，上下游閥室通過截斷閥(B_JDF1、B_JDF2)截斷氣源進出。注氮閥室通過注氮管線模擬注入氮氣，通過注氮口(E_N2_1)進行流量和壓力控制。放空閥室通過放空管線模擬放空，放空口(E_FK)采用大氣壓力和聲速限制控制放空流量。通過控制模擬節(jié)流閥(MOOE_1)的開度來模擬破損口當量直徑，末端(E_P5)采用大氣壓力和聲速限制控制泄漏流量。

雙端注氮SPS模型如圖4所示。氮氣置換過程中注氮閥室上下游管線均通過截斷閥(B_JDF1、B_JDF2)截斷。兩端閥室均通過注氮管線模擬注氮，通過注氮口(E_N2_1、E_N2_2)進行流量和壓力控制。破損口通過控制模擬節(jié)流閥(MOOE_1)的開度來模擬破損口當量直徑，末端(E_P5)采用大氣壓力和聲速限制控制泄漏流量。

1.3 模型參數(shù)

(1)氣體計量基準狀態(tài)：壓力0.103 25 MPa；溫度20 ℃；(2)管道無內(nèi)涂層，粗糙度30 μm；(3)放空及破損管道末端壓力控制為大氣壓，取0.103 25 MPa；(4)管道總傳熱系數(shù)取1.75 W/m2·℃；(5)天然氣干線管長30 km；(6)天然氣干線管道管徑1016 mm(壁厚18 mm)；(7)放空管及注氮管管徑323.9 mm(壁厚6.5 mm)；(8)氮氣置換通過汽化器將液氮罐車中的液氮轉(zhuǎn)化為氮氣注入管道，由于注氮工藝要求的限制，注氮速度小于5 m/s，注氮口壓力不超過0.3 MPa。

圖1 單端注氮流程圖Fig. 1 Single-end nitrogen injection process

圖2 雙端注氮流程圖Fig. 2 Double-end nitrogen injection process

圖3 單端注氮SPS模型Fig. 3 SPS model of single-end nitrogen injection

圖4 雙端注氮SPS模型Fig. 4 SPS model of double-end nitrogen injection

2 基于SPS模型的單/雙端注氮時間規(guī)律研究及工藝優(yōu)化

天然氣管道事故應急搶修的氮氣置換中，單/雙端注氮工藝優(yōu)化的目標是總注氮時間最短。通過SPS仿真，各注氮工藝的總注氮時間可以通過測量氮氣開始注入時間與模擬管道內(nèi)天然氣完全被氮氣取代時間的差值獲得。

2.1 單端注氮工藝遠/近端注氮時間規(guī)律及工藝優(yōu)化

單端注氮工藝的關(guān)鍵問題是選擇注氮口位置，即采用遠端注氮或近端注氮。通過單端注氮SPS模型，對單端注氮過程進行了仿真，固定破損口當量直徑，改變破損口位置距注氮口的距離。以此來研究破損口位置與注氮口距離對總注氮時間的影響，結(jié)果如圖5所示。

在相同的破損口當量直徑下，全管段完成氮氣置換的總注氮時間隨破損口與注氮閥室距離的增加而減少，因此，單端注氮時應采取遠端注氮工藝。

圖5 單端注氮破損口與注氮閥室距離—注氮時間關(guān)系圖Fig. 5 The injection time vs the distance between leak hole and injection valve in single-end nitrogen injection

但值得注意的是，氮氣與天然氣界面到達破損口所需時間隨破損口與注氮閥室距離的減小而減少。如果能利用通過破損口一段距離后的氮氣隔離管內(nèi)天然氣，選擇近端注氮的時間更短，且所消耗氮氣量也將大幅度減小。但選用該方案必須確保隔離段氮氣長度足夠保證施工期安全，具體隔離段長度的要求需要進一步的研究確定，暫不在本論文中討論。

2.2 單/雙端注氮工藝總注氮時間規(guī)律及工藝優(yōu)化

在單端注氮選擇遠端注氮工藝的情況下，單端注氮工藝與雙端注氮工藝對總注氮時間的影響仍與破損口當量直徑及位置相關(guān)，因此需要根據(jù)破損口當量直徑及位置優(yōu)選單/雙端注氮工藝。

2.2.1 破損口當量直徑對單/雙端注氮工藝總注氮時間的影響

基于SPS模型模擬計算，當破損口位置固定，破損口直徑對單/雙端注氮工藝總注氮時間的影響如圖6所示，其中破損口與注氮閥室的距離在雙端注氮工藝中指的是破損口與遠端注氮閥室間的距離。

由圖6可知，(1)當破損口位置一定時，單端注氮工藝總注氮時間隨破損口當量直徑的增大而增大，而雙端注氮工藝總注氮時間則隨破損口當量直徑的增大而減少；(2)同一破損口位置下，單端注氮工藝總注氮時間曲線與雙端注氮工藝總注氮時間曲線存在交點(即臨界破損口當量直徑)，當破損口當量直徑大于臨界直徑時，雙端注氮工藝總注氮時間較短，應選擇雙端注氮工藝；反之，則應選擇單端注氮工藝。

圖6 破損口當量直徑-總注氮時間關(guān)系圖Fig. 6 The injection time vs the diameter of leak holes

2.2.2 破損口位置對單/雙端注氮工藝總注氮時間的影響

基于SPS模型模擬計算，當破損口當量直徑固定，破損口位置對單/雙端注氮工藝總注氮時間的影響如圖7所示，其中破損口與注氮閥室距離在雙端注氮工藝中指的是破損口與遠端注氮閥室間的距離。

由圖7可知，當破損口當量直徑一定時，單端注氮工藝總注氮時間(遠端注氮)隨破損口與注氮閥室距離的增大而減少，而雙端注氮工藝總注氮時間隨破損口與注氮閥室距離的增大而增大。因此存在一個臨界破損口位置，當破損口與注氮閥室的距離大于臨界位置時單端注氮總注氮時間較短，應選擇單端注氮工藝，否則應該選擇雙端注氮工藝。

2.3 單/雙端注氮工藝優(yōu)化“轉(zhuǎn)換相圖”

通過分別研究破損口當量直徑和破損口位置對總注氮時間的影響可知，單/雙端注氮方式的選擇存在臨界破損口當量直徑和破損口位置。以臨界點對應的破損口當量直徑與管徑的比值為縱坐標，以破損口離注氮閥室的距離與兩端閥室距離的比值為橫坐標，可得如圖8所示的單/雙端注氮工藝“轉(zhuǎn)換相圖”。由“轉(zhuǎn)換相圖”可知，存在一條臨界“轉(zhuǎn)變”線，破損口特征位于“轉(zhuǎn)變”線以上區(qū)域(A區(qū)域)時，選擇雙端注氮工藝；損口特征位于“轉(zhuǎn)變”線以下區(qū)域(B區(qū)域)時，則選擇單端注氮工藝。在B區(qū)域內(nèi)，還存在一個C區(qū)域，破損口當量直徑與管徑比(破損口孔徑比)小于9.9%的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，無論破損口位于何處，破損口綜合特征均處于“轉(zhuǎn)變線”以下，即破損口孔徑比小于9.9%時，需選擇單端注氮工藝。在A區(qū)域內(nèi)，存在一個D區(qū)域，破損口孔徑比大于13.8%的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，無論破損口位于何處，破損口綜合特征均處于“轉(zhuǎn)變線”以上，即破損口孔徑比大于13.8%需選擇雙端注氮工藝。

通過該“轉(zhuǎn)變相圖”，工程技術(shù)人員可根據(jù)破損口綜合特征(破損口距注氮閥室距離、破損口孔徑比)查找相應管道的經(jīng)驗相圖選擇最優(yōu)注氮工藝，有助于工程技術(shù)人員在管道事故應急搶修時快速優(yōu)選氮氣置換方案，提高氮氣置換環(huán)節(jié)的運行質(zhì)量。

圖7 破損口與注氮閥室距離-總注氮時間關(guān)系圖Fig. 7 The injection time vs the distances between leak hole and injection valve

圖8 單/雙端注氮工藝“轉(zhuǎn)換相圖”Fig. 8 Transition phase diagram of single-end/double-end nitrogen injection process

3 結(jié)論

本文主要針對天然氣管道事故搶修中的氮氣置換工藝進行SPS模擬仿真，研究破損口當量直徑和破損口位置對單/雙端注氮工藝總注氮時間的影響，并提出優(yōu)化選擇單/雙端注氮工藝的方法。通過動態(tài)仿真，得出以下結(jié)論：

(1)單端注氮工藝中，破損口位置與注氮閥室間距離越遠，其總注氮時間越短，單端注氮時應采取遠端注氮方式。

(2)雙端注氮工藝中，總注氮時間隨破損口當量直徑的增大而減少，隨破損口位置與注氮閥室(較遠端)距離的增加而增大，其與單端注氮工藝的注氮時間規(guī)律曲線存在交點。

(3)研究得到了單/雙端注氮工藝“轉(zhuǎn)換相圖”，當破損口特征位于相圖A區(qū)域中時，選用雙端注氮工藝，位于B區(qū)域中時，則選用單端注氮工藝。當破損口孔徑比小于9.9%時，需選擇單端注氮工藝；當破損口孔徑比大于13.8%時，需選擇雙端注氮工藝。

在工程實際中，工程技術(shù)人員可根據(jù)破損口特征(破損口位置、破損口孔徑比)查找相應管道的經(jīng)驗相圖，選擇最優(yōu)注氮方案。有助于工程技術(shù)人員在管道事故應急搶修時快速優(yōu)選氮氣置換方案，提高氮氣置換環(huán)節(jié)的運行質(zhì)量。

[1] 謝安俊. 天然氣管道應急救援系統(tǒng)及其信息技術(shù)[J]. 天然氣工業(yè), 2006, 26(5): 115-117. [XIE A J. Emergency rescue system and information technology of natural gas pipeline[J]. Natural Gas Industry, 2006 , 26(5) :115-117.]

[2] 盧彥博. 川氣東送管道的應急處置技術(shù)研究[D]. 成都:西南石油大學, 2013. [LU Y B. Research on emergency of Sichuan to eastern China gas transmission pipeline[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2013.]

[3] 鞠世雄, 謝磊, 李燦. 油氣管道管道搶修技術(shù)[J]. 化工管理, 2013(7): 92. [JU S X, XIE L, LI C. Emergency maintenance technology of oil and gas pipeline[J]. Chemical Enterprise Management, 2013(7): 92.]

[4] 李海川, 王勁松, 李波. 動態(tài)模擬在西氣東輸氣管道工藝設(shè)計中的應用[J], 石油規(guī)劃設(shè)計, 2003, 14(5): 28-30. [LI H C, WANG J S, LI B. Application of dynamic simulation in the process design of West to East Gas Pipeline[J]. Petroleum Planning & Engineering,2003, 14(5): 28-30.]

[5] 白忠濤, 王福文, 董文章. 長輸天然氣管道氮氣置換技術(shù)[J]. 油氣田地面工程, 2008, 27(8): 42-43. [BAI Z T, WANG F W, DONG W Z. Nitrogen replacement technology of long distance natural gas pipeline[J]. Oil-Gas field Surface Engineering, 2008, 27(8): 42-43.]

[6] 黃義忠. 天然氣管輸運行前的氮氣置換技術(shù)[J]. 中外能源, 2008, 13(5): 73-76. [HUANG Y Z. Nitrogen replacement technology before natural gas pipeline running[J]. SINO-GLOBAL ENERGY, 2008, 13(5): 73-76.]

[7] CLEAVER R P. A model for the initial stages following the rupture of a natual gas transmission pipeline[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2015, 3(95): 202-214.

[8] 李彤民, 吳長春, 梁江. 動態(tài)模擬在輸氣管道工藝設(shè)計中的應用[J]. 油氣儲運, 1999, 18(4): 1-5. [LI T M, WU C C, LIANG J.Application of dynamic simulation in the process design of gas transmission pipeline[J]. OGST, 1999, 18(4): 1-5.]

[9] DORAO C A, FERNANDINO M. Simulation of transient in natural gas pipeline[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2011, 3(3): 349-355.

[10] WOLDEYOHANNES A D, MAJID M A A. Simulation model for natural gas transmission pipeline network system[J]. Simulation Modelling Practice and Theory, 2011, 19(1): 196-212.

[11] 黃金洲, 方亮. 輸氣管線氮氣置換分析[J]. 石油化工建設(shè), 2010(3): 73-75. [HUANG J Z, FANG L. Nitrogen replacement analysis on gas transmission pipeline[J]. Petroleum and Chemical Construction, 2010(3): 73-75.]