高壓天然氣站場(chǎng)放空時(shí)間的模型及其優(yōu)化

馮 亮，李一寧，李開(kāi)鴻，陳 莎，黨文俊，丁 昱

1中國(guó)石油西南管道公司，四川 成都

2中國(guó)石油天然氣銷(xiāo)售新疆分公司昌吉分公司，新疆 昌吉

3中國(guó)石油西氣東輸公司，上海

1. 引言

天然氣放空是天然氣長(zhǎng)輸管道運(yùn)行單位生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，而對(duì)天然氣放空時(shí)間精確量化是管道運(yùn)行單位面對(duì)的一個(gè)難題[1]。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)放空時(shí)間進(jìn)行了研究。諸如：對(duì)放空管段建立偏微分方程組并用特征線(xiàn)法轉(zhuǎn)化成全微分方程組進(jìn)行數(shù)值求解，其結(jié)果與工程實(shí)際放空時(shí)間數(shù)據(jù)吻合良好[2]；以Fano 方程為基礎(chǔ)，運(yùn)用流體力學(xué)與輸氣管路流動(dòng)基礎(chǔ)理論進(jìn)行編寫(xiě)程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)放空量、放空時(shí)間、截面壓力和儲(chǔ)氣量進(jìn)行求解，誤差控制在2%以?xún)?nèi)[3]；李方圓等利用SPS 軟件建立了川氣東送管道放空計(jì)算模型，模擬計(jì)算了不同條件下的放空時(shí)間和放空過(guò)程中的壓力變化，進(jìn)行了放空閥出口管徑的比選[4]；劉杰針對(duì)烏茲別克斯坦臨時(shí)段管道，探討了其部分管段內(nèi)的天然氣放空方法，對(duì)天然氣放空量和放空時(shí)間進(jìn)行理論計(jì)算[5]；王盼鋒對(duì)天然氣管道放空系統(tǒng)和流動(dòng)狀態(tài)作了簡(jiǎn)要分析，對(duì)目前放空系統(tǒng)的放空時(shí)間的方法進(jìn)行了總結(jié)與歸納，并且通過(guò)TGNET 放空案例，計(jì)算了放空需要的時(shí)間，為現(xiàn)場(chǎng)放空提高理論指導(dǎo)[6]；徐東旭針對(duì)天然氣輸氣管道放空時(shí)間這一研究命題，對(duì)幾種計(jì)算方法進(jìn)行了分析與研究，旨在找出最合理的放空時(shí)間計(jì)算方法，為準(zhǔn)確生產(chǎn)調(diào)度決策、科學(xué)計(jì)劃施工時(shí)間、科學(xué)氣量調(diào)配以及有效組織事故搶修等提供可參考的理論依據(jù)[7]；孔吉民通過(guò)對(duì)管道內(nèi)的天然氣進(jìn)行放空或卸壓時(shí)所用時(shí)間及放空量計(jì)算公式的推導(dǎo)，得出相關(guān)公式，為今后的生產(chǎn)調(diào)度決策、氣量調(diào)峰、合理組織事故搶修等工作，提供了更科學(xué)的理論依據(jù)[8]；葉學(xué)禮運(yùn)用工程流體力學(xué)基礎(chǔ)理論，結(jié)合工程實(shí)際，提出一種求解新方法，即以可壓縮流體有摩擦絕熱一維流支的范諾方程為基礎(chǔ)求天然氣瞬時(shí)放空量，運(yùn)用數(shù)值積分法求累計(jì)放空時(shí)間[9]。

以上文獻(xiàn)研究的對(duì)象均為天然氣管線(xiàn)，而天然氣管線(xiàn)中經(jīng)常放空的位置是天然氣站場(chǎng)，相較于天然氣管線(xiàn)放空，天然氣站場(chǎng)放空量較少，故目前很少有研究天然氣站場(chǎng)放空時(shí)間的文獻(xiàn)。本文利用SPS 仿真軟件建立天然氣站場(chǎng)的放空模型，并用某站場(chǎng)實(shí)際放空操作進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示該模型模擬所得放空時(shí)間與該站場(chǎng)實(shí)際放空時(shí)間基本吻合；利用該模型指導(dǎo)另一某站場(chǎng)放空操作，即先用該模型預(yù)先模擬并確定操作步驟，而后在現(xiàn)場(chǎng)按確定步驟操作，兩者放空時(shí)間在可接受誤差范圍內(nèi)。在確定該模型適用于站場(chǎng)放空時(shí)間仿真后，作者用該模型在保證安全的前提下就某站場(chǎng)放空時(shí)間從放空點(diǎn)數(shù)量與放空管段壓力下降速率進(jìn)行了模擬并總結(jié)規(guī)律，該規(guī)律對(duì)高壓天然氣站場(chǎng)放空時(shí)間的優(yōu)化起到參考作用。

2. 仿真模型的建立

2.1. SPS 軟件介紹[10] [11]

SPS 仿真軟件可對(duì)管道輸送的單一流體、單相混合流體或者批次流體進(jìn)行仿真[12]，該軟件可從INPREP 文本文件中獲得所建立管道(模型)信息，包括物理元件(管線(xiàn)、氣源、閥等)的所有信息。SPS 軟件能仿真大多數(shù)管線(xiàn)的正常運(yùn)行工況(穩(wěn)態(tài)仿真) [13]，并能仿真控制管道事故工況(瞬態(tài)仿真) [14] [15] [16] [17]，諸如管線(xiàn)斷裂、設(shè)備故障等。此外，SPS 軟件還可以計(jì)算管道沿線(xiàn)流量、壓力、密度與溫度等參數(shù)，并能以圖形或報(bào)表的形式輸出。

SPS 軟件的仿真功能可以通過(guò)兩種形式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制序列運(yùn)行或交互式(運(yùn)行過(guò)程中可以改變邊界條件)運(yùn)行。初始狀態(tài)可以是零流量狀態(tài)、已儲(chǔ)存的穩(wěn)定狀態(tài)或者用戶(hù)自定義穩(wěn)定狀態(tài)。

SPS 軟件主要程序包括預(yù)處理程序(PREPR)、瞬時(shí)仿真程序(TRANS)、傳輸程序(TPORT)和后處理程序(GRAFR)。

2.2. 仿真模型

Figure 1. Venting model 圖1. 放空模型

模型介紹：

基于現(xiàn)場(chǎng)放空段管道建立模型如圖1 所示，PPPE_1 為站場(chǎng)管段，SALE_1 為注入氣源，SALE_2 為輸出氣源，SALE_3、SALE_4 為放空位置；BV_1、BV_2、BV_3、BV_4 為截?cái)嚅y；RG_1、RG_2 為調(diào)節(jié)閥。

在SALE_1 處使用壓力控制(設(shè)管段放空時(shí)的壓力)，SALE_2 處使用流量控制(可設(shè)為0.1 m3)，SALE_3、SALE_4 處使用壓力控制(當(dāng)?shù)卮髿鈮?。

圖1 所示模型有兩個(gè)放空點(diǎn)，如需增加放空點(diǎn)，應(yīng)用軟件加入即可。

2.3. 基本參數(shù)

1) 放空壓力放空溫度見(jiàn)實(shí)際站場(chǎng)放空條件；

2) 放空各管段參數(shù)見(jiàn)實(shí)際站場(chǎng)；

3) 放空管線(xiàn)的管徑。

3. 仿真模型的驗(yàn)證

3.1. 模型驗(yàn)證1

某壓氣站放空壓力為8.09 MPa，放空溫度為21.38℃；

放空管段管外徑、壁厚、管長(zhǎng)分別為：1016 mm、18.4 mm、41 M；914 mm、25 mm、105 M； 放空管線(xiàn)的管徑D114.3 × 8，經(jīng)過(guò)查表得出旋塞閥的閥門(mén)系數(shù)約為25 m3/HR-KPa。

當(dāng)天實(shí)際作業(yè)中，開(kāi)始作業(yè)后每個(gè)時(shí)刻閥門(mén)的開(kāi)度及所持續(xù)放空完成時(shí)間如下：實(shí)際放空完成時(shí)間約35 分鐘，閥門(mén)開(kāi)30%維持約12 分鐘，閥門(mén)開(kāi)40%維持了約13 分鐘，閥門(mén)全開(kāi)維持了約10 分鐘。

根據(jù)上述條件設(shè)定仿真模型參數(shù)，操作步驟如下：

1) 打開(kāi)BV_1、BV_2 運(yùn)行一段時(shí)間(可任意設(shè)定，本仿真中設(shè)為30 min)；

2) 關(guān)閉BV_1、BV_2，打開(kāi)BV_3；

3) 按照上述實(shí)際設(shè)定RG_1 開(kāi)度；

Figure 2. Venting pressure-time (comparison with the actual situation) 1 圖2. 放空壓力-時(shí)間曲線(xiàn)1 (與實(shí)際對(duì)比)

由圖2 可得：放空時(shí)間約36 min，其仿真所得放空時(shí)間與實(shí)際放空時(shí)間基本吻合，誤差約3%。

3.2. 模型驗(yàn)證2

某壓氣站放空壓力為4.46 MPa，放空溫度為23.18℃；

放空各管段容積約310 m3；

放空管線(xiàn)的管徑D114.3 × 8，經(jīng)過(guò)查表得出閥門(mén)系數(shù)約為25 m3/HR-KPa。

在模型仿真過(guò)程中，設(shè)定管線(xiàn)內(nèi)壓力為3 MPa 以上時(shí)RG_1、RG_2 開(kāi)度為25%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為2 MPa至3 MPa 時(shí)RG_1、RG_2 開(kāi)度為30%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為1 MPa 至2 MPa 時(shí)RG_1、RG_2 開(kāi)度為35%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為0.5 MPa 至1 MPa 時(shí)RG_1、RG_2 開(kāi)度為50%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為0.1 MPa 至0.5 MPa 時(shí)RG_1、RG_2 開(kāi)度為100%。

根據(jù)上述條件設(shè)定仿真模型參數(shù)，操作步驟如下：

1) 打開(kāi)BV_1、BV_2 運(yùn)行一段時(shí)間(本仿真中設(shè)為30 min)；

2) 關(guān)閉BV_1、BV_2，打開(kāi)BV_3、BV_4；

3) 按照上述實(shí)際設(shè)定RG_1 、RG_2 開(kāi)度；

將超聲技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)阻滯進(jìn)程中，能促使周?chē)窠?jīng)可視化，進(jìn)而促使神經(jīng)阻滯的有效率相應(yīng)提升。當(dāng)下，超聲技術(shù)在神經(jīng)阻滯麻醉應(yīng)用范疇不斷拓展，其具有二維分辨率高的優(yōu)勢(shì)，多普勒效應(yīng)能檢測(cè)出低血流信號(hào)，超聲技術(shù)聯(lián)合神經(jīng)刺激儀進(jìn)行神經(jīng)阻滯，能夠協(xié)助麻醉醫(yī)生全過(guò)程均能看到針的移動(dòng)情況，觀(guān)察麻醉的散布情況，有助于明顯提升阻滯神經(jīng)定位的精確性，對(duì)血管、神經(jīng)基本不產(chǎn)生影響，術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間較為短暫。對(duì)于股神經(jīng)，閉孔神經(jīng)等位置相對(duì)較淺的神經(jīng)，若單獨(dú)使用神經(jīng)刺激儀，那么神經(jīng)具體位置確認(rèn)難度較大、阻滯成功率較低、術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)、神經(jīng)阻滯見(jiàn)效時(shí)間較長(zhǎng)且并發(fā)癥發(fā)生率較高[2]。

4) 仿真得到該站放空壓力-時(shí)間曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

Figure 3. Venting pressure-time (comparison with the actual situation) 2 圖3. 放空壓力-時(shí)間曲線(xiàn)2 (與實(shí)際對(duì)比)

由圖3 可得：該設(shè)定條件下的放空時(shí)間約64 min，而根據(jù)上述設(shè)定所得放空時(shí)間約60 min，兩者誤差約5%。

由上述兩驗(yàn)證可得：該模型仿真所得放空時(shí)間與高壓天然氣站場(chǎng)放空時(shí)間基本吻合，故該模型可用于高壓天然氣放空時(shí)間優(yōu)化的研究。

誤差原因分析：1) 旋塞閥的閥門(mén)系數(shù)精確度不夠；2) 旋塞閥沒(méi)有閥門(mén)開(kāi)度指示，現(xiàn)場(chǎng)人員在實(shí)際操作中憑借對(duì)閥位指示盤(pán)進(jìn)行觀(guān)察，以確定閥門(mén)開(kāi)度，無(wú)法做到精確控制閥門(mén)的開(kāi)度。

4. 放空時(shí)間優(yōu)化研究

在研究站場(chǎng)放空時(shí)間優(yōu)化時(shí)，需設(shè)定某一確定基本條件，而后分析某一影響因素改變時(shí)放空時(shí)間的變化，并在保證站場(chǎng)放空火炬在其最大安全高度以?xún)?nèi)時(shí)取得最低的放空時(shí)間。

4.1. 放空點(diǎn)數(shù)

站場(chǎng)放空火炬的最大安全高度約為33.4 m [14]。在上述模型驗(yàn)證2 中，兩調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度嚴(yán)格控制在最高安全高度。

4.1.1. 一個(gè)放空點(diǎn)

以模型驗(yàn)證2 中基本參數(shù)為基礎(chǔ)，僅開(kāi)一路放空，在嚴(yán)格控制最高安全高度時(shí)所得調(diào)節(jié)閥開(kāi)度設(shè)定如下：管線(xiàn)內(nèi)壓力為4 MPa 以上時(shí)RG_1 開(kāi)度為31%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為3.5 MPa 至4 MPa 時(shí)RG_1 開(kāi)度為34%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為3 MPa 至3.5 MPa 時(shí)RG_1 開(kāi)度為39%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為2.5 MPa 至3 MPa 時(shí)RG_1開(kāi)度為45%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為1.5 MPa 至2.5 MPa 時(shí)RG_1 開(kāi)度為55%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為0.5 MPa 至1.5 MPa時(shí)RG_1 開(kāi)度為65%。管線(xiàn)內(nèi)壓力為0.1 MPa 至0.5 MPa 時(shí)RG_1 開(kāi)度為100%。

根據(jù)上述條件設(shè)定仿真模型參數(shù)，操作步驟如下：

1) 打開(kāi)BV_1、BV_2 運(yùn)行一段時(shí)間(本仿真中設(shè)為30 min)；

2) 關(guān)閉BV_1、BV_2，打開(kāi)BV_4；

3) 按照上述實(shí)際設(shè)定RG_1 開(kāi)度；

4) 仿真得到該站放空壓力-時(shí)間曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。

Figure 4. Venting pressure-time (a venting point) 圖4. 放空壓力-時(shí)間曲線(xiàn)(1 個(gè)放空點(diǎn))

由圖4 可得，僅站一個(gè)放空點(diǎn)場(chǎng)放空火炬的最大安全高度以?xún)?nèi)時(shí)取得的模擬放空時(shí)間是68 min。

4.1.2. 三個(gè)放空點(diǎn)

以模型驗(yàn)證2 中基本參數(shù)為基礎(chǔ)，并增加RG_3、BV_5 與SALE5，在嚴(yán)格控制最高安全高度時(shí)所得調(diào)節(jié)閥開(kāi)度設(shè)定如下：管線(xiàn)內(nèi)壓力為3 MPa 以上時(shí)RG_1、RG_2、RG_3 開(kāi)度為17%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為2 MPa至3 MPa 時(shí)RG_1、RG_2、RG_3 開(kāi)度為21%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為1 MPa 至2 MPa 時(shí)RG_1、RG_2、RG_3開(kāi)度為24%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為0.5 MPa 至1 MPa 時(shí)RG_1、RG_2、RG_3 開(kāi)度為35%；管線(xiàn)內(nèi)壓力為0.1 MPa至0.5 MPa 時(shí)RG_1、RG_2、RG_3 開(kāi)度為100%。

根據(jù)上述條件設(shè)定仿真模型參數(shù)，操作步驟如下：

1) 打開(kāi)BV_1、BV_2 運(yùn)行一段時(shí)間(本仿真中設(shè)為30 min)；

2) 關(guān)閉BV_1、BV_2，打開(kāi)BV_3、BV_4、BV_5；

3) 按照上述實(shí)際設(shè)定RG_1、RG_2、RG_3 開(kāi)度；

4) 仿真得到該站放空壓力-時(shí)間曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。

Figure 5. Venting pressure-time (three venting points) 圖5. 放空壓力-時(shí)間曲線(xiàn)(3 個(gè)放空點(diǎn))

由圖5 可得，三個(gè)放空點(diǎn)放空火炬的最大安全高度以?xún)?nèi)時(shí)取得的模擬放空時(shí)間是58 min。

綜上所述：就該站設(shè)定基本參數(shù)下，在嚴(yán)格控制放空火焰最高安全高度下，放空點(diǎn)越多，理論上是放空時(shí)間越短，但當(dāng)放空點(diǎn)數(shù)在二個(gè)與三個(gè)時(shí)，放空時(shí)間相差無(wú)幾，故結(jié)合操作時(shí)放空點(diǎn)越多，安全隱患越多，建議在實(shí)際站場(chǎng)放空中優(yōu)先選擇兩個(gè)放空點(diǎn)進(jìn)行放空。

4.2. 管段壓力下降速率

管段壓力下降速率與放空管段的管容、初始?jí)毫?、初始溫度有關(guān)，本文僅分析驗(yàn)證2 前提下的管段壓力下降速率

4.2.1. 一個(gè)放空點(diǎn)

在嚴(yán)格控制放空火焰最高安全高度下，按照4.1.1 的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度設(shè)置與操作步驟進(jìn)行仿真?？傻霉芫€(xiàn)中管段壓力下降速率隨管段內(nèi)壓力下降而降低，其中在管段內(nèi)壓力壓力從4.45 MPa 降至1 MPa 時(shí)的管段壓力下降速率為約6 KPa/3s。

4.2.2. 二個(gè)放空點(diǎn)

在嚴(yán)格控制放空火焰最高安全高度下，按照模型驗(yàn)證2 的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度設(shè)置與操作步驟進(jìn)行仿真?？傻霉芫€(xiàn)中管段壓力下降速率隨管段內(nèi)壓力下降而降低，其中在管段內(nèi)壓力壓力從4.45 MPa 降至1 MPa 時(shí)的管段壓力下降速率為約7 KPa/3s。

4.2.3. 三個(gè)放空點(diǎn)

在嚴(yán)格控制放空火焰最高安全高度下，按照4.1.2 的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度設(shè)置與操作步驟進(jìn)行仿真。可得管線(xiàn)中管段壓力下降速率隨管段內(nèi)壓力下降而降低，其中在管段內(nèi)壓力壓力從4.45 MPa 降至1 MPa 時(shí)的管段壓力下降速率為約7 KPa/3s。

綜上所述：就該站設(shè)定基本參數(shù)下，在嚴(yán)格控制放空火焰最高安全高度下，放空點(diǎn)較多時(shí)管段壓力下降速率比放空點(diǎn)較少時(shí)略大，而放空點(diǎn)越多，安全隱患就越多，故建議優(yōu)先選擇兩個(gè)放空點(diǎn)進(jìn)行放空。

5. 結(jié)論

1) 在站場(chǎng)設(shè)定基本參數(shù)下，該模型的模擬放空時(shí)間和實(shí)際放空間時(shí)間對(duì)比時(shí)存在一定誤差，其主要原因是：① 旋塞閥的閥門(mén)系數(shù)精確度不夠；② 旋塞閥沒(méi)有閥門(mén)開(kāi)度指示，現(xiàn)場(chǎng)人員在實(shí)際操作中憑借對(duì)閥位指示盤(pán)進(jìn)行觀(guān)察，以確定閥門(mén)開(kāi)度，無(wú)法做到精確控制閥門(mén)的開(kāi)度；該誤差在可接受范圍內(nèi)，故該模型模擬得到的放空時(shí)間可以對(duì)實(shí)際的放空作業(yè)有參考價(jià)值；

2) 在站場(chǎng)設(shè)定基本參數(shù)下，可利用該模型進(jìn)行預(yù)先模擬，在嚴(yán)格控制放空火焰最高安全高度下，通過(guò)改變放空點(diǎn)數(shù)與控制管段壓力下降速率使得放空時(shí)間得到優(yōu)化；

3) 在站場(chǎng)設(shè)定基本參數(shù)下，在嚴(yán)格控制放空火焰最高安全高度下，放空點(diǎn)越多，理論上是放空時(shí)間越短，但當(dāng)放空點(diǎn)數(shù)在二個(gè)與三個(gè)時(shí)，放空時(shí)間相差無(wú)幾，故結(jié)合操作安全隱患方面考慮建議在實(shí)際站場(chǎng)放空中優(yōu)先選擇兩個(gè)放空點(diǎn)進(jìn)行放空；

4) 在上述4.2 站場(chǎng)設(shè)定基本參數(shù)下，在嚴(yán)格控制放空火焰最高安全高度下，放空點(diǎn)較多時(shí)管段壓力下降速率比放空點(diǎn)較少時(shí)略大，單從放空管段壓力下降速率與操作安全隱患方面考慮，建議在實(shí)際站場(chǎng)放空中優(yōu)先選擇兩個(gè)放空點(diǎn)進(jìn)行放空；

5) 放空管段壓力下降速率在初始?jí)毫Σ煌瑫r(shí)不一致，如需獲得其值需用該模型結(jié)合操作步驟進(jìn)行模擬。