天然氣長輸管道壓氣站最大操作壓力研究

張雙蕾 明 亮 李 巧 陳 鳳 譚婉依

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 國家管網(wǎng)粵東液化天然氣有限責(zé)任公司, 廣東 揭陽 515225

0 前言

中國大輸量、長距離天然氣輸送管道的設(shè)計(jì)壓力通常為12 MPa和10 MPa,如西氣東輸管道系統(tǒng)、陜京天然氣管道系統(tǒng)等。針對(duì)設(shè)計(jì)壓力為12 MPa的管道系統(tǒng),其壓氣站的壓縮機(jī)出口壓力一般設(shè)為11.85 MPa;針對(duì)設(shè)計(jì)壓力為10 MPa的管道系統(tǒng),其壓氣站的壓縮機(jī)出口壓力一般設(shè)為9.85 MPa[1-4]。但是這樣的運(yùn)行壓力設(shè)定值是否合適,一直未得到論證。從提高輸送能力、增加管輸經(jīng)濟(jì)效益的角度,運(yùn)行壓力越接近設(shè)計(jì)壓力越有利；但從安全運(yùn)行、避免事故發(fā)生時(shí)壓力變化范圍超出規(guī)范允許值的角度,運(yùn)行壓力與設(shè)計(jì)壓力之間又需要留有一定的裕量。合理地確定預(yù)留裕量,對(duì)保證長輸管道系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

1 國內(nèi)外規(guī)范定義

1.1 GB 50251

中國的天然氣長輸管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,站場的壓力設(shè)計(jì)通常與線路管道一致,都遵循GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB 50251)[5-7]。該規(guī)范最新版(2015版)規(guī)定:1)設(shè)計(jì)壓力(DP),在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下,用以確定管道計(jì)算壁厚及其他元件尺寸的壓力值;2)最大允許操作壓力(MAOP),管道系統(tǒng)遵循本規(guī)范規(guī)定,所能連續(xù)操作的最大壓力,等于或小于設(shè)計(jì)壓力(DP);3)最大操作壓力(MOP),在正常操作條件下,管道系統(tǒng)中的最大實(shí)際操作壓力[8]。

1.2 ASME B31.8

GB 50251編制時(shí),在管道壁厚計(jì)算及強(qiáng)度試壓等方面主要參考了ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》(以下簡稱ASME B31.8)[9-12],而ASME B31.8也被國際長輸天然氣管道項(xiàng)目廣泛采用,因此研究該標(biāo)準(zhǔn)中各壓力的定義,有利于從源頭上進(jìn)一步提高認(rèn)識(shí)和理解。該規(guī)范最新版(2016版)規(guī)定:1)設(shè)計(jì)壓力(DP),本規(guī)范允許的最大壓力,按所用材料和所在地區(qū)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程確定,用于管道元件壓力設(shè)計(jì)的計(jì)算或分析;2)最大允許操作壓力(MAOP),根據(jù)本規(guī)范規(guī)定,某一管道系統(tǒng)可以操作的最大壓力;3)最大操作壓力(MOP),系統(tǒng)正常操作周期內(nèi),某一管道系統(tǒng)中的最大操作壓力,有時(shí)亦稱為最大實(shí)際操作壓力[13]。

ASME B31.8—2016中845.2.2條款規(guī)定，MAOP不得超過該條款(a)～(d)項(xiàng)描述的四種壓力中的較低者,其中(a)項(xiàng)就是干線或集管最薄弱元件的設(shè)計(jì)壓力。假設(shè)管道上所有管件、閥門及其他附屬設(shè)備均具有足夠的壓力等級(jí),則干線或集管的MAOP就應(yīng)該是DP。

1.3 ISO 13623

ISO 13623《石油天然氣工業(yè)——管道輸送系統(tǒng)》(以下簡稱ISO 13623)被GB/T 24259《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)》等同采用，同樣也被廣泛應(yīng)用于長輸管道設(shè)計(jì)[14-15]。該標(biāo)準(zhǔn)最新版(2017版)規(guī)定:1)設(shè)計(jì)壓力(DP),按照本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的管道系統(tǒng)中承壓部件的最大內(nèi)壓力;2)最大允許操作壓力(MAOP),管道系統(tǒng)或其部件按照本標(biāo)準(zhǔn)要求允許操作的最大壓力[16]。

ISO 13623：2017中6.3.2.2條款規(guī)定，管道系統(tǒng)中的任何一點(diǎn)的DP應(yīng)等于或大于MAOP。

1.4 CSA—Z662

加拿大國家標(biāo)準(zhǔn)CSA—Z662《石油和天然氣管線系統(tǒng)》(以下簡稱CSA—Z662)中也定義了DP和MOP[17]。該標(biāo)準(zhǔn)最新版(2019版)4.2.1.1條款規(guī)定:管道系統(tǒng)的DP不應(yīng)低于其MOP,MOP最終由此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓力試驗(yàn)確定。結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)4.18條款(管道壓力控制和超壓保護(hù))以及第8章節(jié)(壓力試驗(yàn))來看,該標(biāo)準(zhǔn)中的MOP含義更傾向于ASME B31.8及ISO 13623中的MAOP的含義。鑒于CSA—Z662在編制時(shí)也大量引用了ASME油氣管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求,且在引標(biāo)時(shí),將MOP這一實(shí)際上是操作特性的概念與機(jī)械能力極限有所混淆,因此在對(duì)幾個(gè)壓力概念追根溯源的研究上,參考意義不大[18]。

綜上,國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的長輸管道系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中,都明確了DP≥MAOP。即在正常操作情況下,DP不允許被超過。但MOP與MAOP或者DP之間的裕量并未強(qiáng)制要求。

2 對(duì)瞬時(shí)超壓的要求

DP是長輸管道系統(tǒng)允許運(yùn)行的最大內(nèi)壓。一旦運(yùn)行壓力超過DP,就認(rèn)為是發(fā)生了超壓工況。正常情況下不允許系統(tǒng)超壓運(yùn)行,但事故工況下,系統(tǒng)可能發(fā)生超壓,此時(shí)的超壓在一定條件下可以接受。ISO 13623：2017中6.3.2.2條款規(guī)定，瞬變條件下壓力允許超過MAOP,只要其頻率和持續(xù)時(shí)間有限,且瞬變壓力的超壓值應(yīng)不大于MAOP的10%。類似的,ASME B31.8—2016中843.3.4條款規(guī)定,在壓氣站中,應(yīng)配備和維持有足夠泄放能力和靈敏度的泄壓裝置或其他適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置,保證壓氣站管道和設(shè)備的MAOP不被超過10%(對(duì)于一些特殊情況,110% MAOP的限制會(huì)降低為104% MAOP或其他,詳見ASME B31.8—2016中843.3.4和845.4.1條款,此處不再贅述)。

可見,事故工況下,對(duì)于偶發(fā)的、短時(shí)的，且壓力不超過一定上限的超壓情況是可以接受的,這個(gè)上限,在殼牌公司發(fā)布的DEP 31.40.10.14《管線超壓保護(hù)》規(guī)定中,又被稱為MAIP,即事故工況下瞬時(shí)最大允許壓力[19]。

對(duì)于長輸管道系統(tǒng)而言,超壓通常發(fā)生在壓氣站的壓縮機(jī)出口管道,即由于壓縮機(jī)超壓運(yùn)行或壓氣站出站截?cái)嚅y、下游相鄰閥室截?cái)嚅y誤關(guān)斷,但壓縮機(jī)未及時(shí)停機(jī)導(dǎo)致部分管路超壓。因此,要確定長輸管道系統(tǒng)的MOP,問題的關(guān)鍵在于,以該MOP運(yùn)行的壓縮機(jī)一旦發(fā)生事故,壓氣站內(nèi)的超壓保護(hù)措施,是否能讓超壓壓力被限制在MAIP范圍內(nèi)。

3 動(dòng)態(tài)工況模擬

3.1 模型建立

某天然氣長輸管道工程DP=10 MPa,取MAOP=DP,線路管徑DN1 000,輸量4 940×104m3/d。壓氣站采用儀表保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行超壓保護(hù),壓縮機(jī)出口MOP=9.85 MPa。用SPS軟件進(jìn)行管道系統(tǒng)事故工況下的動(dòng)態(tài)模擬,模型截圖見圖1。

圖1 某天然氣長輸管道系統(tǒng)SPS模型截圖Fig.1 SPS model capture of a long-distance natural gas pipeline

設(shè)定壓縮機(jī)為出口壓力控制模式,防喘閥自動(dòng)控制。壓氣站壓力高報(bào)警值PH=102%DP=10.2 MPa,PH被觸發(fā)時(shí),壓縮機(jī)會(huì)減速運(yùn)行。超壓緊急關(guān)斷值PHH=105%DP=10.5 MPa,PHH被觸發(fā)時(shí),壓縮機(jī)緊急停機(jī),進(jìn)出站ESD閥關(guān)斷。截?cái)嚅y關(guān)斷時(shí)間為60 s,下游相鄰閥室距離該壓氣站8 km。

3.2 工況模擬

3.2.1 工況1

工況1為下游閥室誤關(guān)斷。由于下游閥室誤關(guān)斷,導(dǎo)致壓氣站出站到下游閥室8 km的管道內(nèi)壓力快速上升,同時(shí)流量和壓力的變化導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)快速靠近喘振線,壓縮機(jī)組防喘閥自動(dòng)開啟打回流,之后壓縮機(jī)出口壓力回落。整個(gè)過程壓縮機(jī)出口最高壓力為10.14 MPa,未觸發(fā)壓氣站高壓報(bào)警及ESD。工況1壓縮機(jī)出口壓力隨時(shí)間變化情況見圖2。

圖2 工況1壓縮機(jī)出口壓力隨時(shí)間變化情況圖Fig.2 Discharge pressure-time plot for case 1

3.2.2 工況2

工況2為壓氣站出站閥誤關(guān)斷。由于壓氣站出口截?cái)嚅y誤關(guān)斷,導(dǎo)致壓縮機(jī)出口到壓氣站出站的管道內(nèi)壓力急速上升,達(dá)到10.2 MPa,觸發(fā)壓氣站高壓報(bào)警,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低,但由于轉(zhuǎn)速降低對(duì)壓力緩解效果有限,壓力會(huì)繼續(xù)上升,與此同時(shí),流量和壓力的變化導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)快速靠近喘振線,壓縮機(jī)組防喘閥自動(dòng)開啟打回流,使壓縮機(jī)出口壓力回落。整個(gè)過程壓縮機(jī)出口最高壓力為10.45 MPa,未觸發(fā)壓氣站ESD。工況2壓縮機(jī)出口壓力隨時(shí)間變化情況見圖3。

圖3 工況2壓縮機(jī)出口壓力隨時(shí)間變化情況圖Fig.3 Discharge pressure-time plot for case 2

3.2.3 工況3

工況3為壓氣站出站閥誤關(guān)斷,保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)延遲。在工況2的基礎(chǔ)上,若壓縮機(jī)出口到出站閥的管容較小、防喘閥選型不合適或防喘回路設(shè)計(jì)不合理等,均可能導(dǎo)致防喘閥開啟前壓力已超過10.5 MPa并觸發(fā)壓氣站ESD。ESD被觸發(fā)后,防喘閥將開啟，機(jī)組將停機(jī),但就本算例而言,通過試算發(fā)現(xiàn),如果超壓保護(hù)系統(tǒng)的各軟件、硬件的響應(yīng)和配合不能在8 s內(nèi)有效終止增壓過程,則壓縮機(jī)出口壓力會(huì)從10.5 MPa繼續(xù)上升到11 MPa,超過110% MAOP(此算例MAOP=DP)的限制。

ESD被觸發(fā)后,超壓保護(hù)系統(tǒng)延遲8 s作用造成的壓力隨時(shí)間變化見圖4。

圖4 工況3壓縮機(jī)出口壓力隨時(shí)間變化圖Fig.4 Discharge pressure-time plot for case 3

3.3 小結(jié)

本算例中,按照國內(nèi)大多數(shù)天然氣長輸管道壓氣站報(bào)警值和緊急關(guān)斷值的設(shè)定,設(shè)置PH=102%DP=10.2 MPa；PHH=105%DP=10.5 MPa。

由模擬可知,在這樣的設(shè)置下,若壓縮機(jī)出口壓力按MOP=9.85 MPa運(yùn)行,在防喘系統(tǒng)選型合適的前提下,可以緩解下游閥室誤關(guān)斷造成的超壓;而在8 s內(nèi)超壓保護(hù)系統(tǒng)能正確完成響應(yīng)并執(zhí)行的前提下,可以將壓氣站出站閥誤關(guān)斷造成的超壓限制在110% MAOP內(nèi)。因此，該MOP設(shè)置是合理的。

4 正常壓力波動(dòng)情況

為研究能否將MOP進(jìn)一步提升至設(shè)計(jì)壓力,調(diào)研了某長輸管道幾座壓氣站實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù),截取其中4 d的出站壓力數(shù)據(jù),見圖5。

圖5 某長輸管道壓氣站出站壓力波動(dòng)圖Fig.5 Pressure fluctuation of compressor station outlet

由圖5可見，在正常情況下,壓氣站出站壓力的波動(dòng)在0.1～0.2 MPa。如果要繼續(xù)縮小MOP與DP之間的裕量,則在保證超壓保護(hù)裝置能夠有效保護(hù)系統(tǒng)、限制壓力的同時(shí),還要在日常實(shí)際運(yùn)行過程中精確控制MOP,使其不會(huì)因波動(dòng)超過設(shè)計(jì)壓力。

另外,通常為了避免壓力正常波動(dòng)引發(fā)的誤報(bào)警、誤動(dòng)作,PH、PHH與MOP之間也會(huì)有一定裕量[20-21]。如果MOP提高,PH和PHH也應(yīng)隨之提高,造成PHH與110% MAOP之間的裕量縮小,一旦發(fā)生事故,對(duì)超壓保護(hù)系統(tǒng)的要求更高。

5 結(jié)論

通過梳理國內(nèi)外天然氣長輸管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中設(shè)計(jì)壓力DP、MAOP、MOP的定義及關(guān)系,結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬分析及現(xiàn)場正常操作情況下實(shí)際運(yùn)行壓力波動(dòng)情況,得出以下結(jié)論。

1)正常運(yùn)行時(shí),管道運(yùn)行壓力不應(yīng)超過DP(對(duì)于舊管道,應(yīng)做完整性管道評(píng)估,管道運(yùn)行壓力不應(yīng)超過MAOP)。

2)天然氣長輸管道系統(tǒng)的超壓通常是由于壓縮機(jī)超壓運(yùn)行或壓氣站出站截?cái)嚅y、下游閥室截?cái)嚅y誤關(guān)斷,但壓縮機(jī)未及時(shí)停機(jī)導(dǎo)致部分管路超壓。ASME B31.8及ISO 13623均明確,在事故工況下,管道的瞬時(shí)運(yùn)行壓力不應(yīng)超過110%MAOP(對(duì)于新管道,可認(rèn)為MAOP=DP)。

3)考慮到現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行壓力的正常波動(dòng)為0.1～0.2 MPa,在以往設(shè)計(jì)中,壓縮機(jī)出口MOP與DP之間留有0.15 MPa的裕量較合理。

4)若要進(jìn)一步縮小MOP與DP之間的裕量,一方面需要合理設(shè)計(jì)防喘保護(hù)系統(tǒng)、超壓保護(hù)系統(tǒng),保證其能充分發(fā)揮保護(hù)作用；另一方面需要在日常運(yùn)行中做到精確控制,減小MOP的正常波動(dòng)。同時(shí),建議根據(jù)工程實(shí)際情況,運(yùn)用事故工況下管道瞬時(shí)運(yùn)行壓力≤110%MAOP的限制條件反推MOP進(jìn)行評(píng)估論證。