相國寺儲氣庫干線閥室截斷閾值探究

湯 丁

中國石油西南油氣田公司儲氣庫管理處

0 引言

目前，國內(nèi)大部分長輸干線上均安裝了線路截斷閥，當發(fā)生管道泄漏等事故時，閥門可自動關(guān)斷，從而減少事故損失、降低事故后果。以目前應(yīng)用最為廣泛的Shafer氣液聯(lián)動閥為例[1-3]，當管線發(fā)生泄漏或爆管時，閥門可監(jiān)測到管道兩端的壓力不斷下降，當壓降速率達到事先設(shè)定的低壓限值會進行報警，當達到高壓限值并持續(xù)一定時間后，會執(zhí)行閥門緊急截斷操作[4]。

合理設(shè)定閥室壓降截斷閾值和延遲時間是管道正常安全運行的關(guān)鍵[5-6]。國內(nèi)西部、華北某些輸氣管道等管線也報道了多例因截斷閥參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致的閥門誤關(guān)斷或不關(guān)斷的事件[7-10]。相國寺儲氣庫注氣干線也曾由于壓降速率限值設(shè)置不合理、未設(shè)置延遲時間，因壓縮機抽吸引起壓降波動而造成出站球閥誤關(guān)斷。而目前國內(nèi)外對于如何區(qū)分管道泄漏與壓縮機抽吸引起的壓降速率的差異報道較少，且對于全線閥室截斷參數(shù)一般都取國外經(jīng)驗值[11-12]，難以有針對性地對不同管線及泄漏工況進行合理截斷。

筆者以相國寺儲氣庫的集輸干線—銅相線為對象，采用Pipeline Studio軟件[13-15]建立銅相線管線仿真模型，開展了管線在泄漏及壓縮機抽吸工況下的閥室壓降速率研究。提出了不同泄漏工況下的閥室截斷參數(shù)，以及有效區(qū)分壓縮機抽吸與管道泄漏的截斷閥壓降速率取值范圍及延遲時間。

1 管道動態(tài)仿真模型建立

根據(jù)銅相線實際站場布置情況，沿線管道實際高程與里程建立銅相線管道仿真模型（圖1）。以2018—2020年相國寺儲氣庫銅相線實際運行參數(shù)為依據(jù)，對銅相線仿真模型驗證結(jié)果如表1所示，其平均誤差僅為0.9%，與現(xiàn)場情況一致。銅相線全長84.2 km，管道內(nèi)徑784.6 mm，壁厚14.2 mm，管道沿線高程、里程圖如圖2所示。正輸情況下，起點為集注站，終點為銅梁站；反輸時為銅梁站—集注站方向。正輸時，起點以運行壓力，終點以日輸氣量為邊界條件；反輸時邊界條件相反。

圖1 銅相線仿真模型示意圖

表1 銅相線仿真模型結(jié)果校核表

圖2 銅相線沿線高程、里程圖

泄漏仿真模型在銅相線管道仿真模型基礎(chǔ)上，增加泄漏元件用以模擬位于兩閥室間的泄漏點，設(shè)定泄漏孔徑在第3 min時達到最大值，模擬總時長為30 min；壓縮機抽吸模型在銅相線管道仿真模型基礎(chǔ)上設(shè)置壓縮機組1套，以起點銅梁站日輸氣量、終點集注站壓力為模型中的指定邊界條件。

2 泄漏工況壓降速率特征分析

由于泄漏點上下游閥室壓降速率由多種因素綜合影響[16-18]。結(jié)合管道2018—2020年的實際運行參數(shù)，選定靜觀—土場閥室段，分析管道運行壓力、輸量、泄漏孔徑以及泄漏位置對壓降速率的影響。

2.1 不同壓力、輸量條件下壓降速率曲線對比

設(shè)定泄漏孔徑為125 mm，泄漏點位于靜—土兩閥室中間，分別模擬了包含正輸、反輸，不同起點壓力和輸量條件下共4種工況，繪制上下游閥室的壓降曲線（圖3）?？梢姡敆l件下相同工況時，下游閥室最大壓降速率高于上游閥室；運行壓力越高，閥室最大壓降速率越大，泄漏工況更易被檢測。反輸條件下的壓降特征與正輸相同。此外，由于泄漏孔徑從0 時開始增大，第3 min后達到最大，故最大泄漏發(fā)生在第3 min時，這段時間內(nèi)管道已泄放一些氣體，第3 min后壓降速率開始下降，第10 min后壓降速率變化趨于平緩。在第3～10 min閥室壓降變化非常明顯，尤其是第3～5 min壓降變化幾乎占壓降下降值的一半。

圖3 不同壓力、輸量條件下閥室壓降速率變化圖

通過仿真還發(fā)現(xiàn)，當保持管道起點壓力不變時，改變輸量，閥室的壓降速率變化很小，較之壓力變化，輸量變化對壓降的影響略小。

結(jié)合管道實際運行工況與事故工況，當管線出現(xiàn)壓降速率異常增大并持續(xù)一定時間，則認為存在泄漏現(xiàn)象[19-20]。目前，Shafer氣液聯(lián)動閥的延遲時間一般設(shè)置為60～180 s，同時文獻[2,16]表明延遲時間一般設(shè)置為100～120 s。結(jié)合本次模擬得到的壓降曲線圖，在第3～5 min壓降速率迅速下降，為保證安全及防止誤關(guān)斷動作的發(fā)生，即以最大泄漏發(fā)生時刻在第3 min后，持續(xù)時間達到2 min的最小壓降速率作為閥室壓降速率閾值推薦值，給出靜觀—土場段閥室截斷閾值參考值（表2）。

表2 不同壓力、輸量下閥室壓降速率推薦截斷閾值表

2.2 不同泄漏孔徑條件下壓降速率曲線對比

選定運行壓力7.83 MPa，輸量1 712×104m3/d，泄漏點位于兩閥室中間。分別模擬了泄漏孔徑為25 mm、50 mm、80 mm、125 mm、300 mm泄漏工況的壓降速率曲線（圖4）。明顯可見，泄漏孔徑越大，閥室總體壓降速率越大，且下游閥室總體壓降速率高于上游閥室。閥室壓降曲線變化趨勢與2.1中相同，壓降速率均在第3～10 min內(nèi)閥室壓降下降明顯，在第10 min后趨于平緩。

圖4 不同泄漏孔徑條件下的閥室壓降速率變化圖

與前文研究思路相同，考慮到壓降曲線變化趨勢，結(jié)合Shafer氣液聯(lián)動閥延遲時間設(shè)置與文獻[2，16，21]中延遲時間一般設(shè)置為100～120 s，以最大泄漏發(fā)生后持續(xù)時間達到2 min的最小壓降速率作為閥室壓降速率閾值推薦值，給出了不同泄漏孔徑條件下靜觀—土場段閥室截斷閾值參考值（表3）。

表3 不同泄漏孔徑條件下閥室壓降速率推薦截斷閾值表

2.3 不同泄漏位置條件下壓降速率曲線對比

選定運行壓力7.83 MPa，輸量1 712×104m3/d，泄漏孔徑80 mm。分別模擬泄漏點位置為距上游閥室（靜觀閥室）相對距離10%、30%、50%、70%的閥室壓降速率曲線（圖5）?？梢娦孤c距離截斷閥室越近，該閥室的壓降速率越大，達到最大值的時間越快，且對最大壓降速率的影響非常顯著。閥室壓降曲線變化趨勢也與前文相同，均在第3～10 min內(nèi)閥室壓降下降明顯，第10 min后趨于平緩。

圖5 不同泄漏位置條件下閥室壓降速率變化圖

延遲時間的設(shè)置與前述依據(jù)相同，以最大泄漏發(fā)生后持續(xù)時間達到2 min的最小壓降速率作為閥室壓降速率閾值推薦值，閾值的確定選擇上下游閥室壓降速率值更小的一個，可以保證不同位置發(fā)生泄漏事故時閥室能及時截斷[22]，不至于誤動作。為此給出了不同泄漏位置條件下靜觀—土場段閥室截斷閾值參考值（表4）。

表4 不同泄漏位置下游閥室壓降速率推薦截斷閾值表

3 壓縮機抽吸工況壓降特征分析

管道在正常運行時由于壓縮機抽吸會產(chǎn)生一定程度的壓降。設(shè)定壓縮機在第5 min時開啟，持續(xù)時間為35 min，起點壓力8.69 MPa，輸量352×104m3/d，壓縮比分別為1.75、2.00、2.50、3.00，得到各閥室最大壓降速率值（表5）。當壓縮比為1.75時的閥室壓降速率曲線如圖6所示。

表5 各閥室最大壓降速率值單位：kPa/min

4 閥室關(guān)斷閾值分析

通過圖6與圖3、4、5壓降特征信號的對比，發(fā)現(xiàn)壓縮機抽吸工況下高壓降值持續(xù)時間非常短，與普通泄漏工況有明顯的區(qū)別。

圖6 銅相線沿程各閥室壓降速率變化圖

依據(jù)上述結(jié)論，對比了兩種工況下閥室壓降速率超過0.03 MPa/min的持續(xù)時間（表6）。泄漏工況模擬條件為：起點壓力7.4 MPa、輸量2 089×104m3/d、泄漏點位置為距上游閥室相對距離的30%、泄漏孔徑125 mm。壓縮機抽吸工況模擬條件為：起點壓力8.69 MPa、輸量352×104m3/d，壓縮比1.75。

表6 各閥室壓降速率超過0.03 MPa/min的持續(xù)時間統(tǒng)計表

通過表6可知因壓縮機抽吸導(dǎo)致的閥室高壓降持續(xù)時間較短，說明高壓降速率值持續(xù)時間可以作為區(qū)分事故與非事故工況的參考。

綜合不同閥室在泄漏后30 min內(nèi)壓降特征參數(shù)，給出了不同泄漏孔徑及壓縮機抽吸工況的壓降速率變化范圍（表7）。

表7 壓降速率變化范圍一覽表

壓縮機抽吸時導(dǎo)致的壓降速率變化范圍包含了泄漏孔徑為25、50、80、125 mm時的壓降速率范圍，說明當泄漏孔徑小于125 mm時，僅從壓降速率這一評判標準難以將泄漏工況和壓縮機抽吸工況區(qū)分開。因此需結(jié)合高壓降速率值持續(xù)時間來對不同工況進行區(qū)分。針對相國寺儲氣庫銅相線閥室截斷閾值，給出以下建議：1）當壓降速率大于0.15 MPa/min時，無需設(shè)置延遲時間，直接關(guān)斷；2）當壓降速率為0.03～0.15 MPa/min時，把延遲時間設(shè)置為90 s，可避免因壓縮機抽吸導(dǎo)致截斷閥室誤關(guān)斷；3）當壓降速率小于0.03 MPa/min時，需要通過其他方式區(qū)分泄漏工況和壓縮機抽吸工況。

5 結(jié)論

1）以銅相線沿線實際高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Pipeline Studio建立管道仿真模型、管道泄漏模型及壓縮機抽吸模型，并結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)驗證了正常工況下模型的精度。

2）管道運行壓力越大、泄漏孔徑越大、泄漏點位置距離閥室越近，閥室的最大壓降速率值越大、壓降變化越顯著。并給出了不同壓力（輸量）、不同泄漏孔徑、不同泄漏位置條件下，靜觀—土場閥室段閥室推薦關(guān)斷閾值。

3）給出了相國寺儲氣庫銅相線閥室截斷閾值建議：以0.03 MPa/min為臨界值，當壓降速率大于該值時，可通過設(shè)置90 s及以上的延遲時間繼續(xù)監(jiān)控壓降變化以獲得是否關(guān)斷指令；當壓降速率小于該值時，仍需尋求更好的判別方式以區(qū)分兩種工況。