控制圖法在優(yōu)化天然氣長輸管道壓力安全設(shè)備 定值中的應(yīng)用

葉喆(浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

在天然氣長輸管道建設(shè)中通常會根據(jù)工程所在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃對天然氣消費(fèi)的需求，設(shè)計出不同管徑和運(yùn)行壓力的管網(wǎng)。出于經(jīng)濟(jì)性和管道途徑地區(qū)運(yùn)行安全風(fēng)險的考慮，天然氣長輸管道工程一般根據(jù)供氣量和用氣壓力需求設(shè)計選擇不同管徑和壓力等級的管材，形成由不同管徑和壓力等級管道組成的復(fù)雜輸送體系。天然氣長輸管道工程的生產(chǎn)目標(biāo)是完成天然氣的長距離輸送，遵照合同約定可靠平穩(wěn)地為下游用戶供氣。主干管網(wǎng)為保證較高的輸送能力，通常會采用10 MPa以上的運(yùn)行壓力。支線管網(wǎng)以及下游用戶由于供氣需求相對較低，一般采用6.3 MPa或更低的運(yùn)行壓力。為實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行壓力管網(wǎng)間的互聯(lián)互通，通常需要調(diào)壓分輸站對管輸天然氣壓力進(jìn)行調(diào)整，使維持下游管道運(yùn)行壓力不超過其設(shè)計安全限值。壓力安全設(shè)備是在壓力調(diào)整出現(xiàn)偏離正常范圍的高壓時，仍能保證下游管道安全運(yùn)行的屏障[1]。文章結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，將控制圖法應(yīng)用于管網(wǎng)壓力安全設(shè)備定值的優(yōu)化，提高調(diào)壓系統(tǒng)運(yùn)行可靠和安全性。

1 控制圖及其在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用

控制圖是一種利用統(tǒng)計圖表展示產(chǎn)品質(zhì)量隨生產(chǎn)過程中各階段因素產(chǎn)生波動的狀態(tài)圖形，用來區(qū)分引起質(zhì)量波動的原因是偶然的還是系統(tǒng)的，可以提供系統(tǒng)原因存在問題的信息，從而判斷生產(chǎn)過程是否處于受控狀態(tài)[2]。這種質(zhì)量波動分正常波動和非正常波動，正常波動是指由材料的非理想組成、設(shè)備磨損變化、隨機(jī)測量誤差，以及人員操作的微小變化等不可控系統(tǒng)因素在其容許范圍內(nèi)產(chǎn)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)集合；非正常波動則是以上因素超容許范圍變化時的狀態(tài)數(shù)據(jù)集合[3-4]。控制圖按其用途可分為兩類，一類是供管理用的控制圖，主要用于發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程是否出現(xiàn)異常情況，以預(yù)防產(chǎn)生不合格結(jié)果；另一類是供分析用的控制圖，用控制圖分析生產(chǎn)過程中有關(guān)質(zhì)量特性值的變化情況，看工序是否處于穩(wěn)定受控狀。監(jiān)控一套完整設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行中的特定測量結(jié)果涉及的是控制圖后一種用途。在生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)，如果某一測量結(jié)果ξ受大量的偶然因素影響，且每一種因素產(chǎn)生的貢獻(xiàn)分布均勻而微小，即沒有一項(xiàng)因素占據(jù)主導(dǎo)，則測量結(jié)果ξ將服從正態(tài)分布。

若測量結(jié)果ξ的概率密度函數(shù)p(x)為：

則稱ξ的分布為正態(tài)分布，記為ξ～N(μ，σ2)。式中：μ為平均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

在正態(tài)分布概率密度函數(shù)曲線下，介于坐標(biāo)[μ±σ]、[μ±2σ]、[μ±3σ]和[μ±4σ]間 的 面 積，分 別 占 總 面 積 的68.26%、95.45%、99.73%和99.99%，隨機(jī)事件發(fā)生在坐標(biāo)區(qū)間界外的概率分別為31.74%、4.55%、0.27%和0.01%，超過上下限一側(cè)的概率則分別為15.87%、2.275%、0.135%和0.006%。由此可見，隨機(jī)事件發(fā)生在區(qū)間[μ±2σ]外將是一個極小概率事件，在ISO 8258中被定義為警告限值(warning limit)。ISO 8258將發(fā)生在區(qū)間[μ±3σ]外的情況定義為一種行動限值(action limit)，把該區(qū)間的上臨界線μ+3σ稱為控制上界，記為UCL(upper control limit)，平均數(shù)稱為中心線記為CL(central line)，下臨界線μ-3σ稱為控制下界，記為LCL(lower control limit)。若發(fā)生的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在控制界限μ+3σ之外，則認(rèn)為生產(chǎn)過程發(fā)生異常，需要采取措施予以糾正[2]。

當(dāng)運(yùn)行過程中，仍存在多個因素偶然的疊加導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏離上下臨界點(diǎn)的異常情況，如選定超出[μ±3σ]即為系統(tǒng)緊急終止條件，則易造成設(shè)備因過度糾正而影響生產(chǎn)。為減少此類風(fēng)險，則可以將控制界限的區(qū)間擴(kuò)大到[μ±4σ]，發(fā)生數(shù)據(jù)一側(cè)出界的概率將變?yōu)?.006%，相關(guān)的代價是設(shè)備將在一定時間內(nèi)經(jīng)受極端工況下的異常損耗[3]。

2 長輸管道壓力涉及的安全設(shè)定值及其應(yīng)用關(guān)系

壓力安全保護(hù)裝置是保證在工作調(diào)壓系統(tǒng)失效時，下游壓力仍可以被維持在其設(shè)計的安全運(yùn)行壓力內(nèi)的安全設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用的壓力安全裝置由行動水平影響的不同可分為在維持運(yùn)行狀態(tài)下的監(jiān)控調(diào)壓和安全泄放，以及終止運(yùn)行的安全截斷[5]。國內(nèi)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范涉及天然氣長輸管道壓力安全設(shè)備主要有《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》GB 50251—2015和《壓力管道規(guī)范 長輸管道》GB/T 34275—2017，可參照的國外標(biāo)準(zhǔn)有《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》ASME B31.8—2018、《輸送天然氣及其他氣體管道：最低的聯(lián)邦安全標(biāo)準(zhǔn)》49 CFR Part 192和《燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施.輸配用氣體壓力調(diào)節(jié)站.功能要求》BS EN12186—2014。GB 50251參照BS EN12186的做法，明確當(dāng)壓力控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障會危及下游供氣設(shè)施安全時，應(yīng)設(shè)置可靠的壓力安全裝置。提出當(dāng)上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力時，氣體調(diào)壓系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置具備有快速關(guān)閉和可靠截斷密封的安全截斷設(shè)備。當(dāng)上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6 MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設(shè)備強(qiáng)度試驗(yàn)壓力時，還應(yīng)加上第二個安全設(shè)備。加設(shè)的第二個安全設(shè)備有三種可選方案，第一種是每一回路串聯(lián)安裝2臺安全截斷設(shè)備；第二種是每一回路安裝1臺安全截斷設(shè)備和1臺附加的壓力調(diào)節(jié)控制設(shè)備；第三種是每一回路安裝1臺安全截斷設(shè)備和1臺最大流量安全泄放設(shè)備[5-6]。第一種串聯(lián)安裝2臺安全截斷設(shè)備的設(shè)計，一般適用于上游管網(wǎng)供氣比較平穩(wěn)的情況，或?qū)鈮毫Σ▌硬幻舾械某鞘腥細(xì)庥脩?。一旦發(fā)生超壓，則上下安全截斷閥同時動作切斷供氣[1,5,11]。第二種設(shè)計根據(jù)的是BS EN12186和GB 50251條文說明里提出的原則，在支路中除有壓力調(diào)節(jié)閥(PV—pressure valve)外，上游還應(yīng)依次設(shè)置獨(dú)立的安全截斷閥(SSV—safety slam-shut valve)和監(jiān)控調(diào)壓閥(MV—monitor valve)，以保證下游輸氣管道和設(shè)備的絕對安全。按流向順序依次串聯(lián)設(shè)置安全截斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥，其中，安全截斷閥和監(jiān)控調(diào)壓閥的壓力檢測點(diǎn)均獨(dú)立設(shè)在壓力調(diào)節(jié)閥下游且與壓力調(diào)節(jié)閥的壓力監(jiān)測點(diǎn)鄰近布置，相關(guān)安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示[5-6]。

圖1 管道壓力安全設(shè)備安裝流程圖

為提高安全設(shè)備動力來源的多樣及可靠性，通常選用自力式調(diào)壓閥作為附加的壓力調(diào)節(jié)控制設(shè)備，在系統(tǒng)中扮演監(jiān)控調(diào)壓閥角色。自力式調(diào)壓閥在支路調(diào)壓正常時處于非工作全開狀態(tài)，當(dāng)電動調(diào)壓閥出現(xiàn)故障造成下游超壓時，串聯(lián)的自力式調(diào)壓閥將自動投入進(jìn)行調(diào)壓，防止系統(tǒng)下游氣體壓力超過允許的范圍。自力式調(diào)壓閥從動力到調(diào)節(jié)回路均與電動調(diào)壓閥回路不同，當(dāng)供電中斷或電動調(diào)壓閥出現(xiàn)故障時，自力式調(diào)壓閥既能保障系統(tǒng)下游不超壓，又能維持下游的正常供氣，提升調(diào)壓系統(tǒng)的有效性和可靠性[5]。第三種設(shè)計方式GB 50251則參考ASME B31.8，所提的最大流量安全泄放設(shè)備一般指安全閥，是一種不借助任何外力而利用介質(zhì)本身的力來排出一定數(shù)量的流體，以防止壓力超過額定安全值。設(shè)置在管道上的安全閥用于保護(hù)相關(guān)設(shè)備不受上游超壓的影響，當(dāng)壓力恢復(fù)后，閥門再行關(guān)閉并阻止介質(zhì)繼續(xù)流出[5,7,12]。由于安全閥受結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)備安裝等因素影響，泄放能力有限，一般應(yīng)用在少量泄放就能完成調(diào)壓的場合，或者與監(jiān)控調(diào)壓閥串聯(lián)形成設(shè)計冗余。安全壓力值的設(shè)定關(guān)系反映各壓力安全設(shè)備的響應(yīng)順序邏輯，在BS EN 12186中，TOP和MIP分別對應(yīng)監(jiān)控調(diào)壓閥和安全截斷閥最高響應(yīng)設(shè)定值的參考上限。GB 50251和ASME B31.8要求最大流量安全泄放設(shè)備應(yīng)根據(jù)下游設(shè)備設(shè)計的最大操作壓力確定整定壓力。系統(tǒng)運(yùn)行的最大運(yùn)行壓力，以及監(jiān)控調(diào)壓閥、安全截斷閥和安全閥的最高壓力響應(yīng)設(shè)定值關(guān)系如表1所示[5-7]。

表1 最大操作壓力、臨時操作壓力、最大意外壓力和整定壓力之間的關(guān)系

3 現(xiàn)有規(guī)范安全設(shè)定值在實(shí)際長輸管道壓力控制中的關(guān)系

為說明前述規(guī)范要求的安全設(shè)定值在實(shí)際生產(chǎn)中的指導(dǎo)關(guān)系，現(xiàn)列舉某一燃機(jī)電廠用戶的上游調(diào)壓站的運(yùn)行壓力數(shù)據(jù)。該燃機(jī)電廠用戶的燃?xì)馇爸媚K入口壓力為2.8 MPa至3.2 MPa，最高操作壓力為3.5 MPa，最低操作壓力為2.4 MPa。隨機(jī)選取4天正常負(fù)荷運(yùn)行壓力數(shù)據(jù)，以及近三年以來正常負(fù)荷運(yùn)行壓力數(shù)據(jù)，壓力隨時間變化數(shù)據(jù)示意如圖2所示。

圖2 調(diào)壓后系統(tǒng)下游壓力隨時間變化數(shù)據(jù)

從壓力隨時間變化數(shù)據(jù)中可得出，該燃機(jī)電廠用戶一般操作運(yùn)行壓力維持在3.34 MPa左右。在燃機(jī)機(jī)組正常負(fù)荷運(yùn)行時，(μ+σ) / μ基本維持在1.026的水平，接近于EN 12186給出1.6 MPa至4 MPa區(qū)間內(nèi)波峰水平操作壓力為最大操作壓力1.025倍的水平，臨時操作壓力為1.1倍最大操作壓力則基本處于μ+4σ/ μ的水平，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 壓力隨時間變化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

4 控制圖法應(yīng)用于優(yōu)化壓力安全設(shè)備定值

為觀察和評價輸氣壓力的穩(wěn)定性，通常需要設(shè)置壓力報警的低低限(LLL)、低限(LL)、高限(HL)和高高限(HHL)。在壓力偏離不同限值時，系統(tǒng)將做出不同影響范圍的響應(yīng)。一般在運(yùn)行壓力超過低限和高限時，系統(tǒng)將提醒并記錄相關(guān)狀態(tài)，但不進(jìn)行報警；在運(yùn)行壓力超過低低限和高高限時，系統(tǒng)將發(fā)出報警，并反饋工作調(diào)壓閥動作，調(diào)整系統(tǒng)壓力。EN 12186第9.3.1條明確，壓力低限報警值應(yīng)由操作需要和下游用戶來確定，在設(shè)定時，應(yīng)充分考慮下游用氣特點(diǎn)、管存量與人員應(yīng)急反應(yīng)時間之間的合理需求，故不再進(jìn)一步討論[6]。

現(xiàn)行規(guī)范雖明確了監(jiān)控調(diào)壓閥、安全截斷閥和安全閥的最高響應(yīng)設(shè)定值，未充分考慮設(shè)備之間相互干擾和越級響應(yīng)問題。例如在4 MPa到7.5 MPa的范圍內(nèi)，監(jiān)控調(diào)壓閥和安全閥的設(shè)定都為最大操作壓力的1.1倍，存在越級響應(yīng)的問題。為使安全設(shè)備定值更加合理，可將控制圖法應(yīng)用在不同級別的安全設(shè)備定值響應(yīng)條件上。

結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，將 μ+σ作為高限；μ+2σ作為高高限；μ+4σ作為監(jiān)控限；將μ+6σ 至μ+8σ作為終止系統(tǒng)運(yùn)行的安全限值?？紤]到安全閥整定壓力有±3%的最大容許偏差，為防止安全閥先于監(jiān)控調(diào)壓閥響應(yīng)，可將安全閥的整定壓力設(shè)定在μ+4σ，適當(dāng)向下調(diào)整監(jiān)控調(diào)壓閥定值，避免在互為設(shè)計冗余時相互干擾。壓力安全設(shè)備建議設(shè)定值見表3所示，系統(tǒng)壓力運(yùn)行超過各安全限值的概率如表4所示[12]。

表3 安全限值建議值

表4 系統(tǒng)運(yùn)行壓力超過各安全限值的概率(%)

在上游不出現(xiàn)意外事故和發(fā)生大幅波動的條件下，97.725% 的情況下不需要工作調(diào)壓改變狀態(tài)；99.18%的情況下不需要電動調(diào)壓閥外的安全設(shè)備進(jìn)行干預(yù)[13]。在監(jiān)控調(diào)壓閥和安全閥不失效的情況下，處于系統(tǒng)第二級的安全截斷閥動作的概率為9.87×10-10至1.1×10-15，屬于不可能發(fā)生事件，由兩級安全設(shè)備組成的壓力安全系統(tǒng)能保障長輸管道的平穩(wěn)運(yùn)行[14]。

5 結(jié)語

結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，將控制圖應(yīng)用于壓力安全設(shè)備定值優(yōu)化有以下三個方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上增加高限和高高限報警兩個參考限值，量化區(qū)分系統(tǒng)正常范圍內(nèi)的壓力波動，減少工作調(diào)壓設(shè)備不必要的損耗，避免過低的安全定值導(dǎo)致監(jiān)控調(diào)壓設(shè)備頻繁響應(yīng)動作。(2)充分考慮各設(shè)備存在的合理整定值偏差，增加不同行動水平的安全設(shè)備的定值差異，防止相互干擾越級響應(yīng)。(3)減少安全調(diào)壓過程中的天然氣泄放，在確保系統(tǒng)安全的情況下，盡量維持系統(tǒng)運(yùn)行[15]。

同時，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，控制圖法很好解釋現(xiàn)有規(guī)范中安全設(shè)備定值的原理。幫助設(shè)計人員理解現(xiàn)行規(guī)范中不同設(shè)備在其應(yīng)用環(huán)境下所能達(dá)到的運(yùn)行效果，優(yōu)化天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計。