紧急关断阀关断延迟对天然气管道泄漏过程的影响

科技论坛　民营科技２０１２年第１期　紧急关断阀关断延迟对天然气管道泄漏过程的影响　王绍康　（天津燃气集团第一销售分公司，天津３０００００）　摘要：结合管道过程，就ＥｓＤ阀关断顺序和延迟对管道流量和泄漏速率的影响进行了分析。结果表明，随着泄漏孔径的增加，管道　内将出现逆流现象，管道ＥＳＤ阀关断延迟顺序对小孔泄漏和大孔泄漏速率的控制存在明显不同的影响，对释放持续时间的影响较小。　关键词：泄漏速率；紧急关断阀；天然气　定义以下动作时间点：１）５０ｍｉｎ为管道由正常平稳运行状态转为泄漏　天然气扩散是一种非常复杂的大气污染物扩散过程，在对其模　事故状态的开始时刻；２）１５０ｍｉｎ时上游（或下游）ＥＳＤ阀立即执行关　拟评价过程中存在大量不确定陛因素，这些不确定性因素直接影响了　断；３）２５０ｒａｉｎ时剩余的下游（或上游）ＥｓＤ阀执行关断。　模拟结果的正确性，泄漏速率或泄漏量即为其中之一。天然气泄漏速　需说明的是，所设各动作时间点只为清晰对比ＥＳＤ阀关断影响　率是模拟评价天然气管线泄漏事故过程中的重要因素之一，对其研究　而设定，并不代表管道ＥＳＤ阀关断动作的实际执行时间。　１天然气管道泄漏速率　将有利于提高模拟评价结果的正确性。应用热力学和气体动力学理　论，结合理想气体状态方程、绝热方程和能量守匾方程，研究分析了天　然气管道的泄漏过程，分别给出了在临界泄漏阶段以及亚临界泄漏阶　段的泄漏速率计算公式，为天然气管输安全工程的相关计算提供了可　靠的理论依据。　２基于ＨＹＳＹＳ的　天然气管道泄漏模型与适用性分析：　１）稳态泄漏模型。这类模型最常见的是—般泄漏速率模型，利用　气体在泄漏点流动状态有关的特性，认为泄漏发生时泄漏处管内压力　不变，通常根据各种守恒方程可得出解析解的泄漏速率方程。该方法　适用于泄漏时管道内气体压力恒定工况。也有很多研究将小孔泄漏近　似为稳态泄漏进行计算。　２）动态非稳定泄漏模型。目前动态泄漏模型均主要对大孑Ｌ泄漏　和管道泄漏情景进行计算和研究，因难以确定实际泄漏量，基本都假　设管道发生泄漏后ＥＳＤ阀同时关闭，认为泄漏量即为两ＥＳＤ阀间气　体量，并根据能量守恒方程等得到泄漏速率方程。实际上，天然气管道　泄漏后，由于受泄漏检测技术、人员干预、执行机构响应等因素的制　约，泄漏处上下游ＥＳＤ阀关断动作并不能保证同步，即存在不同程度　的关断延迟。在此借鉴加拿大阿尔伯特能源与公共事业局（ＡＥＵＢ）推　荐的天然气管道有效泄漏长度概念，建立管道泄漏的等效开口系统模　型，结合过程模拟技术，研究ＥＳＤ阀关断延迟对泄漏过程的影响。　３　ＥＳＤ阀关断动作对泄漏率的影响　３．１计算算例条件。由于高压天然气管道泄漏速度较高，为清晰对比　泄漏后的动态平衡过程和ＥＳＤ阀关断延迟影响，基于前述理论和模　型，建立２００００ｍ长、内径为２５４ｍｍ水平天然气管道ＨＹＳＹＳ泄漏等　效模型。计算管道泄漏常见的小孔、大孔范围内的泄漏口面积，小孔取　内管道内横截面积的１％（５０６１５ｍｍ　），大孔取１０％（５０６５ｍｍ　）。对于　全尺寸断裂，泄漏视为管道泄漏模式，泄漏速率为上下游管道单独泄　漏速率之和，２个ＥＳＤ阀延迟相互影响很小，篇幅所限，这里不再分　析。为求不同泄漏孔径的气体泄漏速度系数，将等效模型内介质指定　为纯甲烷并与美国环保署和国家海洋大气管理局推荐的ＡＬＯＨＡ计　算数据进行对比验证，虽然ＡＬＯＨＡ只能对纯物质提供ＥＳＤ阀关闭　后泄漏量的分钟内均值，但是可以近似得到不同泄漏孔径的泄漏系　数，提高模型计算泄漏速率准确度。在此小孔和大孔速度系数分别取　０１６５和０１８５。设定的条件为：１）因管道处于集输管网的背景压力环　境，指定管段的人口压力（本文取９５１２ｋＰａ），下游出口压力（稳态模式　求解后指定）；２）人口气体温度为４５￣Ｃ；３）指定实际的气体成分，相关　参数如流经上下游ＥＳＤ阀的流量，泄漏点处压力、温度等由ＨＹＳＹＳ　计算。基于前述构建的泄漏等效模型，在验证其有效性后，本文利用　ＨＹＳＹＳ的过程计算优势，计算管道摩擦压力损失变化和沿程热量损　失，将管道气流改为实际天然气成分（本文为相对分子质量为１９１４１　的高含硫天然气），分析管道泄漏段上下游ＥＳＤ阀关闭时机对泄漏的　影响。　为分析和对比ＥＳＤ阀关　顺序对ｄｑＬ及大孔泄漏速率的影响，　３．２不同关断条件下的管道流量变化。泄漏的发生使管道出入口流　量不再相等，为计算有效泄漏质量，在分析泄漏事故状态时，了解天然　气管道流量变化有助于分析泄漏速率的变化影响关系。对于小孔泄　漏，泄漏发生后（５０～１５０ｍｉｎ）泄漏段管道人口流量增加，出口流量降　低，泄漏量由泄漏段的上游管道所提供，即在泄漏段管道出口无回流。　当上游ＥＳＤ阀先关断后，下游管道出口将立即出现逆流，补充泄漏　量。当下游ＥＳＤ阀先行关闭时，上游管道入口处流量降低，但持续补　充流量明显大于上游先关断段时的逆向补充流量，将造成较多的气体　释放。当泄漏为大孔泄漏时，泄漏量则由ＥＳＤ阀上游管道和ＥＳＤ阀　出口的下游管道共同提供，上游入口流量显著增加，下游管道出口出　现大的逆向回流，造成更多的气体释放。当上游ＥＳＤ阀先行关闭后，　泄漏管段下游出口的逆向回流量大幅增加，补充泄漏量。当下游ＥＳＤ　阀先行关闭后，管内上游流量大幅增加，但相比低于上游ＥＳＤ阀先关　断后的出口逆向补充流量。不同孔径和ＥＳＤ阀不同关断顺序下管内　流量存在差异，流量变化存在动态平衡过程，这些因素都决定实际的　气体释放质量和速率。显然，如不能保证ＥＳＤ阀同时关断，应优先关　断管道入口ＥＳＤ阀，此时无论大小孔补充流量都相对较低。　３．３不同关断条件下的泄漏速率变化。泄漏段管道出入口流量在不　同关　顺序和时差条件下的变化决定着泄漏率的变化，泄漏发生后　（５０ｒａｉｎ时）由于管内压力存在动态平衡过程，ｄ，：ｆＬ由于泄漏速率低，　平衡时间很短，初始时刻流量稍高，十几秒内达到压力平衡后的稳态　泄漏流量（由６００１２１５ｋｇ・ｍｉｎ－１降至５８５１５９ｋｇ・ｍｉｎ－１）。而大孔泄漏后　初始时刻流量较高，需经过１０余分钟系统方达到压力平衡后的稳态　泄漏，降幅较高（由５５６５１２１ｋｇ・ｍｉｎ－＇降至４３７７１３３ｋｇ・ｍｉｎ－Ｏ。实际过　程中当上游ＥＳＤ阀先关断时，大孔和ｄｑＬ泄漏速率都会降低，但是大　孔泄漏速率降低程度明显高于小孔泄漏，泄漏速率在上游ＥＳＤ阀关　断达到稳定后泄漏速率降低３４１８８％／］，￣Ｌ泄漏速率仅仅降低３１４５％。　当下游ＥＳＤ阀先行关闭时，大孔泄漏速率也会大幅下降２７１５３％而小　孑Ｌ泄漏速率并未降低反而有所增加。　４结论　利用本文方法可对不同距离和梯度变化的管道，定义不同的泄　漏位置和尺寸，结合管道过程控制参数建立泄漏速率计算模型，为天　然气管道泄漏控制提供有益参考。通过本文研究可得到以下结论。　１）随着泄漏孔径的增加，管道内将出现回流现象，管道ＥＳＤ阀关　断延　Ｉ孵对小孔泄漏和大孔泄漏速率的控制效果存在不同影响。先　关断上游ＥＳＤ阀时，无论ｄ，ＴＬ还是大孔泄漏，都使下游出口ＥＳＤ阀　处出现逆向流，补充泄漏。而下游先关断时，／ＪｑＬ泄漏使上游人１３处管　道流量有所降低，而大孔泄漏却使入口处流量大幅增加。２）ＥＳＤ阀的　关断延迟和关断顺序，主要表现在对泄漏速率的影响，即影响单位时　间内释放到大气的天然气量，而相同间隔不同顺序的关断对释放持续　时间的影响较小。３）在现有天然气管道关断多采用压力、流量监控等　自动关断的现状下，为最大限度地控制事故天然气泄漏速率和释放时　间，管道的紧急关断应优先采用联动的同时关断方式，其次为上游先　关断方式。