輸氣管道的典型瞬態(tài)工況分析

摘 要

摘要：準(zhǔn)確了解輸氣管道工況的瞬時(shí)變化情況，有助于輸氣管道調(diào)度管理部門調(diào)控和優(yōu)化輸氣管道運(yùn)行方案，及時(shí)采取應(yīng)急措施，保障輸氣管道的安全運(yùn)營(yíng)。為此，在分析輸氣管道基本方程的基
摘要：準(zhǔn)確了解輸氣管道工況的瞬時(shí)變化情況，有助于輸氣管道調(diào)度管理部門調(diào)控和優(yōu)化輸氣管道運(yùn)行方案，及時(shí)采取應(yīng)急措施，保障輸氣管道的安全運(yùn)營(yíng)。為此，在分析輸氣管道基本方程的基礎(chǔ)上，選用SPS仿真軟件模擬了輸氣管道典型工況的瞬態(tài)變化情況，得到以下結(jié)論：當(dāng)壓縮機(jī)站啟機(jī)時(shí)，該站流量上升，入口壓力下降，出口壓力上升；停機(jī)時(shí)，該站流量下降，入口壓力上升，出口壓力下降；截?cái)嚅y關(guān)斷時(shí)，上下游流量下降，入口壓力上升，出口壓力下降；管道發(fā)生泄漏時(shí)，上下游壓力下降，上游流量上升，下游流量下降。該分析結(jié)果對(duì)輸氣管道的安全運(yùn)營(yíng)具有指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：天然氣；管道；瞬態(tài)；工況；分析；SPS仿真軟件；安全運(yùn)營(yíng)
   隨著天然氣輸氣管道的不斷建設(shè)和相互連接成網(wǎng)[1]，輸氣管網(wǎng)的調(diào)度管理工作日漸繁瑣，輸氣管道的工況變化也越來越頻繁，個(gè)別異常工況的出現(xiàn)將會(huì)影響輸氣管道的安全運(yùn)行。準(zhǔn)確了解輸氣管道工況的瞬時(shí)變化情況，能夠有效地幫助和指導(dǎo)輸氣管道調(diào)度管理部門制訂調(diào)整方案，及時(shí)采取應(yīng)急措施[2～4]。
1 管輸天然氣的流動(dòng)基本方程
   天然氣在管道中流動(dòng)的主要方程為質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量方程，其他相關(guān)方程請(qǐng)參見本文參考文獻(xiàn)[5]。
2 輸氣管道的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)仿真軟件
基于上述輸氣管道的基本方程以及其他相關(guān)方程，可以建立出輸氣管道穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的仿真模型，選用特征線法或中心隱式差分法等算法求解模型，開發(fā)出輸氣管道仿真軟件[6～10]。筆者采用SPS軟件模擬輸氣管道典型工況的瞬態(tài)情況。
3 典型瞬態(tài)工況及分析
輸氣管道的運(yùn)行工況可以分為正常工況和異常工況。。正常工況包括了管道啟輸、啟停壓縮機(jī)組、壓縮機(jī)組切換、越站輸氣、分輸用戶的氣量調(diào)整和氣源進(jìn)氣量的調(diào)整等。異常工況包括了管道泄漏(爆管)、管道堵塞(冰堵)、干線截?cái)嚅y意外關(guān)斷、運(yùn)行機(jī)組故障停運(yùn)、通訊中斷和站場(chǎng)故障停運(yùn)等。
    某輸氣管道全長(zhǎng)1316km，全線共4座壓縮機(jī)站(SB站、YCZG站、WL站和HD站)，有4座分輸站(DLH站、XN站、MH站和末站)，1座分輸閥室(DSQ閥室)，4個(gè)監(jiān)控閥室(FS25閥室、FS26閥室、FS30閥室和FS31閥室)。該管道正常運(yùn)行工況下的壓力和流量曲線如圖1所示。

3.1 壓縮機(jī)站啟停壓縮機(jī)時(shí)的瞬態(tài)工況
下面討論的壓縮機(jī)站啟停壓縮機(jī)既包括了計(jì)劃性啟停機(jī)又包括了故障停機(jī)。
3.1.1輸氣管道壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)的瞬態(tài)工況
    HD站壓縮機(jī)停機(jī)的瞬時(shí)壓力和流量趨勢(shì)如圖2所示。從圖2可以看出，HD站壓縮機(jī)停機(jī)后。該站的天然氣通過量瞬間下降至0，上下游的流量下降均下降較快，入站壓力上升，出站壓力下降。長(zhǎng)此以往將影響到上游壓縮機(jī)的運(yùn)行、下游用戶的分輸量以及全線的輸氣量。

    如果是故障停機(jī)，應(yīng)該立刻采取應(yīng)急措施。對(duì)于有備用機(jī)組的站場(chǎng)，站內(nèi)工作人員應(yīng)在停機(jī)后首先判斷出能否在短時(shí)間內(nèi)啟機(jī)，然后再根據(jù)情況判斷是否需要立即適當(dāng)?shù)靥岣呦掠握緢?chǎng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或降低上游站場(chǎng)機(jī)組轉(zhuǎn)速；如果無(wú)備機(jī)可用時(shí)，可以采用維持上游壓縮機(jī)最高出站壓力、提高下游壓縮機(jī)的出站壓力、降低全線輸氣量和降低下游用戶的供氣量等應(yīng)急措施來保障管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
3.1.2輸氣管道壓縮機(jī)啟機(jī)時(shí)的瞬態(tài)工況
    HD站壓縮機(jī)啟機(jī)時(shí)的瞬時(shí)壓力和流量趨勢(shì)如圖3所示。從圖3中可以看出，HD站壓縮機(jī)啟機(jī)后，該站的天然氣通過量瞬間提高的幅度非常大，上下游的流量上升速度均較快，入站壓力下降，出站壓力上升。長(zhǎng)此以往將影響到上游壓縮機(jī)的運(yùn)行、下游用戶的分輸量以及全線的輸氣量，最后，全線工況會(huì)穩(wěn)定到如圖1所示的狀態(tài)。
 

3.2 輸氣管道干線截?cái)嚅y意外關(guān)斷時(shí)的瞬態(tài)工況
    輸氣管道干線截?cái)嚅y(DSQ閥室)意外關(guān)斷時(shí)，管道的瞬時(shí)壓力和流量趨勢(shì)如圖4所示。從圖4可以看出，DSQ閥室意外關(guān)斷后，該閥室的天然氣通過量瞬間下降至零，上下游的流量下降均較快，入站壓力上升，出站壓力下降。長(zhǎng)此以往將影響到上游壓縮機(jī)的運(yùn)行、下游用戶的分輸量以及全線的輸氣量，最后導(dǎo)致全線停運(yùn)。
 

    當(dāng)發(fā)現(xiàn)閥室工況突變并判斷出閥室意外關(guān)斷后，應(yīng)立刻采取應(yīng)急措施。首先維修人員應(yīng)盡快到達(dá)被關(guān)斷的閥室，快速打開旁通閥室平壓，然后再打開主閥。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的閥門故障、不能重新開閥時(shí)，應(yīng)該調(diào)節(jié)運(yùn)行工況，逐漸關(guān)停上下游的壓縮機(jī)，最后停運(yùn)全線，直至事故處理完畢。
    輸氣管道發(fā)生嚴(yán)重堵塞以及站場(chǎng)意外停運(yùn)(如站內(nèi)關(guān)鍵閥門關(guān)斷)時(shí)的壓力和流量曲線與干線截?cái)嚅y意外關(guān)斷時(shí)的壓力和流量曲線相近，同樣是上下游的流量下降，入站壓力上升，出站壓力下降。
3.3 輸氣管道泄漏時(shí)的瞬態(tài)工況
    管道某處泄漏后的流量曲線圖如圖5所示，管道泄漏點(diǎn)的壓力曲線圖如圖6所示。從圖5可以看出，管道泄漏后，泄漏點(diǎn)上游的流量上升，下游的流量下降。從圖6可以看出，管道泄漏后，泄漏點(diǎn)壓力下降較快，并會(huì)引起泄漏點(diǎn)上下游壓力的下降。如果泄漏量較大或者出現(xiàn)管道爆管情況時(shí)將嚴(yán)重影響上下游壓縮機(jī)站的運(yùn)行，最后導(dǎo)致全線停運(yùn)。

    當(dāng)發(fā)現(xiàn)上下游兩個(gè)站場(chǎng)或閥室的壓力和流量情況符合圖5和圖6的變化曲線后，應(yīng)初步判斷出泄漏點(diǎn)的位置，并及時(shí)派遣巡線人員查找泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，盡快實(shí)施應(yīng)急維修預(yù)案，快速解決泄漏事故。
3.4 其他典型瞬態(tài)工況分析
    SB站流量突增后的全線壓力和流量曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)SB站的氣量突然增加后，SB站的出站壓力迅速上升，其他站的壓力和流量變化幅度不大。
 

   XN站的用戶分輸流量突增后的全線壓力和流量曲線圖如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)XN站的分輸氣量突然增加后，XN站上下游的壓力會(huì)有所下降，上游的流量會(huì)有所增加。
4 結(jié)論
   1) 輸氣管道壓縮機(jī)站啟機(jī)時(shí)，該站的天然氣通過量瞬間提高的幅度非常大，上下游的流量上升速度均較快，入站壓力下降，出站壓力上升；停壓縮機(jī)時(shí)，該站的天然氣通過量瞬間下降至0，上下游的流量下降均較快，入站壓力上升，出站壓力下降。
    2) 輸氣管道干線閥室意外關(guān)斷(或嚴(yán)重堵塞)時(shí)，天然氣通過量瞬間下降至0，上下游的流量下降均較快，入站壓力上升，出站壓力下降。
    3) 輸氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)壓力下降較快，會(huì)導(dǎo)致泄漏點(diǎn)上下游壓力的下降，上游流量上升，下游流量下降。
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(本文作者：楊毅 呂曉華 魏凱 陳鵬 許玉磊 中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心)