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)化輸氣管道運行方案，及時采取應(yīng)急措施，保障輸氣管道的安全運營。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)化輸氣管道運行方案，及時采取應(yīng)急措施，保障輸氣管道的安全運營。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)壓縮機站啟機時，該站流量上升，入口壓力下降，出口壓力上升；停機時，該站流量下降，入口壓力上升，出口壓力下降；截斷閥關(guān)斷時，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，上下游壓力下降，上游流量上升，下游流量下降。該分析結(jié)果對輸氣管道的安全運營具有指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：天然氣；管道；瞬態(tài)；工況；分析；SPS仿真軟件；安全運營
   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，個別異常工況的出現(xiàn)將會影響輸氣管道的安全運行。準(zhǔn)確了解輸氣管道工況的瞬時變化情況，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，及時采取應(yīng)急措施[2～4]。
1 管輸天然氣的流動基本方程
   天然氣在管道中流動的主要方程為質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量方程，其他相關(guān)方程請參見本文參考文獻[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、啟停壓縮機組、壓縮機組切換、越站輸氣、分輸用戶的氣量調(diào)整和氣源進氣量的調(diào)整等。異常工況包括了管道泄漏(爆管)、管道堵塞(冰堵)、干線截斷閥意外關(guān)斷、運行機組故障停運、通訊中斷和站場故障停運等。
    某輸氣管道全長1316km，全線共4座壓縮機站(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個監(jiān)控閥室(FS25閥室、FS26閥室、FS30閥室和FS31閥室)。該管道正常運行工況下的壓力和流量曲線如圖1所示。

3.1 壓縮機站啟停壓縮機時的瞬態(tài)工況
下面討論的壓縮機站啟停壓縮機既包括了計劃性啟停機又包括了故障停機。
3.1.1輸氣管道壓縮機停機時的瞬態(tài)工況
    HD站壓縮機停機的瞬時壓力和流量趨勢如圖2所示。從圖2可以看出，HD站壓縮機停機后。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。長此以往將影響到上游壓縮機的運行、下游用戶的分輸量以及全線的輸氣量。

    如果是故障停機，應(yīng)該立刻采取應(yīng)急措施。對于有備用機組的站場，站內(nèi)工作人員應(yīng)在停機后首先判斷出能否在短時間內(nèi)啟機，然后再根據(jù)情況判斷是否需要立即適當(dāng)?shù)靥岣呦掠握緢鰤嚎s機轉(zhuǎn)速或降低上游站場機組轉(zhuǎn)速；如果無備機可用時，可以采用維持上游壓縮機最高出站壓力、提高下游壓縮機的出站壓力、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)運行。
3.1.2輸氣管道壓縮機啟機時的瞬態(tài)工況
    HD站壓縮機啟機時的瞬時壓力和流量趨勢如圖3所示。從圖3中可以看出，HD站壓縮機啟機后，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。長此以往將影響到上游壓縮機的運行、下游用戶的分輸量以及全線的輸氣量，最后，全線工況會穩(wěn)定到如圖1所示的狀態(tài)。
 

3.2 輸氣管道干線截斷閥意外關(guān)斷時的瞬態(tài)工況
    輸氣管道干線截斷閥(DSQ閥室)意外關(guān)斷時，管道的瞬時壓力和流量趨勢如圖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。長此以往將影響到上游壓縮機的運行、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。
 

    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，應(yīng)該調(diào)節(jié)運行工況，逐漸關(guān)停上下游的壓縮機，最后停運全線，直至事故處理完畢。
    輸氣管道發(fā)生嚴(yán)重堵塞以及站場意外停運(如站內(nèi)關(guān)鍵閥門關(guān)斷)時的壓力和流量曲線與干線截斷閥意外關(guān)斷時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，泄漏點壓力下降較快，并會引起泄漏點上下游壓力的下降。如果泄漏量較大或者出現(xiàn)管道爆管情況時將嚴(yán)重影響上下游壓縮機站的運行，最后導(dǎo)致全線停運。

    當(dāng)發(fā)現(xiàn)上下游兩個站場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)初步判斷出泄漏點的位置，并及時派遣巡線人員查找泄漏點的準(zhǔn)確位置，盡快實施應(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站上下游的壓力會有所下降，上游的流量會有所增加。
4 結(jié)論
   1) 輸氣管道壓縮機站啟機時，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；停壓縮機時，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，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，泄漏點壓力下降較快，會導(dǎo)致泄漏點上下游壓力的下降，上游流量上升，下游流量下降。
參考文獻
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(本文作者：楊毅 呂曉華 魏凱 陳鵬 許玉磊 中國石油北京油氣調(diào)控中心)