長輸天然氣管道事故工況模擬分析

操 澤

（中國石油大學(xué)（北京），北京 102200）

長輸天然氣管道事故工況模擬分析

操 澤

（中國石油大學(xué)（北京），北京 102200）

近年來，我國天然氣管道飛速發(fā)展。管道輸送是天然氣從開采集輸?shù)絻艋庸ひ约颁N售的連接樞紐，是天然氣生產(chǎn)儲運(yùn)環(huán)節(jié)中不可缺少的一部分。針對天然氣管道實(shí)際運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的氣源停輸和管道堵塞等事故工況，進(jìn)行了動態(tài)模擬分析，計(jì)算管道自救時間，為為管道運(yùn)營維護(hù)部門制定維搶修方案提供理論上的支撐。

氣源停輸；管道堵塞；動態(tài)模擬

天然氣管道在實(shí)際運(yùn)行過程中，不可避免地會發(fā)生氣源停輸和管道堵塞等事故［1］。分析管道事故工況時，需要確定最容易發(fā)生事故的位置，分析該位置發(fā)生事故帶來的后果［2］。根據(jù)應(yīng)急預(yù)案的制定原則，在出現(xiàn)供應(yīng)中斷等緊急事故工況時，應(yīng)該保證90%城鎮(zhèn)燃?xì)夂?0%工業(yè)的用氣量，其中工業(yè)用戶以玻璃、建材等不可中斷用戶的用氣為主。

1 氣源停輸

某長輸天然氣管道全長460 km，全線共4個氣源，沿線分輸站16個，對2030年單個氣源停輸和所有氣源均停輸兩種事故工況進(jìn)行了分析。當(dāng)輸氣管道穩(wěn)定運(yùn)行時，突然出現(xiàn)氣源停輸，壓力變化從首站開始，壓力迅速依次朝向末站方向減少，沿線管道壓力開始逐漸降低。當(dāng)某站壓力最先降至臨界點(diǎn)時，從發(fā)生事故到某站壓力降至臨界點(diǎn)這段時間即為管道自救時間。

所謂管道自救時間，是指當(dāng)管道發(fā)生事故時，如氣源停輸和管道堵塞，管道利用自身儲氣能力，在保證下游用戶最低供氣壓力下的供氣時間［3］。管道自救時間長短取決于事故工況發(fā)生時在事故點(diǎn)下游的管道中氣體存量。當(dāng)事故發(fā)生時，下游管道氣體存量不斷減小，沿線各站壓力也不斷降低。當(dāng)管道末站或者沿線某站的壓力降至最低限定壓力值時，若仍無新的天然氣進(jìn)入事故點(diǎn)下游的管道，則達(dá)到壓力最低限定值的分輸站將停止向用戶供氣。取從事故發(fā)生到事故點(diǎn)下游某門站壓力降至最低限定值的這段時間為管道自救時間。

（1）當(dāng)首站氣源停輸，而其他三個氣源均正常工作情況下，進(jìn)行動態(tài)模擬，模擬過程中各分輸站輸氣量按照至少保證90%城鎮(zhèn)燃?xì)夂?0%工業(yè)用氣量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，結(jié)果見圖1，管線中A站約20.95 h后最先降到3.0 MPa。因此，該工況下管道系統(tǒng)的自救時間為20.95 h。

圖1 單個氣源停輸后A站壓力流量波動圖Fig.1 Flow and pressure curve of A distributing station for stopping single gas resource

（2）所有氣源均發(fā)生停輸后，至少保證 90%城鎮(zhèn)燃?xì)夂?0%工業(yè)用氣量的情況下，進(jìn)行動態(tài)模擬分析，結(jié)果見圖2，管道末站約5.38 h后首先降到 3.0 MPa。因此，該工況下管道系統(tǒng)的自救時間為5.38 h。

圖2 所有氣源停輸后末站流量壓力波動圖Fig.2 Flow and pressure curve of the last station for stopping all gas resources

2 管段堵塞事故工況分析

天然氣管道在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于水合物或者其他因素會發(fā)生管道堵塞，影響管道輸送效率［5］。在進(jìn)行模擬分析時，考慮以2030年設(shè)計(jì)工況來進(jìn)行計(jì)算，同時堵塞點(diǎn)選擇在末站前段，因?yàn)檫@段管道處于分輸降壓點(diǎn)之后，屬于水合物“冰堵”高危地段。當(dāng)閥門系數(shù)由全開時的10 000在1 min內(nèi)降到10，使局部造成堵塞，產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，堵塞點(diǎn)前的壓力和溫度均升高，堵塞點(diǎn)后的壓力與溫度均降低，在堵塞工況穩(wěn)定后，管道全線流量都會降低。

堵塞事故發(fā)生前，管道末段壓力和流量沿管道變化情況如圖3所示， 溫度沿管線變化情況如圖4所示，在堵塞發(fā)生之前，堵塞點(diǎn)的壓力為4.02 MPa，流量為118836 m3/h，溫度為17.9 ℃。堵塞事故發(fā)生時，堵塞點(diǎn)前壓力和流量變化情況如圖5所示，堵塞點(diǎn)后壓力和流量變化情況如圖6所示，通過分析可知，在堵塞過程中，堵塞點(diǎn)后壓力隨時間持續(xù)下降，堵塞點(diǎn)前壓力先上升再下降，這是因?yàn)槎氯鹿拾l(fā)生后，堵塞點(diǎn)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，下游壓力會持續(xù)下降，而對于上游管道，由于氣源仍然在持續(xù)不斷供氣，因此壓力在短時間內(nèi)會上升，隨著堵塞過程的持續(xù)，壓力然后再下降［4］。堵塞點(diǎn)前后流量隨時間持續(xù)增大，這是因?yàn)殡S著氣體壓力迅速降低，氣體發(fā)生膨脹，流量會增大。當(dāng)堵塞工況穩(wěn)定之后，管道全線流量下降。末站壓力隨時間變化情況如圖7所示，在動態(tài)模擬分析中，在79 min時末站壓力最先達(dá)到限定值1.6 MPa，當(dāng)CN末站壓力低于1.6 MPa時，將無法向城市居民與工業(yè)用戶供氣，因此管道自救時間為79 min。

圖3 堵塞前管道末段壓力流量沿趨勢圖Fig.3 Flow and pressure curve from last pipe before jam

圖4 堵塞前管道末段溫度趨勢Fig.4 Temperature curve from last pipe before jam

圖5 堵塞過程中堵塞點(diǎn)前壓力流量隨時間變化Fig.5 Pressure and flow curve before the blocking point during jam

圖6 堵塞過程中堵塞點(diǎn)后壓力流量隨時間變化Fig.6 Pressure and flow curve after the blocking point during jam

圖7 末站壓力趨勢圖
Fig.7 Pressure curve of the last station

3 結(jié) 論

本文按照單個氣源停輸、所有氣源均停輸以及管道堵塞三個事故工況進(jìn)行工藝分析，在滿足90%城鎮(zhèn)燃?xì)夂?0%工業(yè)的用氣量的條件下，分析管道自救時間。

（1）單個氣源停輸時，首站以最大供氣壓力6.3 MPa供氣條件下，LH站壓力最先降到3 MPa，管道自救時間為20.95 h；當(dāng)所有氣源停輸時，WZ末站壓力最先降到3 MPa，管道自救時間為5.38 h。

（2）RA至CN站之間管輸壓力較低，管徑小，易發(fā)生堵塞事故。在2030年設(shè)計(jì)工況下通過控制RA站與PY站之間閥門開度來模擬堵塞事故工況，CN站壓力最先降至1.6 MPa，管道自救時間為79 min。

［1］孫建國，王壽喜.氣體管網(wǎng)的動態(tài)仿真［J］.油氣儲運(yùn)，2001，08：18-21+5 8-4.

［2］李長俊，曾自強(qiáng)，江茂澤.天然氣在管道系統(tǒng)中不穩(wěn)定流動的分析［J］.天然氣工業(yè)， 1994，14（6）：54-59.

［3］王壽喜.管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析線性化法［J］.天然氣工業(yè)，1987，04：62-67+8.

［4］李長俊.天然氣在管道內(nèi)的不穩(wěn)定流動分析［J］.天然氣工業(yè)，1992，12（4）：69-71.

［5］李德波.復(fù)雜環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算方法探究［J］.節(jié)能技術(shù).2005，04：327-330.

Simulation Analysis on Accident Conditions of Long-distance Gas Pipeline

CAO Ze
（China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102200，China）

In recent years， the natural gas pipeline in China developed rapidly. The pipeline is the critical factor from gas exploration to the market. And it is an indispensable part of natural gas production in the storage and transportation. In this paper， dynamic simulation analysis and the rescue time calculation on the conditions such as shutdown and jam were carried out， which could help the pipeline operation and maintenance department to make contingency plans.

Shutdown；Pipeline jam； Dynamic simulation

TE 832

A

1671-0460（2015）12-2842-02

2015-04-01

操澤（1992-），女，重慶人，碩士研究生，現(xiàn)于中國石油大學(xué)（北京）攻讀碩士學(xué)位，研究方向：多相流動安全保障。E-mail：fc0426@163.com。