天然气干线破管检测系统控制参数设置*

龙学渊 田园 朱娜重庆科技学院 西南油气田分公司输气管理处

天然气干线破管检测系统控制参数设置*

龙学渊1田园1朱娜21重庆科技学院 2西南油气田分公司输气管理处

气液联动阀是天然气干线破管检测系统核心控制装置，其控制参数设置是否科学直接影响破管检测系统运行的有效性和敏感性。通过对数值仿真实验数据进行多元拟合，得到输量、压力、管径、漏失当量直径与压降速率之间的多元拟合解析式，该多元拟合解析式可由已知的管输量、管径、工作压力及泄漏当量直径估算出起点阀室的最大压力下降速率，平均误差低于10%。破管泄漏点距起点阀室越近，起点阀室处压力降幅越大，且压力下降曲线斜率也越大。在管输量、管径、泄漏当量直径一定的情况下，压降速率随着起点阀室压力的增加而增加，但增幅随压力的增加而减小。

管线漏失；破管检测；压力；数值模拟；多元拟合

干线破管检测系统的引入为管道安全输送提供了强有力的保障，其核心控制装置即气液联动阀设置于站场及阀室，以实现输送系统在出现异常情况下的紧急切断和场站进出站的紧急关断功能。气液联动阀是天然气干线破管检测系统核心控制装置，其控制参数设置是否科学直接影响破管检测系统运行的有效性和敏感性[1]。气液联动阀以压力下降速率作为控制参数，当出现漏失事故时干线破管检测系统是否能准确识别并关闭阀门，或当干线破管检测系统误动作时是否能短时间内解除生产停止状态并防止管网憋压，这都是输气公司必须面对的实际工程问题[2]。由于对不同工况下的不同管道进行破管参数的监测和计算较为复杂，国内外尚无成熟设置规则与判断方法[3]。

1 不同漏失工况数值模拟

为进行不同输量、压力、泄漏当量直径条件下起点阀室压力变化的分析，根据文献[4]所列模型对整个管线漏失事故工况进行数值模拟。从漏失位置、管径、输量、管线运行压力等几个方面分析破管漏失对起点阀室压力下降速率变化的影响。取各影响参数变化范围如下：管径426～914 mm，输量150×104～1 500×104m3/d，运行压力2～6 MPa，破管漏失当量直径50～200 mm。

首先，分析不同的漏失位置对起点阀室压力变化的影响。在起点和终点阀室间，每隔4 km设置一个漏失点，动态仿真破管漏失点形成后起点阀室压力的变化，分析不同位置对起点阀室压力变化的影响。模拟管径为426 mm，管线长度32 km，起点阀室压力2 MPa，输量150×104m3/d，仿真得到起点阀室压力下降速率与破管漏失点的对应变化关系。结果表明，漏失位置距离起点阀室越远，则其压降下降速率越小，且压力下降速率最大值在时间上存在一定的延迟。

其次，分析不同的破管漏失当量直径对起点阀室压力下降速率的影响。当管输量为150×104m3/d时，取起点压力2 MPa，管径426 mm，破管漏失点距离起点阀室16 km，假定漏失发生在第1.9 h，漏失部位在0.1 h内形成，背压为大气压。针对不同的漏失当量直径（50、100、150和200 mm），仿真5 h内的工况变化，得到不同当量直径破管漏失发生后起点阀室压力下降速率的变化。结果表明，在管输量、起点压力、管径不变的条件下，起点压力下降速率随漏失当量直径的增大而迅速上升。在漏失当量直径不发生变化后7 min左右，漏失速率达到最大值，随后速率开始下降到一个稳定值，管径越大则速率下降到稳定值所需时间越长，管径越小所需时间越短。

再次，分析不同管径对起点阀室压力下降速率的影响。取输量为750×104m3/d，起点压力为6 MPa，漏失当量直径为100 mm，针对不同的管径（529、610、711、813和914 mm），观察起点阀室压力下降速率变化情况。结果表明，在管输量、起点压力、泄漏点当量直径不变的条件下，起点压力下降速率从泄漏发生时到开始上升到2.2 h时，即泄漏发生12 min后压力下降速率达到最大值。

最后，分析漏失发生后输量对起点阀室压力下降速率的影响。取起点压力为6 MPa，泄漏当量直径为100 mm，管径为813 mm，针对不同的输量（150×104～1 200×104m3/d），观察起点阀室压力下降速率变化情况。结果表明，在破管漏失情况下，输量对起点阀室的压力下降速率影响不大。

2 仿真实验数据多元拟合

为了得到输量、压力、管径、漏失当量直径对起点阀室压力及压力下降速率影响的定量关系，正确地设置气液联动阀关键参数，要对整个模拟计算得到的原始数据进行多元拟合，进而得到能够估算最大压降速率的拟合公式，如下式

Vmax=aQ+bp+cD+dDL+e（1）

式中Vmax为起点阀室压力最大压力下降速率（bar/min），Q为输量（100×104m3/d）；p为管道正常工作压力（MPa）；D为管径（mm）；DL为泄漏点当量直径（mm）。

拟合公式中各常数值如下：

a=1.496 405 196 548 99×10-4

b=-1.718 410 655 671 75×10-2

c=-6.540 930 315 377 99×10-5

d=3.500 391 399 130 48×10-3

e=2.752 383 727 424 9×10-2

根据式（1），通过已知管线的管径、工作压力、输量及漏失当量直径可计算起点阀室的最大压力下降速率，从而为气液联动阀的参数设置提供理论依据。依据仿真数据进行拟合，得到起点阀室最大压力下降速率与仿真数据点对比结果，如图1所示。

图1 拟合计算值与仿真实验数据对比

由图1可知，当管径较大，压力较高，且泄漏当量直径在100 mm以上时，拟合公式预估数据较为准确；而在小管径、低压力，且泄漏当量直径为50 mm及以下时，压力降速率变化较慢，对各个自变量敏感度低，因此拟合结果差距较大，但拟合的准确度普遍达到85%以上，能够作为现场对管线泄漏情况进行分析的依据。

3 结论

由于长输管线破管泄漏是一种极端工况，发生频度较低，现场采集到的实际数据少且漏失点随机性高，很难作为基础数据进行规律性分析研究，应用数值仿真手段对不同工况和不同的漏失情况下的起点阀室压力变化规律进行深入分析研究，最后对数值模拟实验结果进行多元拟合及误差分析，得到如下结论：

（1）通过对数值仿真实验数据进行多元拟合，得到输量、压力、管径、漏失当量直径与压降速率之间的多元拟合解析式，该多元拟合解析式可由已知的管输量、管径、工作压力及泄漏当量直径估算出起点阀室的最大压力下降速率，平均误差低于10%，为气液联动阀关键控制参数的设置提供一种简便实用的方法，并可为管线破管泄漏故障诊断提供指导。

（2）破管泄漏点距起点阀室越近，则起点阀室处压力降幅越大，且压力下降曲线斜率也越大。在管输量、压力、管径一定的前提下，管道泄漏当量直径存在临界值，随着当量直径的增加，起点压力下降速率迅速增加，但下降速率的增幅逐渐减小，趋于一个临界值。该临界值随着管输量、压力、管径的变化而变化。在管输量、压力、泄漏当量直径一定的情况下，压降速率随着管径的增加而增加，但增幅随管径的增加而减小。在管输量、管径、泄漏当量直径一定的情况下，压降速率随着起点阀室压力的增加而增加，但增幅随压力的增加而减小。

[1]Pal-Stefan Murvay，Ioan Silea．A Survey on Gas Leak Detection and Localization Techniques[J]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25（6）：966-973.

[2]张连文．管道泄漏检测技术及评价[J]．油气田地面工程，2003，22（4）：1-3.

[3]桑博，兰惠清．燃气管道泄漏过程模型的研究进展[J]．油气储运，2011，30（8）：608-612.

[4]H．Prashanth Reddy，Shankar Narasimhan．Leak Detection in Gas Pipeline Networks Using an Efficient State Estimator．Part II．Experimental and Field Evaluation[J]．Computers and Chemical Engineering，2010，35（4），662-670.

（栏目主持关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.035

基金论文：重庆市教委科学技术研究项目（KJ131414）。