控制图法在优化天然气长输管道压力安全设备 定值中的应用

叶喆(浙江浙能天然气运行有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

在天然气长输管道建设中通常会根据工程所在区域经济发展规划对天然气消费的需求，设计出不同管径和运行压力的管网。出于经济性和管道途径地区运行安全风险的考虑，天然气长输管道工程一般根据供气量和用气压力需求设计选择不同管径和压力等级的管材，形成由不同管径和压力等级管道组成的复杂输送体系。天然气长输管道工程的生产目标是完成天然气的长距离输送，遵照合同约定可靠平稳地为下游用户供气。主干管网为保证较高的输送能力，通常会采用10 MPa以上的运行压力。支线管网以及下游用户由于供气需求相对较低，一般采用6.3 MPa或更低的运行压力。为实现不同运行压力管网间的互联互通，通常需要调压分输站对管输天然气压力进行调整，使维持下游管道运行压力不超过其设计安全限值。压力安全设备是在压力调整出现偏离正常范围的高压时，仍能保证下游管道安全运行的屏障[1]。文章结合现行设计规范，将控制图法应用于管网压力安全设备定值的优化，提高调压系统运行可靠和安全性。

1 控制图及其在生产过程控制中的应用

控制图是一种利用统计图表展示产品质量随生产过程中各阶段因素产生波动的状态图形，用来区分引起质量波动的原因是偶然的还是系统的，可以提供系统原因存在问题的信息，从而判断生产过程是否处于受控状态[2]。这种质量波动分正常波动和非正常波动，正常波动是指由材料的非理想组成、设备磨损变化、随机测量误差，以及人员操作的微小变化等不可控系统因素在其容许范围内产生的状态数据集合；非正常波动则是以上因素超容许范围变化时的状态数据集合[3-4]。控制图按其用途可分为两类，一类是供管理用的控制图，主要用于发现生产过程是否出现异常情况，以预防产生不合格结果；另一类是供分析用的控制图，用控制图分析生产过程中有关质量特性值的变化情况，看工序是否处于稳定受控状。监控一套完整设备系统运行中的特定测量结果涉及的是控制图后一种用途。在生产过程中数据，如果某一测量结果ξ受大量的偶然因素影响，且每一种因素产生的贡献分布均匀而微小，即没有一项因素占据主导，则测量结果ξ将服从正态分布。

若测量结果ξ的概率密度函数p(x)为：

则称ξ的分布为正态分布，记为ξ～N(μ，σ2)。式中：μ为平均值，σ为标准差。

在正态分布概率密度函数曲线下，介于坐标[μ±σ]、[μ±2σ]、[μ±3σ]和[μ±4σ]间 的 面 积，分 别 占 总 面 积 的68.26%、95.45%、99.73%和99.99%，随机事件发生在坐标区间界外的概率分别为31.74%、4.55%、0.27%和0.01%，超过上下限一侧的概率则分别为15.87%、2.275%、0.135%和0.006%。由此可见，随机事件发生在区间[μ±2σ]外将是一个极小概率事件，在ISO 8258中被定义为警告限值(warning limit)。ISO 8258将发生在区间[μ±3σ]外的情况定义为一种行动限值(action limit)，把该区间的上临界线μ+3σ称为控制上界，记为UCL(upper control limit)，平均数称为中心线记为CL(central line)，下临界线μ-3σ称为控制下界，记为LCL(lower control limit)。若发生的数据出现在控制界限μ+3σ之外，则认为生产过程发生异常，需要采取措施予以纠正[2]。

当运行过程中，仍存在多个因素偶然的叠加导致数据偏离上下临界点的异常情况，如选定超出[μ±3σ]即为系统紧急终止条件，则易造成设备因过度纠正而影响生产。为减少此类风险，则可以将控制界限的区间扩大到[μ±4σ]，发生数据一侧出界的概率将变为0.006%，相关的代价是设备将在一定时间内经受极端工况下的异常损耗[3]。

2 长输管道压力涉及的安全设定值及其应用关系

压力安全保护装置是保证在工作调压系统失效时，下游压力仍可以被维持在其设计的安全运行压力内的安全设备。根据应用的压力安全装置由行动水平影响的不同可分为在维持运行状态下的监控调压和安全泄放，以及终止运行的安全截断[5]。国内现行设计规范涉及天然气长输管道压力安全设备主要有《输气管道工程设计规范》GB 50251—2015和《压力管道规范 长输管道》GB/T 34275—2017，可参照的国外标准有《输气和配气管道系统》ASME B31.8—2018、《输送天然气及其他气体管道：最低的联邦安全标准》49 CFR Part 192和《燃气基础设施.输配用气体压力调节站.功能要求》BS EN12186—2014。GB 50251参照BS EN12186的做法，明确当压力控制系统出现故障会危及下游供气设施安全时，应设置可靠的压力安全装置。提出当上游最大操作压力大于下游最大操作压力时，气体调压系统应设置具备有快速关闭和可靠截断密封的安全截断设备。当上游最大操作压力大于下游最大操作压力1.6 MPa以上，以及上游最大操作压力大于下游管道和设备强度试验压力时，还应加上第二个安全设备。加设的第二个安全设备有三种可选方案，第一种是每一回路串联安装2台安全截断设备；第二种是每一回路安装1台安全截断设备和1台附加的压力调节控制设备；第三种是每一回路安装1台安全截断设备和1台最大流量安全泄放设备[5-6]。第一种串联安装2台安全截断设备的设计，一般适用于上游管网供气比较平稳的情况，或对供气压力波动不敏感的城市燃气用户。一旦发生超压，则上下安全截断阀同时动作切断供气[1,5,11]。第二种设计根据的是BS EN12186和GB 50251条文说明里提出的原则，在支路中除有压力调节阀(PV—pressure valve)外，上游还应依次设置独立的安全截断阀(SSV—safety slam-shut valve)和监控调压阀(MV—monitor valve)，以保证下游输气管道和设备的绝对安全。按流向顺序依次串联设置安全截断阀、监控调压阀和压力调节阀，其中，安全截断阀和监控调压阀的压力检测点均独立设在压力调节阀下游且与压力调节阀的压力监测点邻近布置，相关安装结构如图1所示[5-6]。

图1 管道压力安全设备安装流程图

为提高安全设备动力来源的多样及可靠性，通常选用自力式调压阀作为附加的压力调节控制设备，在系统中扮演监控调压阀角色。自力式调压阀在支路调压正常时处于非工作全开状态，当电动调压阀出现故障造成下游超压时，串联的自力式调压阀将自动投入进行调压，防止系统下游气体压力超过允许的范围。自力式调压阀从动力到调节回路均与电动调压阀回路不同，当供电中断或电动调压阀出现故障时，自力式调压阀既能保障系统下游不超压，又能维持下游的正常供气，提升调压系统的有效性和可靠性[5]。第三种设计方式GB 50251则参考ASME B31.8，所提的最大流量安全泄放设备一般指安全阀，是一种不借助任何外力而利用介质本身的力来排出一定数量的流体，以防止压力超过额定安全值。设置在管道上的安全阀用于保护相关设备不受上游超压的影响，当压力恢复后，阀门再行关闭并阻止介质继续流出[5,7,12]。由于安全阀受结构尺寸和设备安装等因素影响，泄放能力有限，一般应用在少量泄放就能完成调压的场合，或者与监控调压阀串联形成设计冗余。安全压力值的设定关系反映各压力安全设备的响应顺序逻辑，在BS EN 12186中，TOP和MIP分别对应监控调压阀和安全截断阀最高响应设定值的参考上限。GB 50251和ASME B31.8要求最大流量安全泄放设备应根据下游设备设计的最大操作压力确定整定压力。系统运行的最大运行压力，以及监控调压阀、安全截断阀和安全阀的最高压力响应设定值关系如表1所示[5-7]。

表1 最大操作压力、临时操作压力、最大意外压力和整定压力之间的关系

3 现有规范安全设定值在实际长输管道压力控制中的关系

为说明前述规范要求的安全设定值在实际生产中的指导关系，现列举某一燃机电厂用户的上游调压站的运行压力数据。该燃机电厂用户的燃气前置模块入口压力为2.8 MPa至3.2 MPa，最高操作压力为3.5 MPa，最低操作压力为2.4 MPa。随机选取4天正常负荷运行压力数据，以及近三年以来正常负荷运行压力数据，压力随时间变化数据示意如图2所示。

图2 调压后系统下游压力随时间变化数据

从压力随时间变化数据中可得出，该燃机电厂用户一般操作运行压力维持在3.34 MPa左右。在燃机机组正常负荷运行时，(μ+σ) / μ基本维持在1.026的水平，接近于EN 12186给出1.6 MPa至4 MPa区间内波峰水平操作压力为最大操作压力1.025倍的水平，临时操作压力为1.1倍最大操作压力则基本处于μ+4σ/ μ的水平，数据统计结果如表2所示。

表2 压力随时间变化的数据统计结果

4 控制图法应用于优化压力安全设备定值

为观察和评价输气压力的稳定性，通常需要设置压力报警的低低限(LLL)、低限(LL)、高限(HL)和高高限(HHL)。在压力偏离不同限值时，系统将做出不同影响范围的响应。一般在运行压力超过低限和高限时，系统将提醒并记录相关状态，但不进行报警；在运行压力超过低低限和高高限时，系统将发出报警，并反馈工作调压阀动作，调整系统压力。EN 12186第9.3.1条明确，压力低限报警值应由操作需要和下游用户来确定，在设定时，应充分考虑下游用气特点、管存量与人员应急反应时间之间的合理需求，故不再进一步讨论[6]。

现行规范虽明确了监控调压阀、安全截断阀和安全阀的最高响应设定值，未充分考虑设备之间相互干扰和越级响应问题。例如在4 MPa到7.5 MPa的范围内，监控调压阀和安全阀的设定都为最大操作压力的1.1倍，存在越级响应的问题。为使安全设备定值更加合理，可将控制图法应用在不同级别的安全设备定值响应条件上。

结合现有规范，将 μ+σ作为高限；μ+2σ作为高高限；μ+4σ作为监控限；将μ+6σ 至μ+8σ作为终止系统运行的安全限值。考虑到安全阀整定压力有±3%的最大容许偏差，为防止安全阀先于监控调压阀响应，可将安全阀的整定压力设定在μ+4σ，适当向下调整监控调压阀定值，避免在互为设计冗余时相互干扰。压力安全设备建议设定值见表3所示，系统压力运行超过各安全限值的概率如表4所示[12]。

表3 安全限值建议值

表4 系统运行压力超过各安全限值的概率(%)

在上游不出现意外事故和发生大幅波动的条件下，97.725% 的情况下不需要工作调压改变状态；99.18%的情况下不需要电动调压阀外的安全设备进行干预[13]。在监控调压阀和安全阀不失效的情况下，处于系统第二级的安全截断阀动作的概率为9.87×10-10至1.1×10-15，属于不可能发生事件，由两级安全设备组成的压力安全系统能保障长输管道的平稳运行[14]。

5 结语

结合现行规范，将控制图应用于压力安全设备定值优化有以下三个方面的优点：(1)在现行规范的基础上增加高限和高高限报警两个参考限值，量化区分系统正常范围内的压力波动，减少工作调压设备不必要的损耗，避免过低的安全定值导致监控调压设备频繁响应动作。(2)充分考虑各设备存在的合理整定值偏差，增加不同行动水平的安全设备的定值差异，防止相互干扰越级响应。(3)减少安全调压过程中的天然气泄放，在确保系统安全的情况下，尽量维持系统运行[15]。

同时，结合现有生产数据，控制图法很好解释现有规范中安全设备定值的原理。帮助设计人员理解现行规范中不同设备在其应用环境下所能达到的运行效果，优化天然气管网系统设计。