中亞天然氣雙線管道瞬態(tài)工況分析

李傳憲 王 迪 張樹文 左 棟 唐道林

1中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院2中國石油中亞天然氣管道有限公司

中亞天然氣雙線管道瞬態(tài)工況分析

李傳憲1 王 迪1 張樹文1 左 棟2 唐道林1

1中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院2中國石油中亞天然氣管道有限公司

中亞天然氣管道為雙管并行管線，其瞬態(tài)工況特征有別于單線管道。基于建立的中亞A/B雙線仿真模型，分析了管道泄漏、干線截斷閥關閉等事故發(fā)生時的A/B雙線的壓力、流量變化特征及其差異。分析認為，A/B兩線的相互影響主要是通過連接兩線的站場進行的。B線某處發(fā)生泄漏時A線對應點的壓力和流量變化幅度小于B線，B線截斷閥意外關斷時，A線流量和壓力在管線連接處開始發(fā)生變化，其上游的流量變化幅度和波及范圍小于B線；B線截斷閥關閉對A線站場下游壓力和流量沒有影響。研究成果對雙線管道的事故診斷和搶修具有重要指導意義。

天然氣；雙線管道；仿真模型；瞬態(tài)工況

天然氣管網(wǎng)在運行過程中受到沿線環(huán)境、自然災害、人為因素等的影響，可能發(fā)生泄漏、堵塞、停機等事故，使全線的壓力、流量等發(fā)生變化[1]，嚴重時影響全線壓縮機的正常運行，最終導致全線停運或安全事故。通過建立模型進行工況分析，可以得到不同工況條件下全線參數(shù)變化特征，總結各參數(shù)變化規(guī)律，對于事故前的預防和事故后的搶修具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)外學者對于常規(guī)單線管道的工況分析研究較多，部分學者通過建立天然氣在管道中的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，采用數(shù)值方法求解并編制軟件進行研究[2]，也有部分學者直接利用商業(yè)化的軟件（如SPS）進行研究[3]。部分學者利用仿真模型對天然氣管網(wǎng)運行優(yōu)化技術進行研究[4]，部分建立了天然氣管網(wǎng)運行優(yōu)化問題的算法[5]。目前研究主要是針對單線管道進行的，對于雙管并行管線的非穩(wěn)態(tài)運行狀況研究較少。雙管并行管線運行過程中其中一線發(fā)生泄漏或者截斷閥意外關斷時，對另一線的影響是通過連接兩線的站場進行的，并存在滯后時間，而且兩線的壓力、流量變化特征不同，有別于單線管道的瞬態(tài)工況。本文基于建立的中亞A/B雙線仿真模型，重點分析管道泄漏、干線截斷閥關閉等事故發(fā)生時對應的A/ B雙線流量及壓力變化的差異狀況。

1 雙線管道概述

中亞天然氣全線采用雙管并行敷設方式，全長1 833 km，管道直徑1 067 mm，設計壓力9.81 MPa，沿線設8座壓氣站。A/B線分別于2009年和2010年建成通氣，2012年12月達到設計輸氣能力300× 108m3/a。

中亞天然氣A/B雙線管道采用變壁厚設計，烏茲別克斯坦境內(nèi)壁厚16.2 mm，哈薩克斯坦境內(nèi)壁厚15.9 mm，管道內(nèi)壁粗糙度均為10μm。管道途經(jīng)地域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍臒?。其沿線地溫和總傳熱系數(shù)見表1。

表1 沿線地溫和傳熱系數(shù)

2 仿真模型建立

根據(jù)中亞天然氣A/B雙線管道的基礎資料，利用管道分析軟件建立了A/B雙線的仿真模型。通過對管壁粗糙度、壓縮機參數(shù)等數(shù)據(jù)的調(diào)整，使得模擬計算出的壓力及流量與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)基本一致。表2為模擬計算出的各站場壓力和2015年1月19日實際站場壓力對比表。從表2可以看出，實際運行參數(shù)和模擬的運行參數(shù)相對誤差均小于3%，能夠滿足工程計算誤差要求，證明該模型可較好地反映管道的實際運行狀況，為進行瞬態(tài)工況的分析提供了基礎。

表2 壓力參數(shù)對比

3 瞬態(tài)工況分析

圖1為利用建立的仿真模型計算出的管道正常運行時的壓力及流量分布曲線，由于中亞天然氣A/ B雙線共用8座壓氣站，因此A、B線壓力、流量分布基本相同。模擬計算首站進站壓力6.28 MPa，出站壓力8.18 MPa，末站進站壓力6.77 MPa，出站壓力9.01 MPa，壓力波動范圍6.19～9.19 MPa；流量基本平穩(wěn)，無較大波動。

圖1 正常工況下壓力及流量分布

3.1 輸氣管道B線泄漏瞬態(tài)工況

天然氣管道B線820 km處發(fā)生泄漏時的B線的流量變化曲線如圖2所示，可以看出，泄漏發(fā)生后，B線泄漏點上游流量瞬時從3 851×104m3/d增加到11 650×104m3/d并保持穩(wěn)定；在泄漏發(fā)生后的某一時刻，越靠近泄漏點，流量越大；流量變化波及范圍逐漸增加，但增加速度降低。泄漏發(fā)生后B線泄漏點下游流量變化規(guī)律與上游相反，出現(xiàn)逆向流動，泄漏點流量瞬時降低到-9 500×104m3/d，變化幅度遠大于上游點；受到里程858 km處壓氣站CS2的影響，下游流量變化曲線擴大到858 km處不再發(fā)生變化。

圖2 不同泄漏時間對應的B線流量變化曲線

B線泄漏后，由于A線流量通過A、B線中間連接站場向B線轉(zhuǎn)移，導致A線流量發(fā)生變化。A線與B線泄漏點有相同里程的對應點（以下簡稱A線對應點）處的流量變化曲線如圖3所示，可以看出，B線發(fā)生泄漏瞬時A線對應點流量變化幅度較小，上游流量變化速率大于下游流量變化速率。泄漏發(fā)生1 min時，A線對應點上游流量僅增加150× 104m3/d，下游流量幾乎保持不變。隨泄漏時間增加，對應點上、下游流量開始發(fā)生較大變化，泄漏發(fā)生3 min時，對應點上游流量增加3 700×104m3/ d，下游流量降低310×104m3/d，下游流量變化幅度遠小于上游。

圖3 B線泄漏不同時刻A線流量變化曲線

B線泄漏點和A線對應點處的壓力隨時間變化曲線如圖4所示。管道泄漏后，B線泄漏點處壓力下降較快，瞬時直線下降0.5 MPa，隨后雖然下降速率減小，但下降值仍然較大。由于泄漏點至最近站場有37 km的距離，A線對應點處壓力變化存在2.8 min滯后時間，然后壓力開始下降，下降速度明顯小于B線。

發(fā)生泄漏事故會引起上、下游的流量及壓力波動，若不及時處理泄漏事故工況，高速氣流的沖刷造成泄漏孔徑增大，會造成更大流量的泄漏或管道爆管的事故。泄漏量較大時更會影響全線壓縮機的正常運行，尤其是泄漏點下方最近處的站場壓縮機，最終可導致全線停運。

3.2 B線截斷閥緊急關斷

輸氣管道B線截斷閥（0017B閥室）意外關斷時，A、B線管內(nèi)流量隨時間變化曲線如圖5所示，B線曲線位于正常流量線下方，曲線隨事故時間逐漸增加從中間向兩端分布；A線曲線位于正常流量線上方，曲線隨事故時間逐漸增加從下至上分布。0017B閥室突然關斷后，B線通過該閥室的天然氣流量瞬間減少至零，其上、下游的流量下降速率較大，流量曲線成漏斗狀，并不斷向外擴大。

圖4 泄漏點壓力隨時間變化曲線

圖5 閥室0017B關斷時A、B線流量曲線

A線流量在下游共用站場處發(fā)生變化，并不斷向上游波及，對站場下游流量沒有影響；在發(fā)生事故1 min后靠近站場處流量增加500×104m3/d，隨時間增加，靠近站場處流量逐漸增加，并向站場上游處擴大，但其流量變化幅度和波及范圍小于B線。

輸氣管道B線截斷閥（0017B閥室）意外關斷時，A、B線管內(nèi)壓力隨時間變化曲線如圖6所示。B線在0017B閥室（821 km）上游壓力增加，下游壓力降低，隨時間延長，壓力變化幅度增大。B線0017B閥室的意外關斷對A線壓力也產(chǎn)生了影響，其變化從下游共用站場CS2處開始降低，隨時間延長壓力降低幅度逐漸增加并向上游擴大；經(jīng)過壓縮機工作點的調(diào)整，出站壓力并無太大變化。

圖6 閥室0017B關斷時A、B線壓力曲線

4 結論

（1）中亞天然氣A/B雙線管道運行過程中，B線發(fā)生泄漏或者截斷閥意外關斷，對A、B兩線都有較大的影響，對A線的影響主要通過連接兩線的站場進行的。

（2）天然氣管道B線某處發(fā)生泄漏時B線泄漏點的壓力迅速降低，B線泄漏點上游流量瞬時上升到最高點，流量變化波及范圍逐漸增加；B線泄漏點下游出現(xiàn)逆向流量，流量變化幅度遠大于泄漏點上游；B線泄漏后對A線壓力和流量變化存在一個滯后時間，滯后時間受泄漏點與站場的距離影響，并且A線對應點的壓力和流量變化幅度小于B線。

（3）輸氣管道B線截斷閥意外關斷時，B線通過該閥室的天然氣流量瞬間減少至零，流量曲線成漏斗狀，并不斷向外擴大；閥室的上游壓力增加，下游壓力降低。A線流量和壓力在共用站場處開始發(fā)生變化，其流量變化幅度和波及范圍均小于B線，并不斷向上游波及；對A線站場下游壓力和流量沒有影響。

[1]趙小平，萬捷．704泵站-獨山子輸氣管道非穩(wěn)態(tài)運行工況分析[J]．油氣田地面工程，2009，28（4）：10-12.

[2]DORAO C A，F(xiàn)ERNANDINO M．Simulation of transients in natural gas pipelines[J]．Journal of Natural Gas Science and Engineering，2011，3（1）：349-355.

[3]趙俊，陳永昌，朱鋒，等．利用SPS模擬西氣東輸管道壓氣站單機失效問題及建議[J]．石油規(guī)劃設計，2012，23（5）：43-46.

[4]艾慕陽，蔣毅，宋飛，等．大型天然氣管網(wǎng)運行方案多目標決策優(yōu)化[J]．油氣儲運，2011，30（10）：739-742.

[5]陳進殿，汪玉春，湯俊杰．用微粒群算法實現(xiàn)天然氣管網(wǎng)運行最優(yōu)化[J]．油氣儲運，2009，28（1）：7-11.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.017

李傳憲：博士，教授，主要從事油氣管道系統(tǒng)節(jié)能降耗理論與安全保障技術方面的教學與科研工作。

2015-06-04

基金論文：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（14CX02210A，15CX06072A）資助。