基于TGNET的环形天然气管道干线截断阀压降速率设定值研究

马开冀 王晓静

摘 要：長输天然气管道设置的干线截断阀门，都会设置一定的压降速率值，以便在管道发生泄漏时快速关闭干线截断阀门，防止事故进一步扩大，但由于干线截断阀门设定的压降速率值一般都为经验值，且普遍较大，管道发生泄漏时无法及时关闭，本文利用TGNET水力计算软件对不同工况和不同破损口径等多种情况进行模拟比对，以确定不同情况下的压降速率设定值。

关键词：环形天然气管道;泄漏;压降速率;延时时间;TGNET

1 前言

天然气管道一旦发生泄漏，不仅会因气体泄漏造成一定的经济损失和对环境的污染，严重情况下，还可能引发火灾或者爆炸。为保障天然气输送系统的安全平稳运行，目前系统内的干线截断阀门都会设置一定的压降速率值且普遍较大，一般为经验值0.15MPa/min，延时时间为120s，当系统内压力降超过该值并超过延时时间时，由驱动装置自动关闭阀门。由此看出压降速率和延时时间的取值直接影响到发生泄漏时阀门是否可以及时快速的关闭;当取值偏大，系统发生泄漏时，则阀门无法及时关闭，将可能引起更大的事故危险;当取值偏小，系统未发生泄漏时，也有可能因其他原因引发阀门误关断或频繁关断，将严重的影响系统的正常生产运行。因此对压降速率和延时时间的取值研究就显得尤为重要。

2 软件的选用

长输天然气管道系统是一个非线性且随时发生变化的系统，要对不同位置的阀门压降速率和延时时间进行精准计算，应先建立与管道实际运行情况相对应的数学模型，根据实际工况的稳态数学模型进行瞬态模拟与分析，得出气体流态在管道系统中的分布情况和随时间的变化情况。

TGNET水力计算软件能够对天然气管道系统中进行稳态模拟和瞬态模拟，可以有效的对天然气管道系统正常工况和事故工况进行分析，其软件选用的BWRS状态方程更是引用了多达11个参数的状态方程，引入的参数越多，考虑的因素就越多，适用的范围也就越广。因此本文选用TGNET水力计算软件进行建模分析。

3 建立模型

以某管道公司环形天然气管网为例，环形干线管道长度约659km，管径为D508mm，单日平均输气量为350×104Nm3/d的输气系统，输气站A是系统的进气点。利用TGNET水力计算软件进行建模，模型示意图如下：

4 泄漏工况模拟

4.1 靠近进气点位置泄漏模拟

在2#和3#阀室阀室1/2位置处设置一个泄漏孔，通过改变泄漏孔径来模拟实际发生泄漏时管道上下游及其相邻阀室处的压力变化情况，并判断干线截断阀门是否会在压降速率超过±0.15MPa/min、延时时间为120s时及时关闭。

泄漏孔径为200mm：设定泄漏孔径d=200mm，相对泄漏孔径40%，泄漏位置于2#阀室下游10km处，利用计算软降对1#、2#、3#、4#阀室处的压降速率进行计算分析，得到管道发生泄漏后300s内1#、2#、3#、4#阀室的压降速率。

计算结果得出2#阀室压降速率超过±0.15MPa/min的时间为114s，3#阀室压降速率超过±0.15MPa/min的时间为140s，1#和4#阀室压降速率均未超过±0.15MPa/min。由此判断，发生泄漏时仅3#阀室的干线截断阀会自动关闭，1#、2#和4#阀室因实际的压力变化值低于设定的压降速率值，且持续时间较短，故不会执行关阀动作。

当泄漏孔径达到200mm时，也仅有3#阀室的干线截断阀门关闭，其他阀门阀门均未关闭，所以当前±0.15MPa/min的压降速率值设定偏大，若适当将压降速率设定值设定为±0.13MPa/min、延时时间为120s，则2#、3#阀门的干线截断阀会执行关阀动作。

4.2 远离进气点位置泄漏模拟

在6#和7#阀室阀室1/2位置处设置一个泄漏孔，通过改变泄漏孔径来模拟实际发生泄漏工况时管道上下游及其相邻阀室处的压力变化情况，并判断干线截断阀门是否会在压降速率超过±0.15MPa/min、延时时间为120s时及时关闭。

泄漏孔径为200mm：设定泄漏孔径d=200mm，相对泄漏孔径40%，泄漏位置于6#阀室下游10km处，利用计算软降对5#、6#、7#、8#阀室处的压降速率进行计算分析，得到管道发生泄漏后300s内5#、6#、7#、8#阀室的压降速率。

计算结果得出发生泄漏后5#、6#、7#、8#阀室处的压降速率均未达到±0.15MPa/min、延时时间为120s的关阀条件，所以当前±0.15MPa/min的压降速率（下转第20页）（上接第18页）值设定偏大，若适当将压降速率设定值设定为±0.13MPa/min、延时时间为120s，则6#、7#阀门的干线截断阀会执行关阀动作。

5 不同工况对压降速率的影响

为在实际运行过程中更准确的判定干线截断阀压降速率的设定值，还应综合考虑其他因素对计算结果的影响。

5.1 不同输量的影响

实际运行中系统输送气量受季节性影响，为单纯研究不同输量对压降速率的影响，设定泄漏孔径d=200mm，相对泄漏孔径40%，泄漏位置于2#阀室下游10km处，分别对不同输量下的压降速率进行模拟计算，得出在气量差异较大时，系统在发生泄漏时压降速率变化过程基本一致，其超过0.15MPa/min的延时时间均超过120s;因此在相同条件下，不同输量的变化对压降速率的影响可忽略不计。

5.2 不同泄漏孔径的影响

仍设定泄漏位置于2#阀室下游10km处，分别模拟计算300s内不同泄漏孔径（50mm、150mm、250mm、350mm）对压降速率的影响，对比结果发现，当泄漏孔径分别为50mm和100mm时，压降速率未达到其设定值0.15MPa、

延时时间120s的关阀条件，当泄漏孔径分别为250mm和350mm时压降速率明显超出其阀门设定值，且延时时间更长，泄漏孔径与压降速率成正比，如前所述，压降速率设定值不宜设置过低，因此应考虑在相对泄漏孔径的30%以上确定压降速率设定值和延时时间。

5.3 不同泄漏位置的影响

设定泄漏孔径d=200mm，其他输入条件不变，分别模拟计算300s内不同泄漏位置（2#出口、1/3、2/3、3#入口）对压降速率的影响，得出在泄漏位置不同，压降速率出现峰值和延迟时间也有较大差异，当泄漏位置分别在2/3和3#入口处时，压降速率未达到其设定值0.15MPa、延时时间120s的关阀条件，由此判断泄漏位置越远，压力衰减越弱，持续时间越短，对压降速率的影响也就越小。

6 结论

为更精准的确定干线截断阀门的压降速率设定值，在保证系统发生泄漏时能快速的执行关阀动作，又要避免因压降速率设置过小导致阀门的误关断或频繁关断，在实际应用中除综合考虑多重因素对压降速率的影响外，还应在系统内设置一个最小泄漏报警限，和对重点管段进行更精确的模拟计算。总结文中确定压降速率设定值的方法如下：①建立与实际工况一致的系统模型，输入的变量条件越多，输出结果也就越准确;②在系统内建立一个典型泄漏工况，将其结果分别代入其他分段管道，验证是否合理;③泄漏位置的不同和泄漏孔径的大小对压降速率的影响最大，应针对不同输气系统、不同管段进行分析筛选;④在实际应用过程中，对运行工况不稳定的输气系统，应逐步减小压降速率设定值，待运行一段时间后再做调整。