输气管道放空时间测算及作业控制方法

张 科

（陕西省天然气股份有限公司，陕西 西安 710016）

0 引言

输气管道放空作业是生产运行过程中的常见环节，但放空时间的测算与过程控制对管道放空作业的顺利实施以及管道停输施工期间下游用户的保供具有重要的意义。靖边—西安天然气管道运行系统具有线路长、规格多、敷设范围广、管道沿线环境复杂等特点，并且该系统承担着向西安市、关中地区以及陕南地区天然气供给的重要任务，对管道运行的稳定性要求极高。因此有必要结合生产实际对管道放空作业时间进行测算与研究。基于靖西三线输气管道8号—9号阀室间管道因第三方施工导致轻微泄漏而实施应急抢险作业，对施工管道放空作业过程分别进行数值计算与模拟计算研究，并与实际放空作业过程进行了对比分析。

1 数值计算

1.1 计算模型

在施工管道放空作业过程中，气体处于非稳定流动状态［1-3］，由于管道放空作业过程中压降变化较大，导致管道内气体的温度、密度等物性参数随时间不断变化，在整个放空作业过程中气体要经历两种流态，即临界流状态和亚音速流状态［4-8］。同时，放空作业会受到施工管道长度、施工管道外径与壁厚、放空管外径与壁厚、管道摩阻、放空阀开度等多种因素的影响，定量分析放空作业过程较为复杂，但在应急抢险过程中，往往需要通过估算放空作业时间来有效控制抢险过程。因此，在施工管道放空时间估算时，通常忽略亚音速流状态，将放空作业过程当做临界流状态，忽略放空管阻力损失的临界流数值计算模型如式（1）所示［9-11］。

式中，t为放空时间，s；V为施工管道的容积，m3；μ为放空阀相对开度，无量纲；A为放空阀全开后流通截面积，m2；p1为放空前施工管道内天然气平均绝对压力，MPa；p2为放空后施工管道内天然气绝对压力，MPa；Mr为天然气相对分子质量，无量纲；Z为天然气压缩因子，无量纲；Rcon为天然气气体常数，J／kg·K；T为施工管道内天然气温度，K；κ为天然气等熵绝热指数，无量纲；g为重力加速度，g＝9.8 m／s2。

1.2 基本参数

靖西三线输气管道8号—9号阀室间施工管道放空作业过程基本参数如表1所示，两座阀室均为单管放空，放空阀开度均由小到大单调递增，为简化计算将天然气近似地按纯甲烷考虑，取天然气在101.25 kPa、20 ℃状态下的气体常数、等熵绝热指数及压缩因子［12］，按照放空阀尺寸与放空管尺寸一致且两座阀室同时点火放空的工况进行测算。

1.3 数值计算

将该段施工管道放空作业的相关参数代入式（1）进行计算，测算该段施工管道持续放空直至表压为0时，将放空阀不同开度对应的放空时间进行统计（表2）。

从测算结果看，在只考虑放空阀开度与放空时间关系时，同一施工管道放空作业所需的放空时间是随着放空阀开度的增加而逐渐减小，但在实际放空作业过程中，尤其是针对高压输气管道放空作业，放空阀开度是在连续变化且具体变化情况与操作人员的业务水平、操作经验以及放空管周围环境等因素密切相关，简单通过数值计算来测算放空时间存在较大局限性。

表1 放空作业相关参数表

表2 放空阀相对开度与放空时间关系表

2 模拟计算

为了掌握管道放空作业过程，准确测算放空作业时间，基于靖西三线输气管道8号—9号阀室间施工管道放空作业过程，利用TGNET Pipeline Studio 3.0 软件搭建放空作业瞬态模型，对管道放空过程进行动态模拟［13-18］。在不考虑放空管周围环境及人为干预的情况下，假设两座阀室同时同步开始进行放空作业，在放空阀开启时开始记录放空时间，放空阀开度均由小到大单调递增，模拟施工管道内天然气压力随放空阀开度及放空时间的变化情况。

2.1 模型设置

采 用 TGNET Pipeline Studio 3.0 软件 在 TGNET 主视 窗 中 利 用 Supply、 Deliver、 Leak、 Pipe、 Block valve等元件构建阀室放空作业模型（图1）。

图1 放空作业模型图

初始条件。在主视窗中选用的各种模型元件中设置如表1所示的施工管道长度、施工管道外直径与壁厚、放空管外直径与壁厚、阀室高程、天然气压缩因子、施工管道内天然气温度等相应的基本参数（表1），设置施工管道内壁粗糙度为20 μm，取距离步长经验值为0.5 km，选放空阀流量系数为50 000，两阀室阀门开度Amount open 为0，模型进气口压力设为3.30 MPa。

边界条件。流体状态方程选用Peng-Robinson 方程，管道气体摩阻方程选用Colebrook-White 方程，模型进气模式选用Max Pressure 最高压力模式，输气模式选用Max Flow 最大流量模式，两座阀室放空阀相对开度由小到大单调递增即控制Amount open 变化区间为0～1。

其他条件。为保证模型与放空作业前实际工况接近，设置模型中施工管道在放空作业前输送的气体瞬时流量为850×104Nm3／d。

2.2 模拟计算与分析

根据建立的模型，通过调整漏气通径Leak Diameter进行赋值，利用Transient瞬态模式开始进行放空模拟，分别模拟“立即开启放空阀”、“近匀速开启放空阀”、“先慢后快开启放空阀”三种工况，按照8 号、9 号阀室同时同步点火放空，对比施工管道压力变化与放空时间的关系，由于两阀室模拟放空作业工况基本相同，故以8号阀室放空作业工况进行讨论。

立即开启放空阀。在模型中输入立即放空指令后，模型系统立即打开放空阀，即模拟忽略因放空阀前后压差产生的开阀阻力而引起的时间延迟且不考虑放空管周围环境因素的影响，两阀室同时同步开始放空，放空阀开度瞬间达到100%（图2），由图2可知，放空阀相对开度曲线为避免与纵坐标轴重合略微进行了位置调整，施工管道内天然气压力经过0.36 h 后由3.26 MPa 下降至0.5 MPa，施工管道压力曲线斜率较大，在0.36 h后施工管道压力曲线斜率逐渐变小直至放空结束，最终施工管道放空所用时间为0.71 h。

图2 立即开启放空阀时施工管道压力随时间变化曲线图

近匀速开启放空阀。假定为减小点火放空作业对周围环境的影响，调整模型设置持续近匀速开启放空阀直至全部打开，施工管道压力随着放空阀开度增大而逐渐下降，3 h 后放空阀全部打开（图3）。从施工管道压力变化曲线看，在匀速开启放空阀的第1 h内，施工管道压力曲线斜率较小，压力下降缓慢，在匀速开启放空阀的第2 h内，施工管道压力曲线斜率增加，压力快速下降，之后继续匀速开启放空阀，施工管道压力曲线斜率又逐渐变小，压力下降缓慢直至放空结束，实际放空时间为2.81 h，小于放空阀全开所用时间3 h，即在放空阀相对开度为0.95时施工管道压力已降至0。

图3 近匀速开启放空阀时施工管道压力随时间变化曲线图

先慢后快开启放空阀。为了使模型与实际放空作业过程接近，假设考虑放空管周围环境、放空作业噪声及放空火焰高度等因素，对模型设置进行调整以模拟放空阀缓慢开启的过程，要求在放空阀前后差压较高时控制放空火焰高度，待压差逐步减小后根据火焰高度逐渐全部打开放空阀，在放空阀开启的前3 h 内，放空阀相对开度曲线斜率小于图3 中放空阀相对开度曲线斜率，之后放空阀开度曲线斜率大于图3所示，放空阀开度逐渐增加直至放空阀全开，放空阀全开所用时间为4 h（图4）。与之对应，施工管道压力变化曲线在前3 h内斜率较小，3 h后放空阀相对开度曲线斜率迅速增加，施工管道压力曲线斜率逐渐增大，压力逐渐降低直至放空结束，放空时间为4.22 h大于放空阀全开所用时间，即在放空阀全开后0.22 h施工管道压力降至0。

图4 先慢后快开启放空阀时施工管道压力随时间变化曲线图

3 放空实践

3.1 放空作业概况

在靖西三线8号—9号阀室间管道因第三方施工导致轻微泄漏而实施应急抢险作业时，综合考虑泄漏情况及管网系统运行工艺，立即关闭施工管道上游侧8号阀室线路截断阀，通过向管网下游平压、利用大用户用气降压等工艺方式调节［19］，待压力降至预定值时关闭施工管道下游侧9 号阀室线路截断阀，开始进行放空作业，施工管道长度、放空管等基本情况如表1所示，放空作业前8号阀室下游侧压力为3.32 MPa，9号阀室上游侧压力为3.2 MPa。

按照放空作业计划，分别通过8号阀室下游侧放空阀和9号阀室上游侧放空阀同时进行点火放空，以不扰民为原则，通过调整放空阀开度控制放空火焰高度、放空噪音大小等，避免引发次生灾害，直至放空火焰微弱后关闭放空阀，保证施工管道内天然气处于微正压状态，避免空气回流进入施工管道而带来安全隐患［20］。

3.2 放空作业记录

由于放空作业过程会受到操作人员业务技能、周围环境等外界因素影响，故对8号、9号阀室实际放空过程中压力变化与放空阀开度情况进行对比分析，在放空阀开启时开始记录放空时间。

8 号阀室点火放空时施工管道压力为3.32 MPa，由于阀室放空管位于村庄附近，依据现场环境，调整放空阀开度，控制放空火焰大小，避免扰民及引发次生灾害。根据放空作业过程记录，放空阀相对开度与施工管道压力变化情况（图5），在第192 min时放空阀全部打开，第243 min 时施工管道压力约为1 000 Pa，放空火焰微弱，关闭放空阀，放空作业结束，即8号阀室放空阀全开所用时间为3.2 h，实际放空时间为4.05 h。

9 号阀室点火放空时施工管道压力为3.2 MPa，由于阀室放空管附近多林地，依据现场周围环境，调整放空阀开度，控制放空火焰大小，避免引发森林火灾及次生灾害。根据放空作业过程记录，放空阀相对开度与施工管道压力变化情况（图6），在第157 min时放空阀全部打开，第216 min时施工管道压力约为900 Pa，放空火焰微弱，关闭放空阀，放空作业结束，即9 号阀室放空阀全开所用时间为2.62 h，实际放空时间为3.6 h。综上所述，施工管道放空时间即为8号阀室放空时间4.05 h。

图5 8号阀室下游侧管道放空压力变化图

图6 9号阀室上游侧管道放空压力变化图

3.3 分析与对比

1）数值计算反算分析。根据此次放空作业过程记录，将实际放空作业过程与数值计算结果进行对比，把施工管道放空时间4.05 h 代入式（1）进行反算，得出放空阀相对开度为16.8%。即认为，仅基于此次放空作业的特定工况，综合考虑外界因素影响，只要控制放空阀相对开度为16.8%，即可满足此次放空作业实际要求。

2）模拟计算结果对比。将两座阀室实际放空过程中压力变化及放空阀开度情况与模拟计算结果进行对比发现，施工管道压力及放空阀相对开度随时间变化曲线与模拟计算施工管道压力曲线的变化趋势相近（图4）。在实际放空作业初期，由于放空阀前后压差较大，放空阀保持在较小开度，以控制放空气量大小，避免放空火焰过高而威胁周围植被及居民安全，随着放空作业进行，施工管道内外压差逐渐减小，放空阀开度亦随之增大直至放空结束。图4中“先慢后快”开启放空阀的模型计算出的两座阀室同时放空所用时间为4.22 h 与实际放空时间4.05 h基本接近。

从放空阀操作过程看，8号阀室放空阀相对开度处于20%以内的时间约为105 min，占放空时间的43%，9 号阀室放空阀相对开度处于20%以内的时间约为102 min，占放空时间的47%，即认为此次放空作业控制放空阀相对开度处于20%以内的时间约占放空总时间的50%，这种在放空作业前半程控制放空阀相对开度处于20%以内的“先慢后快”的控制方法更接近实际放空作业需要。

4 结论

通过数值计算与模拟计算两种方式，结合放空作业实践对施工管道放空时间测算及作业控制方法进行分析，结果表明：

1）放空时间与放空阀相对开度有密切关系，可通过临界流数值计算模型对放空时间进行估算，但计算结果通常较实际放空作业时间偏小，利用TGNET Pipeline Studio 3.0软件构建合理的瞬态模型能够较准确的测算放空时间。

2）在放空作业前半程控制放空阀相对开度处于20%以内的“先慢后快”的控制方法更符合此次放空作业实际需要。

3）施工管道放空作业与管道长度、直径、压力等固有物性参数有关，但同时会受到放空管周围环境、放空阀操作人员业务技能等因素的影响，应总结经验，利用大数据手段，引入环境影响因子、人员影响因子或综合影响因子，在现有的数值计算模型和模拟计算模型的基础上优化，总结出更具指导意义的放空时间测算模型。