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緊急關斷閥關斷延遲對天然氣管道泄漏過程的影響

1天然氣管道泄漏速率
　　
　　天然氣擴散是一種非常復雜的大氣污染物擴散過程，在對其模擬評價過程中存在大量不確定性因素，這些不確定性因素直接影響了模擬結果的正確性，泄漏速率或泄漏量即為其中之一。
　　
　　天然氣泄漏速率是模擬評價天然氣管線泄漏事故過程中的重要因素之一，對其研究將有利于提高模擬評價結果的正確性。應用熱力學和氣體動力學理論，結合理想氣體狀態方程、絕熱方程和能量守恒方程，研究分析了天然氣管道的泄漏過程，分別給出了在臨界泄漏階段以及亞臨界泄漏階段的泄漏速率計算公式，為天然氣管輸安全工程的相關計算提供了可靠的理論依據。
　　
　　2基于HYSYS的動態天然氣集輸管道泄漏模型
　　
　　天然氣管道泄漏模型與適用性分析：
　　
　　1）穩態泄漏模型。這類模型zui常見的是一般泄漏速率模型，利用氣體在泄漏點流動狀態有關的特性，認為泄漏發生時泄漏處管內壓力不變，通常根據各種守恒方程可得出解析解的泄漏速率方程。該方法適用于泄漏時管道內氣體壓力恒定工況。也有很多研究將小孔泄漏近似為穩態泄漏進行計算。
　　
　　2）動態非穩定泄漏模型。目前動態泄漏模型均主要對大孔泄漏和管道泄漏情景進行計算和研究，因難以確定實際泄漏量，基本都假設管道發生泄漏后ESD閥同時關閉，認為泄漏量即為兩ESD閥間氣體量，并根據能量守恒方程等得到泄漏速率方程。實際上，天然氣管道泄漏后，由于受泄漏檢測技術、人員干預、執行機構響應等因素的制約，泄漏處上下游ESD閥關斷動作并不能保證同步，即存在不同程度的關斷延遲。在此借鑒加拿大阿爾伯特能源與公共事業局（AEUB）推薦的天然氣管道有效泄漏長度概念，建立管道泄漏的等效開口系統模型，結合過程模擬技術，研究ESD閥關斷延遲對泄漏過程的影響。
　　
　　3ESD閥關斷動作對泄漏率的影響
　　
　　3.1計算算例條件。
　　
　　由于高壓天然氣管道泄漏速度較高，為清晰對比泄漏后的動態平衡過程和ESD閥關斷延遲影響，基于前述理論和模型，建立20000m長、內徑為254mm水平天然氣管道HYSYS泄漏等效模型。計算管道泄漏常見的小孔、大孔范圍內的泄漏口面積，小孔取內管道內橫截面積的1%（50615mm2），大孔取10%（5065mm2）。對于全尺寸斷裂，泄漏視為管道泄漏模式，泄漏速率為上下游管道單獨泄漏速率之和，2個ESD閥延遲相互影響很小，篇幅所限，這里不再分析。為求不同泄漏孔徑的氣體泄漏速度系數，將等效模型內介質為純甲烷并與美國環保署和國家海洋大氣管理局推薦的ALOHA計算數據進行對比驗證，雖然ALOHA只能對純物質提供ESD閥關閉后泄漏量的分鐘內均值，但是可以近似得到不同泄漏孔徑的泄漏系數，提高模型計算泄漏速率準確度。在此小孔和大孔速度系數分別取0165和0185。設定的條件為：1）因管道處于集輸管網的背景壓力環境，管段的入口壓力（本文取9512kPa），下游出口壓力（穩態模式求解后）；2）入口氣體溫度為45℃；3）實際的氣體成分，相關參數如流經上下游ESD閥的流量，泄漏點處壓力、溫度等由HYSYS計算。基于前述構建的泄漏等效模型，在驗證其有效性后，本文利用HYSYS的過程計算優勢，計算管道摩擦壓力損失變化和沿程熱量損失，將管道氣流改為實際天然氣成分（本文為相對分子質量為19141的高含硫天然氣），分析管道泄漏段上下游ESD閥關閉時機對泄漏的影響。為分析和對比ESD閥關斷順序對小孔及大孔泄漏速率的影響，定義以下動作時間點：1）50min為管道由正常平穩運行狀態轉為泄漏事故狀態的開始時刻；2）150min時上游（或下游）ESD閥立即執行關斷；3）250min時剩余的下游（或上游）ESD閥執行關斷。
　　
　　需說明的是，所設各動作時間點只為清晰對比ESD閥關斷影響而設定，并不代表管道ESD閥關斷動作的實際執行時間。
　　
　　3.2不同關斷條件下的管道流量變化。
　　
　　泄漏的發生使管道出入口流量不再相等，為計算有效泄漏質量，在分析泄漏事故狀態時，了解天然氣管道流量變化有助于分析泄漏速率的變化影響關系。對于小孔泄漏，泄漏發生后（50～150min）泄漏段管道入口流量增加，出口流量降低，泄漏量由泄漏段的上游管道所提供，即在泄漏段管道出口無回流。
　　
　　當上游ESD閥先關斷后，下游管道出口將立即出現逆流，補充泄漏量。當下游ESD閥先行關閉時，上游管道入口處流量降低，但持續補充流量明顯大于上游先關斷段時的逆向補充流量，將造成較多的氣體釋放。當泄漏為大孔泄漏時，泄漏量則由ESD閥上游管道和ESD閥出口的下游管道共同提供，上游入口流量顯著增加，下游管道出口出現大的逆向回流，造成更多的氣體釋放。當上游ESD閥先行關閉后，泄漏管段下游出口的逆向回流量大幅增加，補充泄漏量。當下游ESD閥先行關閉后，管內上游流量大幅增加，但相比低于上游ESD閥先關斷后的出口逆向補充流量。不同孔徑和ESD閥不同關斷順序下管內流量存在差異，流量變化存在動態平衡過程，這些因素都決定實際的氣體釋放質量和速率。顯然，如不能保證ESD閥同時關斷，應優先關斷管道入口ESD閥，此時無論大小孔補充流量都相對較低。
　　
　　3.3不同關斷條件下的泄漏速率變化。
　　
　　泄漏段管道出入口流量在不同關斷順序和時差條件下的變化決定著泄漏率的變化，泄漏發生后（50min時）由于管內壓力存在動態平衡過程，小孔由于泄漏速率低，平衡時間很短，初始時刻流量稍高，十幾秒內達到壓力平衡后的穩態泄漏流量（由6001215kg·min-1降至585159kg·min-1）。而大孔泄漏后初始時刻流量較高，需經過10余分鐘系統方達到壓力平衡后的穩態泄漏，降幅較高（由5565121kg·min-1降至4377133kg·min-1）。實際過程中當上游ESD閥先關斷時，大孔和小孔泄漏速率都會降低，但是大孔泄漏速率降低程度明顯高于小孔泄漏，泄漏速率在上游ESD閥關斷達到穩定后泄漏速率降低34188%小孔泄漏速率僅僅降低3145%。當下游ESD閥先行關閉時，大孔泄漏速率也會大幅下降27153%而小孔泄漏速率并未降低反而有所增加。
　　
　　4結論
　　
　　利用本文方法可對不同距離和梯度變化的管道，定義不同的泄漏位置和尺寸，結合管道過程控制參數建立泄漏速率計算模型，為天然氣管道泄漏控制提供有益參考。通過本文研究可得到以下結論。
　　
　　1）隨著泄漏孔徑的增加，管道內將出現回流現象，管道ESD閥關斷延遲順序對小孔泄漏和大孔泄漏速率的控制效果存在不同影響。先關斷上游ESD閥時，無論小孔還是大孔泄漏，都使下游出口ESD閥處出現逆向流，補充泄漏。而下游先關斷時，小孔泄漏使上游入口處管道流量有所降低，而大孔泄漏卻使入口處流量大幅增加。2）ESD閥的關斷延遲和關斷順序，主要表現在對泄漏速率的影響，即影響單位時間內釋放到大氣的天然氣量，而相同間隔不同順序的關斷對釋放持續時間的影響較小。3）在現有天然氣管道關斷多采用壓力、流量監控等自動關斷的現狀下，為zui大限度地控制事故天然氣泄漏速率和釋放時間，管道的緊急關斷應優先采用聯動的同時關斷方式，其次為上游先關斷方式。