紧急关断阀关断延迟对天然气管道泄漏过程的影响

    1 天然气管道泄漏速率

    天然气扩散是一种非常复杂的大气污染物扩散过程，在对其模拟评价过程中存在大量不确定性因素，这些不确定性因素直接影响了模拟结果的正确性，泄漏速率或泄漏量即为其中之一。天然气泄漏速率是模拟评价天然气管线泄漏事故过程中的重要因素之一，对其研究将有利于提高模拟评价结果的正确性。应用热力学和气体动力学理论，结合理想气体状态方程、绝热方程和能量守恒方程，研究分析了天然气管道的泄漏过程，分别给出了在临界泄漏阶段以及亚临界泄漏阶段的泄漏速率计算公式，为天然气管输安全工程的相关计算提供了可靠的理论依据。

    2 基于HYSYS的动态天然气集输管道泄漏模型

    天然气管道泄漏模型与适用性分析：

    1）稳态泄漏模型。这类模型最常见的是一般泄漏速率模型，利用气体在泄漏点流动状态有关的特性，认为泄漏发生时泄漏处管内压力不变，通常根据各种守恒方程可得出解析解的泄漏速率方程。该方法适用于泄漏时管道内气体压力恒定工况。也有很多研究将小孔泄漏近似为稳态泄漏进行计算。

    2）动态非稳定泄漏模型。目前动态泄漏模型均主要对大孔泄漏和管道泄漏情景进行计算和研究，因难以确定实际泄漏量，基本都假设管道发生泄漏后ESD阀同时关闭，认为泄漏量即为两ESD阀间气体量，并根据能量守恒方程等得到泄漏速率方程。实际上，天然气管道泄漏后，由于受泄漏检测技术、人员干预、执行机构响应等因素的制约，泄漏处上下游ESD阀关断动作并不能保证同步，即存在不同程度的关断延迟。在此借鉴加拿大阿尔伯特能源与公共事业局（AEUB）推荐的天然气管道有效泄漏长度概念，建立管道泄漏的等效开口系统模型，结合过程模拟技术，研究ESD阀关断延迟对泄漏过程的影响。

    3 ESD阀关断动作对泄漏率的影响

    3.1 计算算例条件。

    由于高压天然气管道泄漏速度较高，为清晰对比泄漏后的动态平衡过程和ESD阀关断延迟影响，基于前述理论和模型，建立20000m长、内径为254mm水平天然气管道HYSYS泄漏等效模型。计算管道泄漏常见的小孔、大孔范围内的泄漏口面积，小孔取内管道内横截面积的1%（50615mm²），大孔取10%（5065mm²）。对于全尺寸断裂，泄漏视为管道泄漏模式，泄漏速率为上下游管道单独泄漏速率之和，2个ESD阀延迟相互影响很小，篇幅所限，这里不再分析。为求不同泄漏孔径的气体泄漏速度系数，将等效模型内介质指定为纯甲烷并与美国环保署和国家海洋大气管理局推荐的ALOHA计算数据进行对比验证，虽然ALOHA只能对纯物质提供ESD阀关闭后泄漏量的分钟内均值，但是可以近似得到不同泄漏孔径的泄漏系数，提高模型计算泄漏速率准确度。在此小孔和大孔速度系数分别取0165和0185。设定的条件为：1）因管道处于集输管网的背景压力环境，指定管段的入口压力（本文取9512kPa），下游出口压力（稳态模式求解后指定）；2）入口气体温度为45℃；3）指定实际的气体成分，相关参数如流经上下游ESD阀的流量，泄漏点处压力、温度等由HYSYS计算。基于前述构建的泄漏等效模型，在验证其有效性后，本文利用HYSYS的过程计算优势，计算管道摩擦压力损失变化和沿程热量损失，将管道气流改为实际天然气成分（本文为相对分子质量为19141的高含硫天然气），分析管道泄漏段上下游ESD阀关闭时机对泄漏的影响。为分析和对比ESD阀关断顺序对小孔及大孔泄漏速率的影响，定义以下动作时间点：1）50min为管道由正常平稳运行状态转为泄漏事故状态的开始时刻；2）150min时上游（或下游）ESD阀立即执行关断；3）250min时剩余的下游（或上游）ESD阀执行关断。

    需说明的是，所设各动作时间点只为清晰对比ESD阀关断影响而设定，并不代表管道ESD阀关断动作的实际执行时间。

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    3.2 不同关断条件下的管道流量变化。

    泄漏的发生使管道出入口流量不再相等，为计算有效泄漏质量，在分析泄漏事故状态时，了解天然气管道流量变化有助于分析泄漏速率的变化影响关系。对于小孔泄漏，泄漏发生后（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无回流。

    当上游ESD阀先关断后，下游管道出口将立即出现逆流，补充泄漏量。当下游ESD阀先行关闭时，上游管道入口处流量降低，但持续补充流量明显大于上游先关断段时的逆向补充流量，将造成较多的气体释放。当泄漏为大孔泄漏时，泄漏量则由ESD阀上游管道和ESD阀出口的下游管道共同提供，上游入口流量显著增加，下游管道出口出现大的逆向回流，造成更多的气体释放。当上游ESD阀先行关闭后，泄漏管段下游出口的逆向回流量大幅增加，补充泄漏量。当下游ESD阀先行关闭后，管内上游流量大幅增加，但相比低于上游ESD阀先关断后的出口逆向补充流量。不同孔径和ESD阀不同关断顺序下管内流量存在差异，流量变化存在动态平衡过程，这些因素都决定实际的气体释放质量和速率。显然，如不能保证ESD阀同时关断，应优先关断管道入口ESD阀，此时无论大小孔补充流量都相对较低。

    3.3 不同关断条件下的泄漏速率变化。

    泄漏段管道出入口流量在不同关断顺序和时差条件下的变化决定着泄漏率的变化，泄漏发生后（50min时）由于管内压力存在动态平衡过程，小孔由于泄漏速率低，平衡时间很短，初始时刻流量稍高，十几秒内达到压力平衡后的稳态泄漏流量（由6001215kg·min^-1降至585159kg·min^-1）。而大孔泄漏后初始时刻流量较高，需经过10余分钟系统方达到压力平衡后的稳态泄漏，降幅较高（由5565121kg·min^-1降至4377133kg·min^-1）。实际过程中当上游ESD阀先关断时，大孔和小孔泄漏速率都会降低，但是大孔泄漏速率降低程度明显高于小孔泄漏，泄漏速率在上游ESD阀关断达到稳定后泄漏速率降低34188%小孔泄漏速率仅仅降低3145%。当下游ESD阀先行关闭时，大孔泄漏速率也会大幅下降27153%而小孔泄漏速率并未降低反而有所增加。

    4 结论

    利用本文方法可对不同距离和梯度变化的管道，定义不同的泄漏位置和尺寸，结合管道过程控制参数建立泄漏速率计算模型，为天然气管道泄漏控制提供有益参考。通过本文研究可得到以下结论。

    1）随着泄漏孔径的增加，管道内将出现回流现象，管道ESD阀关断延迟顺序对小孔泄漏和大孔泄漏速率的控制效果存在不同影响。先关断上游ESD阀时，无论小孔还是大孔泄漏，都使下游出口ESD阀处出现逆向流，补充泄漏。而下游先关断时，小孔泄漏使上游入口处管道流量有所降低，而大孔泄漏却使入口处流量大幅增加。2）ESD阀的关断延迟和关断顺序，主要表现在对泄漏速率的影响，即影响单位时间内释放到大气的天然气量，而相同间隔不同顺序的关断对释放持续时间的影响较小。3）在现有天然气管道关断多采用压力、流量监控等自动关断的现状下，为最大限度地控制事故天然气泄漏速率和释放时间，管道的紧急关断应优先采用联动的同时关断方式，其次为上游先关断方式。