嚴密

中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司 

摘要：為減少天然氣長(cháng)輸管道線(xiàn)路截斷閥誤關(guān)斷，提高閥室泄漏檢測系統的可靠性，基于大量閥室誤關(guān)斷事件的原因分析，結合氣體流體力學(xué)理論，運用SPS軟件建立了長(cháng)輸天然氣管線(xiàn)泄漏的仿真模型，研究管線(xiàn)泄漏過(guò)程有關(guān)泄漏距離、壓力等條件對壓力下降過(guò)程的影響規律，計算在管線(xiàn)出現泄漏時(shí)可能發(fā)生的最快壓力下降過(guò)程數據。據此，設計了一種基于壓力變化過(guò)程判斷天然氣長(cháng)輸管道線(xiàn)路泄漏方案，并開(kāi)發(fā)了泄漏管線(xiàn)截斷閥關(guān)斷的控制算法。數據及試驗結果表明，本方法能根據壓力變化特征區分出誤關(guān)斷信號與真實(shí)泄漏信號，可降低70%左右的誤關(guān)斷率。

關(guān)鍵詞：泄漏檢測系統；長(cháng)輸管線(xiàn)泄漏；截斷閥誤關(guān)斷；SPS軟件

長(cháng)輸天然氣管線(xiàn)站場(chǎng)及閥室均具有基于壓力監測的天然氣泄漏檢測系統，在發(fā)生天然氣大量泄漏時(shí)會(huì )緊急關(guān)斷線(xiàn)路截斷閥。盡管泄漏檢測系統的軟硬件都通過(guò)了嚴格工況測試，但在實(shí)際運行中由于壓力變送器故障、系統接地等因素導致線(xiàn)路截斷閥出現誤關(guān)斷的情況屢有發(fā)生^[1]。據統計，僅某管道公司2007～2016年就共發(fā)生55次截斷閥誤關(guān)斷事件。截斷閥的誤關(guān)斷會(huì )直接影響長(cháng)輸管線(xiàn)向下游供氣，管線(xiàn)壓力驟變還可能造成站場(chǎng)壓縮機組停機、工業(yè)用戶(hù)經(jīng)濟損失等次生事件。

為減少甚至根除天然氣長(cháng)輸管道線(xiàn)路截斷閥誤關(guān)斷問(wèn)題，經(jīng)過(guò)大量的調研分析、仿真建模及試驗驗證，本文設計了一種基于壓力變化過(guò)程判斷線(xiàn)路泄漏方案，從而為減少截斷閥誤關(guān)斷提供了解決方法，對平穩高效安全地輸送天然氣具有重要意義。

1　現狀分析

天然氣長(cháng)輸管道泄漏檢測系統通過(guò)截斷閥位置安裝的壓力變送器采集并檢測天然氣管線(xiàn)的運行壓力，實(shí)時(shí)判斷管線(xiàn)運行情況。當系統檢測到管線(xiàn)壓力壓降速率過(guò)大或壓力數據過(guò)低時(shí)，判斷為管線(xiàn)發(fā)生天然氣泄漏，并向執行機構發(fā)出關(guān)斷命令，截斷長(cháng)輸天然氣管線(xiàn)的上下游。

近年來(lái)，因泄漏檢測系統檢測信號異常導致的截斷閥誤關(guān)斷事件頻繁發(fā)生，并引起了業(yè)內高度重視。為降低其誤關(guān)斷率，采取了各種管理和技術(shù)手段，但截斷閥誤關(guān)斷事件仍時(shí)有發(fā)生，誤關(guān)斷率依然居高不下。

經(jīng)過(guò)對某管道公司發(fā)生的55次誤關(guān)斷事件統計發(fā)現，因壓力變送器故障導致的占65 %，因雷雨天氣導致占22%，其他原因占5%，未明確單一原因的占8%。進(jìn)一步分析發(fā)現，所有已發(fā)生的至少92%的誤關(guān)斷事件均通過(guò)泄漏檢測系統檢測到的壓力異常體現出來(lái)，并最終引發(fā)誤關(guān)斷。鑒于此，本文開(kāi)展了基于壓力變化特性的長(cháng)輸天然氣管線(xiàn)泄漏線(xiàn)路截斷閥關(guān)斷控制方法研究。

2　系統仿真

本研究仿真和計算相關(guān)工作通過(guò)Stoner Pipeline Simulator（下稱(chēng)SPS）軟件完成，該軟件被眾多工程和公司采用，主要用于管道設計及流體分析。SPS擁有精確模擬管道設備中流體力學(xué)的能力，可提供非常精確的仿真精度^[2]。

在SPS中對長(cháng)輸天然氣管線(xiàn)泄漏建立了流體模型后，先分析管線(xiàn)的管徑、壓力、輸量、泄漏位置等多種因素對于壓力下降過(guò)程的影響^[3]。再以這些條件對泄漏的影響程度作為理論依據，選取發(fā)生最大泄漏時(shí)壓力下降過(guò)程最快的管線(xiàn)，再計算出這個(gè)管段的各壓力情況下的最大壓力下降過(guò)程數據，并以此數據作為發(fā)生最大泄漏時(shí)的代表。

2.1　仿真建模

通過(guò)軟件建模模擬某公司曾發(fā)生過(guò)管道泄漏事故的管線(xiàn)，如圖 1所示，進(jìn)行數據驗證工作。

 

圖 1　事故段管線(xiàn)泄漏模型

將事故發(fā)生時(shí)的運行壓力、泄漏位置等參數代入模型進(jìn)行計算，得到泄漏發(fā)生時(shí)壓力下降過(guò)程的曲線(xiàn)。在仿真模擬開(kāi)始后氣體輸送模型平穩，在20 min時(shí)，B-EXP全關(guān)到位，B1、B2全開(kāi)到位，模擬壓力測量點(diǎn)上游650 m處出現的泄漏事故，得到的測量點(diǎn)的壓力下降情況如圖 2所示。除此之外，圖 2中還繪制了事故發(fā)生時(shí)被記錄下的真實(shí)離散數據點(diǎn)以及與模擬值上下10%誤差的曲線(xiàn)。

 

圖 2　事故段管線(xiàn)泄漏模型

通過(guò)與該次事故發(fā)生時(shí)的記錄數據進(jìn)行比對驗證結果顯示，仿真得出的泄漏時(shí)的壓力下降過(guò)程數據和實(shí)際壓力下降數據有著(zhù)良好的一致性。同樣的，再通過(guò)對多次事故段仿真計算后進(jìn)行比對，比對結果均具有良好的一致性，據此可以得知，通過(guò)該方法進(jìn)行模擬仿真計算的數據是準確的。

2.2　數據獲取

長(cháng)輸天然氣管線(xiàn)泄漏后的截斷閥處的壓力下降過(guò)程受很多因素的影響，比如管徑、壓力、輸量、泄漏位置等^[4]。為得到較準確的壓力下降過(guò)程，需要了解這些條件和輸氣管道截斷閥處壓降速率的關(guān)系。因此在選取最優(yōu)的數據前，以上述仿真模型為基礎，模擬了泄漏發(fā)生時(shí)各條件對壓力下降過(guò)程的影響。

模擬后的結論為運行壓力、泄漏的當量直徑、泄漏點(diǎn)離截斷閥距離與壓降速率成正相關(guān)，管徑與壓降速率負相關(guān)，站場(chǎng)分輸輸量、管道高程和氣體組分等因素與壓降速率幾乎無(wú)影響，其結果與查閱的資料吻合^[5]。

因此，要計算出最大的壓降速率，應當選取小的管徑和輸量，最高的運行壓力和泄漏當量直徑，并且泄漏位置靠近上游且距截斷閥500 m。為了更準確的描述在役管線(xiàn)上最快的壓力下降過(guò)程曲線(xiàn)，對于該段管線(xiàn)都進(jìn)行了從設計壓力至最低運行允許壓力作為泄漏起始壓力（10.0 MPa、9.5 MPa、9.0 MPa……）后的壓力下降過(guò)程數據計算，其結果如圖 3所示。

 

圖 3　最大泄漏時(shí)的不同壓力下降過(guò)程(圖中曲線(xiàn)從上至下壓力依次降低)

3　控制算法

算法總體思想為，實(shí)時(shí)采集并記錄當前管線(xiàn)運行時(shí)的壓力數據，當一段時(shí)間內壓力變化過(guò)程數據由大到小逐漸降低，且在最大泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過(guò)程數據與最小泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過(guò)程數據之間時(shí)，則可判斷為天然氣管線(xiàn)出現管線(xiàn)泄漏。

3.1　泄漏數據存儲

泄漏數據存儲分為最大泄漏數據存儲和最小泄漏數據存儲兩部分內容。

最大泄漏數據存儲用于存儲在不同運行初始壓力情況下該管線(xiàn)最大可能的泄漏發(fā)生后，每隔5 s共20 s內的5個(gè)壓力數值，構成在初始壓力情況下發(fā)生最大可能泄漏后的壓力下降過(guò)程離散數據。最大泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過(guò)程數據，均由SPS仿真軟件計算得出，而并非在算法中自行計算。不同管線(xiàn)由于其運行壓力、管輸量和管徑等初始條件和邊界條件不同，需要配置存儲不同的壓力下降過(guò)程數據。

最小泄漏數據取自于固定斜率的一條一次線(xiàn)性函數，其斜率為-0.15 MPa/min，該直線(xiàn)的初始數據點(diǎn)取自實(shí)時(shí)采集的管線(xiàn)壓力數據。

3.2　壓力泄漏過(guò)程判斷

壓力泄漏過(guò)程判斷是本算法最核心的內容，該算法通過(guò)實(shí)時(shí)采集并記錄壓力數據，當20 s內每隔5 s連續被記錄的5個(gè)壓力數據（P_avg1~P_avg5）由大到小逐漸減小，并且這5個(gè)壓力數據均處于最大泄漏發(fā)生時(shí)的最快壓力下降過(guò)程數據和最小泄漏發(fā)生時(shí)的最緩壓力下降過(guò)程數據之間時(shí)，則判斷為一次壓力下降過(guò)程吻合。

因為實(shí)時(shí)采集的壓力數據一般不與上述存儲的離散最大泄漏起始壓力數據一致，為了更加準確地判斷整個(gè)壓力下降過(guò)程，需要對數據進(jìn)行偏移量計算。從存儲最大泄漏起始壓力數據中，根據實(shí)時(shí)采集到的壓力P_avg1選擇出與其最接近的一個(gè)的起始泄漏數據P₁和整個(gè)泄漏壓力下降過(guò)程數據P₂~P₅ ，然后計算出圖 4所示時(shí)間偏移量△t。

 

圖 4　偏移量計算

△t計算公式如下。

                                                                       (1)

再根據時(shí)間偏移量△t計算得出當最大可能發(fā)生的泄漏發(fā)生在當前采集到的壓力數據和管線(xiàn)當前實(shí)時(shí)運行壓力值的5 s后（P_max2）、10 s后（P_max3）、15 s后（P_max4）及20 s后（P_max5）的壓力值，其計算公式如下。

                                                                (2)

                                       (3)

                                                                 (4)

                                        (5)

再將當前運行壓力情況下，被離散化的最大泄漏發(fā)生時(shí)壓力下降過(guò)程數據P_max1~P_max5和通過(guò)一次線(xiàn)性函數計算出的最小泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過(guò)程數據P_min1~P_min5與實(shí)時(shí)采集到的壓力數據P_avg1~P_avg5逐個(gè)比較，若滿(mǎn)足實(shí)時(shí)采集到的壓力數據逐漸降低且處于最大泄漏發(fā)生時(shí)壓力下降過(guò)程數據和最小泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過(guò)程數據之間，即P_min2>=P_avg2>=P_max2且P_min3>=P_avg3>=P_max3且P_min4>=P_avg4>=P_max4且P_min5>=P_avg5>=P_max5，則判斷為滿(mǎn)足一次壓力泄漏過(guò)程判斷。

3.3　報警關(guān)閥判斷

根據最近5次壓力泄漏過(guò)程判斷后滿(mǎn)足判斷條件的不同次數，產(chǎn)生相應的報警并進(jìn)行控制。若只有1次滿(mǎn)足壓力泄漏過(guò)程，則不產(chǎn)生報警，短時(shí)間后自動(dòng)復位；若出現2次滿(mǎn)足壓力泄漏過(guò)程，則產(chǎn)生壓降過(guò)程小事件報警；若出現3次滿(mǎn)足壓力泄漏過(guò)程，則產(chǎn)生壓降過(guò)程大事件報警；若出現4次或5次滿(mǎn)足壓力泄漏過(guò)程，則判斷為出現管線(xiàn)泄漏。

4 試驗驗證

    基于上述建模所涉及的事故位置，將仿真計算所得到的壓力下降過(guò)程數據繪制到圖 5中。事故發(fā)生時(shí)，管線(xiàn)的運行壓力為7.85 MPa，于是選擇8.00 MPa的壓力下降過(guò)程數據作為用于數據比較的最大泄漏曲線(xiàn)。同樣的，再選取起始壓力為7.85 MPa時(shí)，0.15 MPa/min的壓降速率作為最小的壓降曲線(xiàn)。

 

圖 5　事故發(fā)生時(shí)的壓力數據

根據數據比對后發(fā)現，其事故發(fā)生時(shí)被記錄下的離散數據均是在最大和最小壓降曲線(xiàn)之間且其持續時(shí)間至少長(cháng)達2 min。能夠滿(mǎn)足本方法中壓力泄漏過(guò)程4次以上，符合上述判斷的思路。

    進(jìn)一步的，還需驗證該方法在未出現泄漏時(shí)的壓力數據異常波動(dòng)時(shí)的判斷情況。根據公司內某閥室發(fā)生截斷閥誤關(guān)斷典型事件的數據記錄，比較結果如圖 6所示。

 

圖 6  事故發(fā)生時(shí)的壓力數據

誤關(guān)斷發(fā)生時(shí)一段時(shí)間內，多個(gè)被記錄的離散壓力數據中只有3個(gè)在2條曲線(xiàn)之間。因此上述的算法對于這種情況，則不會(huì )將其判定出管線(xiàn)泄漏，所以也不會(huì )控制截斷閥關(guān)斷，也就不會(huì )造成誤關(guān)斷的結果。

通過(guò)實(shí)際試驗進(jìn)行模擬驗證結果表明，本方法能根據壓力變化過(guò)程準確判斷出天然氣管線(xiàn)的泄漏。

5　結束語(yǔ)

本方法基于泄漏發(fā)生時(shí)壓力下降與壓力數據發(fā)生紊亂跳變的不同過(guò)程特性，能夠判斷出管線(xiàn)是否泄漏，進(jìn)而避免原有算法由于設備不可靠等因素導致錯誤判斷管線(xiàn)泄漏而導致誤關(guān)斷的情況。該方法是在不改變行業(yè)內常用泄漏檢測系統構架的情況下，提出的一種減少誤關(guān)斷的新思路，提升了泄漏檢測功能準確性，保障更加平穩高效地輸送天然氣。

 

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作者：嚴密， 1989年生，工程師，現主要從事長(cháng)輸天然氣管道自動(dòng)化系統的運行維護工作。

《管道保護》2017年第6期（總第37期）