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緊急關(guān)斷閥關(guān)斷延遲對(duì)天然氣管道泄漏過(guò)程的影響

1天然氣管道泄漏速率
　　
　　天然氣擴(kuò)散是一種非常復(fù)雜的大氣污染物擴(kuò)散過(guò)程，在對(duì)其模擬評(píng)價(jià)過(guò)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(jié)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(píng)價(jià)天然氣管線泄漏事故過(guò)程中的重要因素之一，對(duì)其研究將有利于提高模擬評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性。應(yīng)用熱力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)合理想氣體狀態(tài)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(guò)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(jì)算公式，為天然氣管輸安全工程的相關(guān)計(jì)算提供了可靠的理論依據(jù)。
　　
　　2基于HYSYS的動(dòng)態(tài)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(wěn)態(tài)泄漏模型。這類(lèi)模型zui常見(jiàn)的是一般泄漏速率模型，利用氣體在泄漏點(diǎn)流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的特性，認(rèn)為泄漏發(fā)生時(shí)泄漏處管內(nèi)壓力不變，通常根據(jù)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(shí)管道內(nèi)氣體壓力恒定工況。也有很多研究將小孔泄漏近似為穩(wěn)態(tài)泄漏進(jìn)行計(jì)算。
　　
　　2）動(dòng)態(tài)非穩(wěn)定泄漏模型。目前動(dòng)態(tài)泄漏模型均主要對(duì)大孔泄漏和管道泄漏情景進(jìn)行計(jì)算和研究，因難以確定實(shí)際泄漏量，基本都假設(shè)管道發(fā)生泄漏后ESD閥同時(shí)關(guān)閉，認(rèn)為泄漏量即為兩ESD閥間氣體量，并根據(jù)能量守恒方程等得到泄漏速率方程。實(shí)際上，天然氣管道泄漏后，由于受泄漏檢測(cè)技術(shù)、人員干預(yù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)等因素的制約，泄漏處上下游ESD閥關(guān)斷動(dòng)作并不能保證同步，即存在不同程度的關(guān)斷延遲。在此借鑒加拿大阿爾伯特能源與公共事業(yè)局（AEUB）推薦的天然氣管道有效泄漏長(zhǎng)度概念，建立管道泄漏的等效開(kāi)口系統(tǒng)模型，結(jié)合過(guò)程模擬技術(shù)，研究ESD閥關(guān)斷延遲對(duì)泄漏過(guò)程的影響。
　　
　　3ESD閥關(guān)斷動(dòng)作對(duì)泄漏率的影響
　　
　　3.1計(jì)算算例條件。
　　
　　由于高壓天然氣管道泄漏速度較高，為清晰對(duì)比泄漏后的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程和ESD閥關(guān)斷延遲影響，基于前述理論和模型，建立20000m長(zhǎng)、內(nèi)徑為254mm水平天然氣管道HYSYS泄漏等效模型。計(jì)算管道泄漏常見(jiàn)的小孔、大孔范圍內(nèi)的泄漏口面積，小孔取內(nèi)管道內(nèi)橫截面積的1%（50615mm2），大孔取10%（5065mm2）。對(duì)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(dú)泄漏速率之和，2個(gè)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(shù)，將等效模型內(nèi)介質(zhì)為純甲烷并與美國(guó)環(huán)保署和國(guó)家海洋大氣管理局推薦的ALOHA計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，雖然ALOHA只能對(duì)純物質(zhì)提供ESD閥關(guān)閉后泄漏量的分鐘內(nèi)均值，但是可以近似得到不同泄漏孔徑的泄漏系數(shù)，提高模型計(jì)算泄漏速率準(zhǔn)確度。在此小孔和大孔速度系數(shù)分別取0165和0185。設(shè)定的條件為：1）因管道處于集輸管網(wǎng)的背景壓力環(huán)境，管段的入口壓力（本文取9512kPa），下游出口壓力（穩(wěn)態(tài)模式求解后）；2）入口氣體溫度為45℃；3）實(shí)際的氣體成分，相關(guān)參數(shù)如流經(jīng)上下游ESD閥的流量，泄漏點(diǎn)處壓力、溫度等由HYSYS計(jì)算?；谇笆鰳?gòu)建的泄漏等效模型，在驗(yàn)證其有效性后，本文利用HYSYS的過(guò)程計(jì)算優(yōu)勢(shì)，計(jì)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(shí)際天然氣成分（本文為相對(duì)分子質(zhì)量為19141的高含硫天然氣），分析管道泄漏段上下游ESD閥關(guān)閉時(shí)機(jī)對(duì)泄漏的影響。為分析和對(duì)比ESD閥關(guān)斷順序?qū)π】准按罂仔孤┧俾实挠绊?，定義以下動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)：1）50min為管道由正常平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為泄漏事故狀態(tài)的開(kāi)始時(shí)刻；2）150min時(shí)上游（或下游）ESD閥立即執(zhí)行關(guān)斷；3）250min時(shí)剩余的下游（或上游）ESD閥執(zhí)行關(guān)斷。
　　
　　需說(shuō)明的是，所設(shè)各動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)只為清晰對(duì)比ESD閥關(guān)斷影響而設(shè)定，并不代表管道ESD閥關(guān)斷動(dòng)作的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間。
　　
　　3.2不同關(guān)斷條件下的管道流量變化。
　　
　　泄漏的發(fā)生使管道出入口流量不再相等，為計(jì)算有效泄漏質(zhì)量，在分析泄漏事故狀態(tài)時(shí)，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(guān)系。對(duì)于小孔泄漏，泄漏發(fā)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(wú)回流。
　　
　　當(dāng)上游ESD閥先關(guān)斷后，下游管道出口將立即出現(xiàn)逆流，補(bǔ)充泄漏量。當(dāng)下游ESD閥先行關(guān)閉時(shí)，上游管道入口處流量降低，但持續(xù)補(bǔ)充流量明顯大于上游先關(guān)斷段時(shí)的逆向補(bǔ)充流量，將造成較多的氣體釋放。當(dāng)泄漏為大孔泄漏時(shí)，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(xiàn)大的逆向回流，造成更多的氣體釋放。當(dāng)上游ESD閥先行關(guān)閉后，泄漏管段下游出口的逆向回流量大幅增加，補(bǔ)充泄漏量。當(dāng)下游ESD閥先行關(guān)閉后，管內(nèi)上游流量大幅增加，但相比低于上游ESD閥先關(guān)斷后的出口逆向補(bǔ)充流量。不同孔徑和ESD閥不同關(guān)斷順序下管內(nèi)流量存在差異，流量變化存在動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，這些因素都決定實(shí)際的氣體釋放質(zhì)量和速率。顯然，如不能保證ESD閥同時(shí)關(guān)斷，應(yīng)優(yōu)先關(guān)斷管道入口ESD閥，此時(shí)無(wú)論大小孔補(bǔ)充流量都相對(duì)較低。
　　
　　3.3不同關(guān)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(guān)斷順序和時(shí)差條件下的變化決定著泄漏率的變化，泄漏發(fā)生后（50min時(shí)）由于管內(nèi)壓力存在動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，小孔由于泄漏速率低，平衡時(shí)間很短，初始時(shí)刻流量稍高，十幾秒內(nèi)達(dá)到壓力平衡后的穩(wěn)態(tài)泄漏流量（由6001215kg·min-1降至585159kg·min-1）。而大孔泄漏后初始時(shí)刻流量較高，需經(jīng)過(guò)10余分鐘系統(tǒng)方達(dá)到壓力平衡后的穩(wěn)態(tài)泄漏，降幅較高（由5565121kg·min-1降至4377133kg·min-1）。實(shí)際過(guò)程中當(dāng)上游ESD閥先關(guān)斷時(shí)，大孔和小孔泄漏速率都會(huì)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(guān)斷達(dá)到穩(wěn)定后泄漏速率降低34188%小孔泄漏速率僅僅降低3145%。當(dāng)下游ESD閥先行關(guān)閉時(shí)，大孔泄漏速率也會(huì)大幅下降27153%而小孔泄漏速率并未降低反而有所增加。
　　
　　4結(jié)論
　　
　　利用本文方法可對(duì)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(jié)合管道過(guò)程控制參數(shù)建立泄漏速率計(jì)算模型，為天然氣管道泄漏控制提供有益參考。通過(guò)本文研究可得到以下結(jié)論。
　　
　　1）隨著泄漏孔徑的增加，管道內(nèi)將出現(xiàn)回流現(xiàn)象，管道ESD閥關(guān)斷延遲順序?qū)π】仔孤┖痛罂仔孤┧俾实目刂菩Ч嬖诓煌绊憽Ｏ汝P(guān)斷上游ESD閥時(shí)，無(wú)論小孔還是大孔泄漏，都使下游出口ESD閥處出現(xiàn)逆向流，補(bǔ)充泄漏。而下游先關(guān)斷時(shí)，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(guān)斷延遲和關(guān)斷順序，主要表現(xiàn)在對(duì)泄漏速率的影響，即影響單位時(shí)間內(nèi)釋放到大氣的天然氣量，而相同間隔不同順序的關(guān)斷對(duì)釋放持續(xù)時(shí)間的影響較小。3）在現(xiàn)有天然氣管道關(guān)斷多采用壓力、流量監(jiān)控等自動(dòng)關(guān)斷的現(xiàn)狀下，為zui大限度地控制事故天然氣泄漏速率和釋放時(shí)間，管道的緊急關(guān)斷應(yīng)優(yōu)先采用聯(lián)動(dòng)的同時(shí)關(guān)斷方式，其次為上游先關(guān)斷方式。