天然气管道干线及站场放空控制研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 8 月 第 3 6 卷 第8 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g ． 2 0 1 4 V o i ． 3 6 N o ． 8 天然气管道 干线及站场放空控 制研究 裴娜 ，曹书荣 ，赵来会 中国石油天然气管道工程有限公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 [ 摘要]重点研 究 了天 然 气站 管道 及 站场 放 空量 的控 制方 式，采用 国际 流行 的 石油 化 工软 件 HY S YS 、 OL GA、 T G - NE T进行模拟运算 ，研 究了几种放 空量控制方 式，放 空量 的趋势及 变化，探讨放 空量 的控 制 方式及 产生的影响，为放 空系统设 计提 供 了可靠的技 术支持 。 [ 关键 词]放空量 ；时间控制 ；放空阀开度 ；国际项 目 [ 中图分类号]T E 8 8 1 [ 文献标志码]A [ 文章编 号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 0 8 0 2 0 8～ 0 3 天然气长输管道是国家能源工业 的重要基础产业 ，目前天然气管道 占世界各种管道总长的一半 以 上 j 。随着天然气管道工业的发展，大口径 、高压力输气工艺得到了越来越广泛的应用。天然气管道站 场的压力高 ，管存气量大 ，站场突发事故后 ，如何迅速降低管线内天然气压力 ，减少爆炸等灾难性事件 发生 的可 能 ，关 系到 人 民生命 财产及 国有 资产 的安 全 。放 空系 统是 管道 安 全保 护 系统 的重 要 组成 部 分 ， 而瞬时放空量的大小和变化趋势决定着放空系统的安全保障能力，也决定着放空系统的规模。瞬时放空 量偏小 ，会降低放空系统的泄放能力 ，导致放空时间过长，存在严重的安全隐患；瞬时放空量过大 ，放 空时会 发 生放 空管线 冰堵 、管 线震 动剧 烈甚 至撕裂 等事 故 。因此 ，有必要 对放 空量 的趋 势及 变化进 行研 究，探讨放空量的控制方式及产生的影响 ， 为放空系统设计提供 了可靠 的技术支持。 1 天然气管道干线放空控制研究 输 气干线 需要 放空 时 ，首先 关 闭需 放 空管路 上下游 的 截断 阀 。干线 储气 量大 ，放 空时 间较长 。在 整 个放 空 时间 内 ，管线压 力逐 渐下 降至一 个 大气压 。然 而 ，在 成个 过程 中 ，压力并 不是 均匀下 降 的 。以单 个孔板截流放 空为例 ，采 用 T g n e t软件进 行模 拟 ，管线 内天 然气压 降趋 势如 图 1所 示 1 b a r g 一 0 ． 1 MP a g ，放空量随时间变化趋势如图 2所示 。 bo 鲁 上 ＼ 逝 出 图 1 管线内天然气压降趋势图 ＼ 删 剁 疆 图 2 放 空量 随时间变化趋势 图 [ 收稿 日期 ]2 0 1 40 7 2 2 [ 作者简介 ]裴娜 1 9 8 9 一 ，女 ， 2 0 1 1 年中国石油大学 华 东毕业 ，助理工程师 ，现主要从 事油气管道设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 8期 裴娜 等 天然气 管道 干线 及站场放空控制研究 从 1 、2中 n T 以看 出 ，在放 空起 始 阶段 ，管 线 压 降速 率 最 大 ，放 空量 也 最 大 ，随 着 管线 内压 力的 降低 ，压 差 降低 ，放 空量 逐渐 减小 。若 干 线采 取 这种 方式 放空 ，按 放 空量 瞬时 最大量 设 计放 空系 统 ，放 管 网在 整个 放空 过 程 中负荷 不 足 ，按 瞬 时最 大 量计 算 的放 空 立 管／ 火 炬周 围热 辐 射影 响 范 嗣 大 ．征地 而积 大 。按平 均放 空量 设计 放 空 系统 。在放 空 开 始后 的一 段时 问 ，放空 管 网处 于超 负荷工 作状 态 ，震动 和噪音很大，管网内背压较高 ，存在安全隐患 。 若采 用手 动放 空 阀 门替代 孔 板 ，可采 取在 放 空过 程 中加大 阀 门开 度 的方式 。以在整 个过 程中加 人 }} j j 开 度 2次 为例 ，采 用 T g n e t 软 件进 行模 拟 。 采用 增加 阀 门开 度 的方式 ，在 初始 泄 压后 ，第 二 次 开泄 压 阀 时 ，瞬 时 泄放 量 又 出 现 了相 等 的峰 值 ， _ I 『 以较好 地利 用放 空 系统 的泄 压 能力 。若 工况 不 变 ，和上 一种 放空 方法 相 比较 ，放 空所用 的时 间不 变 的 情 况下 ，可 以减小 瞬 时放 空最 大量 的值 ，缩小 放 空管 网 的规模 ，减 少放 空 区域征 地 面积 。 此外 ，还 可 以采用 P I D 控 制 器 的 方 式 控 制 泄 放 阀 门 的 开 度 ，使 瞬 时 泄 放 量 不 高 于 设 定 值 。使 用 R GA 软件 建立模 型 ，以泄露 工 况模 拟放 空 工 况 ，采 用 P I D控 制 器 根 据放 空 管 下 游 流量 ，控 制 泄露 点 开度 的 计算 。 放空 开 始后 ，瞬 时泄 放量 长 时 间动态 稳定 在设 定 值 ，放空 系统 的 泄放能 力 可根据 此设 定值 设 汁 ，整 个放 空过 程 中放 空量 没有 瞬时 极值 ，充分 利用 了放空 管 网 的泄放 能力 。 在干 线放 空 开始 后 ，泄压 阀下游 会 出现 短 暂 的 低 温 ，放 空 管 网 选 材 需 根据 计 算 结 果 选 择 耐低 温 管 材 。放空 阀 门开启 后 下游 背压 会 发生 变化 ，放 空 管 网应 承 受放 空发 生过 程 中的最 大背 压 。这种 控 制方 法 较充 分地 利 用 了放空 管 网的 泄压 能力 ，缺点 是对 放空 阀 和控制 器 的安 全性要 求 很高 。项 目需要 时 ．需进 行综合的经济性 比较 。 据 了解 ，国外一 些公 司 配备 移动 式压 缩机 ，当干 线需 要放 空 时 ，使 用移 动式 压缩 机通 过 阀室或 站场 预留接 口将干线抽气放空至 4 MP a ，之后关 闭预 留口，打开放空阀 ，对干线进行放空 一] 。此方法优点 是 降低 了干 线放 空 的天然 气损 失 ，减 小 了放 空管 网 的规模 ，缺 点是 移 动压缩 机投 资大 ， [ 艺较 复杂 。 2 站场 放空控制 要求 当站场 发 生 火 灾 ，事故 或 其 他 原 因需 要 将 站 内管 存气 快 速 泄 放 时 ，E S D 被触 发 使 站场 与 线 路 隔离 ，同 事 开 启 站 内 自动 放 空 阀 B D V 达 到 紧 急 放 空 的 目 的 。 国 际 项 目通 常 以 AP I 5 2 1为设 计 标 准 ，要 求 在 1 5 mi n以 内 将 站 场 的 气 体 压 力降 至 设 计 压 力 的一 般 或 6 ． 9 b a r g中 的 最 低值 。与 干 线 放 空 相 比，虽 然 站 场 存 气 量 不 多 ，但 由于 紧 急 放 空 过 程 时 间 短 ，放 空 流量 峰 值 吖能更 大 ，对全 站 放 空 系 统 的 挑 战 可 能 更 为 苛 刻 。 通过 搭 建 HYS YS 模 型 ，模 拟 限 流 孔 板 或放 空 阀 控 制 的 放 空 ，通 过 调 节 孔 板 口径 或阀门开度 ，调节 流量 峰值、温 降和放空所 需 时 问 ，根据 事故 工 况 分 析 放 空 过 程 是 对 外 吸 热还 是散 热 到外 界 。模 型搭 建 如 图 3所 示 。 图 3 HY S Y S模 型 放空 开 始瞬 间出 现瞬 时放 空 量 最 大值 ，随 着 放 空 时 间 的延 长 ，瞬 时放 空 量 降 低 ， 由于 压差 越 来 越 小，瞬时放空量的减小速率变小。由于瞬时放空量最大值客观存在，所 以放空管网规模、放空立管高度 及 直径 、放 空 区征地 面积 需满 足 极值需 求 。因此 ，在放 空量 迅速 降低 以后 ，放 空管 网存在 较大 裕量 。 若 站场 较 大时 ，如 压气站 场 的紧 急放 空 ，1 5 rai n放空 整个 站场 ，瞬 时放 空量会 倍 增 ，放空 管 网 的规 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油 气管道 工程 2 O 1 4 年 8 月 模 和 造 价 会 大 幅 提 高 。 然 而 ， 事 故工 况 下 ，延 长 放 空 时 间 十 分 危 险 。 采 用 分 步 放 空 方 式 可 缓 解 此 问题 。以站场 E S D阀 为分界 ， 紧急 事 故 发 生 时 ，触 发 紧 急 放 空按钮 ，站 场 E S D 阀关 闭，先 开 启 压 缩 机 区及 其 他 重 要 设 备 的区域 放 空 系 统 ，待 其 放 空 至 低压 后 ，开 启 站 场 内其 他 区 域 的紧急 放 空 系 统 ，采 取 背 压 控 制 的方 式 进 行 放 空 。背 压 控 制 放 空 逻 辑 如 图 4所 示 。站 场 各 区 域 的压 力 和 放 空 系统 的 瞬 时 泄 放量 如 图 5所 示 。 从 图 5可 以看 出，放 空开 始后 ，1 5 mi n内将 缩机 区放 空至 7 b a r g ；再 对 进 出站 管 线 进 行 背 压控 制调 节 阀开 度 的方 式 放 空 ， 采用这种 控制 逻辑 ，可在 瞬 时 泄放 量 较 低 的 工 况 下 ，对 整 个 站场 迅 速 放 空 。这 种 方 法 的 缺 点 是 ，对 控 制 阀 的 安 全 性 要 求 极高，因此 ，站 场放 空设 计 时 需权衡 二者 的关 系 ，选 择 总体 造价低的设计模式 。 3 结语 压力控制阀 图 4背压控制放空逻辑图 节流孔板 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 时间／ m i n 图 5 站场各 区域 的压 力和放空 系统的瞬时泄放量 0 Ib ● 删 割 翟 噬 使 用 国际 流行 的石油化 工 软件 HYS YS 、TG NE T、OL GA 进行建 模研 究 ，模 拟研 究 了干 线放 空 和 站场 紧急放 空 的几种 控制方 式 ，分析 了这几 种控 制方 式下放 空量 随 时间 的变 化趋 势 ，总结 了这几 种控 制 方式的优缺点及影响。输气管道项 目进行放空设计时，可根据项 目特点，对比选择最安全 、经济的放空 系统设计思路，以达到保障管线及站场安全的目的。 [ 参 考文 献] [ 1 ]G B 5 0 2 5 1 2 0 0 3 ，输气管道工程设计规范 E s ]． E 2 ]NS I ／ AP I S TANDA RD 5 2 1 ，P r e s s u r e r e l i e v i n g a n d d e p r e s s u r i n g s y s t e ms E s ] [ 3 ]Z GS S AF 一 1 0 4 ，E me r g e n c y s h u t d o wn a n d e me r g e n c y d e p r e s s u r i s a t i 。 n[ s ]． [ 编辑] 苏开科 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l O 崔 ＼ R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m