输气管道的典型瞬态工况分析

输气管道的典型瞬态工况分析

杨毅　吕晓华　魏凯　陈鹏　许玉磊

中国石油北京油气中心

　　杨毅等．输气管道的典型瞬态工况分析．天然气工业，２０１１，３１（７）：７１‐７３．　　摘　要　准确了解输气管道工况的瞬时变化情况，有助于输气管道调度管理部门和优化输气管道运行方案，及时采取应急措施，保障输气管道的安全运营。为此，在分析输气管道基本方程的基础上，选用ＳＰＳ仿真软件模拟了输气管道典型工况的瞬态变化情况，得到以下结论：当压缩机站启机时，该站流量上升，入口压力下降，出口压力上升；停机时，该站流量下降，入口压力上升，出口压力下降；截断阀关断时，上下游流量下降，入口压力上升，出口压力下降；管道发生泄漏时，上下游压力下降，上游流量上升，下游流量下降。该分析结果对输气管道的安全运营具有指导作用。　　关键词　天然气　管道　瞬态　工况　分析　ＳＰＳ仿真软件　安全运营　　ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００‐０９７６．２０１１．０７．０１７

　　随着天然气输气管道的不断建设和相互连接成［１］网，输气管网的调度管理工作日渐繁琐，输气管道的工况变化也越来越频繁，个别异常工况的出现将会影响输气管道的安全运行。准确了解输气管道工况的瞬时变化情况，能够有效地帮助和指导输气管道调度管

［２‐４］

理部门制订调整方案，及时采取应急措施。

１　管输天然气的流动基本方程

　　天然气在管道中流动的主要方程为质量守恒方程、动量守恒方程和能量方程，其他相关方程请参见本文参考文献［５］。

通讯中断和站场故障停运等。　　某输气管道全长１３１６ｋｍ，全线共４座压缩机站（ＳＢ站、ＹＣＺＧ站、ＷＬ站和ＨＤ站），有４座分输站（ＤＬＨ站、ＸＮ站、ＭＨ站和末站），１座分输阀室（ＤＳＱ阀室），４个监控阀室（ＦＳ２５阀室、ＦＳ２６阀室、ＦＳ３０阀室和ＦＳ３１阀室）。该管道正常运行工况下的压力和流量曲线如图１所示。

２　输气管道的稳态和瞬态仿真软件

　　基于上述输气管道的基本方程以及其他相关方程，可以建立出输气管道稳态和瞬态的仿真模型，选用特征线法或中心隐式差分法等算法求解模型，开发出

［６‐１０］

输气管道仿真软件。笔者采用ＳＰＳ软件模拟输气管道典型工况的瞬态情况。

图１　某输气管道正常运行工况下的压力和流量曲线图

３　典型瞬态工况及分析

　　输气管道的运行工况可以分为正常工况和异常工况。正常工况包括了管道启输、启停压缩机组、压缩机组切换、越站输气、分输用户的气量调整和气源进气量的调整等。异常工况包括了管道泄漏（爆管）、管道堵塞（冰堵）、干线截断阀意外关断、运行机组故障停运、

３．１　压缩机站启停压缩机时的瞬态工况

　　下面讨论的压缩机站启停压缩机既包括了计划性启停机又包括了故障停机。３．１．１　输气管道压缩机停机时的瞬态工况

　　ＨＤ站压缩机停机的瞬时压力和流量趋势如图２所示。从图２可以看出，ＨＤ站压缩机停机后，该站的

　　作者简介：杨毅，１９７７年生，副研究员，博士；主要从事油气管道技术研究和管理工作。地址：（１００００７）北京市东城区东直门北大街９号中国石油大厦北京油气中心。电话：（０１０）５９９８３７６２。Ｅ‐ｍａｉｌ：ｘｎ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎｙａｎｇｙｉ．

・２・　　　　　　　　　　　　天　然　气　工　业　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１１年７月

３．２　输气管道干线截断阀意外关断时的瞬态工况　　输气管道干线截断阀（ＤＳＱ阀室）意外关断时，管道的瞬时压力和流量趋势如图４所示。从图４可以看出，ＤＳＱ阀室意外关断后，该阀室的天然气通过量瞬间下降至零，上下游的流量下降均较快，入站压力上升，出站压力下降。长此以往将影响到上游压缩机的运行、下游用户的分输量以及全线的输气量，最后导致图２　ＨＤ站压缩机停机时的瞬时压力和流量曲线图

天然气通过量瞬间下降至０，上下游的流量下降均下降较快，入站压力上升，出站压力下降。长此以往将影响到上游压缩机的运行、下游用户的分输量以及全线的输气量。

　　如果是故障停机，应该立刻采取应急措施。对于有备用机组的站场，站内工作人员应在停机后首先判断出能否在短时间内启机，然后再根据情况判断是否需要立即适当地提高下游站场压缩机转速或降低上游站场机组转速；如果无备机可用时，可以采用维持上游压缩机最高出站压力、提高下游压缩机的出站压力、降低全线输气量和降低下游用户的供气量等应急措施来保障管道的安全平稳运行。

３．１．２　输气管道压缩机启机时的瞬态工况

　　ＨＤ站压缩机启机时的瞬时压力和流量趋势如图３所示。从图３中可以看出，ＨＤ站压缩机启机后，该站的天然气通过量瞬间提高的幅度非常大，上下游的流量上升速度均较快，入站压力下降，出站压力上升。长此以往将影响到上游压缩机的运行、下游用户的分输量以及全线的输气量，最后，全线工况会稳定到如图１所示的状态。

图３　ＨＤ站压缩机启机时的瞬时压力和流量曲线图

全线停运。

图４　ＤＳＱ阀室意外关断时的瞬时压力和流量曲线图

　　当发现阀室工况突变并判断出阀室意外关断后，

应立刻采取应急措施。首先维修人员应尽快到达被关断的阀室，快速打开旁通阀室平压，然后再打开主阀。当出现严重的阀门故障、不能重新开阀时，应该调节运行工况，逐渐关停上下游的压缩机，最后停运全线，直至事故处理完毕。

　　输气管道发生严重堵塞以及站场意外停运（如站内关键阀门关断）时的压力和流量曲线与干线截断阀意外关断时的压力和流量曲线相近，同样是上下游的流量下降３．３　输气管道泄漏时的瞬态工况

，入站压力上升，出站压力下降。　　管道某处泄漏后的流量曲线图如图５所示，管道泄漏点的压力曲线图如图６所示。从图５可以看出，管道泄漏后，泄漏点上游的流量上升，下游的流量下

图５　管道某处泄漏后的流量曲线图

第３１卷第７期　　　　　　　　　　　　　　　　　　集　输　工　程　　　　　　　　　　　　　・３・

图６　管道泄漏点的压力曲线图降。从图６可以看出，管道泄漏后，泄漏点压力下降较快，并会引起泄漏点上下游压力的下降。如果泄漏量较大或者出现管道爆管情况时将严重影响上下游压缩机站的运行，最后导致全线停运。

　　当发现上下游两个站场或阀室的压力和流量情况符合图５和图６的变化曲线后，应初步判断出泄漏点的位置，并及时派遣巡线人员查找泄漏点的准确位置，尽快实施应急维修预案３．４　其他典型瞬态工况分析

，快速解决泄漏事故。　　ＳＢ站流量突增后的全线压力和流量曲线图如图７所示。从图７可以看出，当ＳＢ站的气量突然增加后，ＳＢ站的出站压力迅速上升，其他站的压力和流量变化幅度不大。

图７　ＳＢ站流量突增后的全线压力和流量曲线图

　　ＸＮ站的用户分输流量突增后的全线压力和流量

曲线图如图８所示。从图８可以看出，当ＸＮ站的分输气量突然增加后，ＸＮ站上下游的压力会有所下降，上游的流量会有所增加。

４　结论

　　１）输气管道压缩机站启机时，该站的天然气通过

图８　ＸＮ站的用户分输流量突增后的全线压力和流量曲线图

量瞬间提高的幅度非常大，上下游的流量上升速度均较快，入站压力下降，出站压力上升；停压缩机时，该站的天然气通过量瞬间下降至０，上下游的流量下降均较快，入站压力上升，出站压力下降。

　　２）输气管道干线阀室意外关断（或严重堵塞）时，天然气通过量瞬间下降至０，上下游的流量下降均较快，入站压力上升，出站压力下降。　　３）输气管道发生泄漏时，泄漏点压力下降较快，会导致泄漏点上下游压力的下降，上游流量上升，下游流量下降。

参　考　文　献

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气工业，２００９，２９（１１）：９４‐９９．［３］宫敬，邱伟伟，赵建奎．输气管道断裂过程中减压波传播特

性研究［Ｊ］．天然气工业，２０１０，３０（１１）：７０‐７３．［４］孟令雅，李玉星，宋立群，等．输气管道泄漏音波传播特性

及监测定位［Ｊ］．天然气工业，２０１０，３０（１１）：７４‐７９．［５］李长俊．天然气管道输送［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２０００．［６］刘恩斌，李长俊，成琳琳．天然气集输管网仿真技术研究

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［Ｊ］．管道技术与设备，１９９９，１４（５）：３３‐３５．［１０］苏欣，章磊，刘佳，等．ＳＰＳ与ＴＧＮＥＴ在天然气管网仿真

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（修改回稿日期　２０１１‐０５‐０３　编辑　何　明）