输气管道的典型瞬态工况分析_工程实践

摘要

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调控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

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调控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

随着天然气输气管道的不断建设和相互连接成网^[1]，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理部门制订调整方案，及时采取应急措施^[2～4]。

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]。

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，开发出输气管道仿真软件^[6～10]。笔者采用SPS软件模拟输气管道典型工况的瞬态情况。

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、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。

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。

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，最后导致全线停运。

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，入站压力上升，出站压力下降。

3.3 输气管道泄漏时的瞬态工况

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。