緊急關(guān)斷閥關(guān)斷動作對泄漏率的影響分析

由于高壓天然氣管道泄漏速度較高，為清晰對比泄漏后的動態(tài)平衡過程和緊急關(guān)斷閥關(guān)斷延遲影響，基于理論和模型，建立20000m長、內(nèi)徑為254mm水平天然氣管道HYSYS泄漏等效模型。計算管道泄漏常見的小孔、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泄漏速率之和，2個緊急關(guān)斷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)指定為純甲烷并與美國環(huán)保署和國家海洋大氣管理局推薦的ALOHA計算數(shù)據(jù)進行對比驗證，雖然ALOHA只能對純物質(zhì)提供緊急關(guān)斷閥關(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，指定管段的入口壓力（本文取9512KPa），下游出口壓力（穩(wěn)態(tài)模式求解后指定）；(2)入口氣體溫度為45℃；3）指定實際的氣體成分，相關(guān)參數(shù)如流經(jīng)上下游緊急關(guān)斷閥的流量，泄漏點處壓力、溫度等由HYSYS計算。基于前述構(gòu)建的泄漏等效模型，在驗證其有效性后，本文利用HYSYS的過程計算優(yōu)勢，計算管道摩擦壓力損失變化和沿程熱量損失，將管道氣流改為實際天然氣成分（本文為相對分子質(zhì)量為19141的高含硫天然氣），分析管道泄漏段上下游緊急關(guān)斷閥關(guān)閉時機對泄漏的影響。

為分析和對比緊急關(guān)斷閥關(guān)斷順序?qū)π】准按罂仔孤┧俾实挠绊懀x以下動作時間點：(1)50min為管道由正常平穩(wěn)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為泄漏事故狀態(tài)的開始時刻；(2)150min時上游（或下游）緊急關(guān)斷閥立即執(zhí)行關(guān)斷；(3)250min時剩余的下游（或上游）緊急關(guān)斷閥執(zhí)行關(guān)斷。

需說明的是，所設(shè)各動作時間點只為清晰對比緊急關(guān)斷閥關(guān)斷影響而設(shè)定，并不代表管道緊急關(guān)斷閥關(guān)斷動作的實際執(zhí)行時間。

1、緊急關(guān)斷閥不同關(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，為計算有效泄漏質(zhì)量，在分析泄漏事故狀態(tài)時，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，補充泄漏量。當(dāng)下游緊急關(guān)斷閥先行關(guān)閉時，上游管道入口處流量降低，但持續(xù)補充流量明顯大于上游先關(guān)斷段時的逆向補充流量，將造成較多的氣體釋放。當(dāng)泄漏為大孔泄漏時，泄漏量則由緊急關(guān)斷閥上游管道和緊急關(guān)斷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)上游緊急關(guān)斷閥先行關(guān)閉后，泄漏管段下游出口的逆向回流量大幅增加，補充泄漏量。當(dāng)下游緊急關(guān)斷閥先行關(guān)閉后，管內(nèi)上游流量大幅增加，但相比低于上游緊急關(guān)斷閥先關(guān)斷后的出口逆向補充流量。不同孔徑和緊急關(guān)斷閥不同關(guān)斷順序下管內(nèi)流量存在差異，流量變化存在動態(tài)平衡過程，這些因素都決定實際的氣體釋放質(zhì)量和速率。顯然，如不能保證緊急關(guān)斷閥同時關(guān)斷，應(yīng)優(yōu)先關(guān)斷管道入口緊急關(guān)斷閥，此時無論大小孔補充流量都相對較低。

2、緊急關(guān)斷閥不同關(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)斷順序和時差條件下的變化決定著泄漏率的變化，泄漏發(fā)生后（50min時）由于管內(nèi)壓力存在動態(tài)平衡過程，小孔由于泄漏速率低，平衡時間很短，初始時刻流量稍高，十幾秒內(nèi)達到壓力平衡后的穩(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刻流量較高，需經(jīng)過10余分鐘系統(tǒng)方達到壓力平衡后的穩(wěn)態(tài)泄漏，降幅較高（由5565121kg·min-1降至4377133kg·min-1）。實際過程中當(dāng)上游緊急關(guān)斷閥先關(guān)斷時，大孔和小孔泄漏速率都會降低，但是大孔泄漏速率降低程度明顯高于小孔泄漏，泄漏速率在上游緊急關(guān)斷閥關(guān)斷達到穩(wěn)定后泄漏速率降低34188%小孔泄漏速率僅僅降低3145%。當(dāng)下游緊急關(guān)斷閥先行關(guān)閉時，大孔泄漏速率也會大幅下降27153%而小孔泄漏速率并未降低反而有所增加。