嚴(yán)密

中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司 

摘要：為減少天然氣長(zhǎng)輸管道線路截?cái)嚅y誤關(guān)斷，提高閥室泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，基于大量閥室誤關(guān)斷事件的原因分析，結(jié)合氣體流體力學(xué)理論，運(yùn)用SPS軟件建立了長(zhǎng)輸天然氣管線泄漏的仿真模型，研究管線泄漏過程有關(guān)泄漏距離、壓力等條件對(duì)壓力下降過程的影響規(guī)律，計(jì)算在管線出現(xiàn)泄漏時(shí)可能發(fā)生的最快壓力下降過程數(shù)據(jù)。據(jù)此，設(shè)計(jì)了一種基于壓力變化過程判斷天然氣長(zhǎng)輸管道線路泄漏方案，并開發(fā)了泄漏管線截?cái)嚅y關(guān)斷的控制算法。數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果表明，本方法能根據(jù)壓力變化特征區(qū)分出誤關(guān)斷信號(hào)與真實(shí)泄漏信號(hào)，可降低70%左右的誤關(guān)斷率。

關(guān)鍵詞：泄漏檢測(cè)系統(tǒng)；長(zhǎng)輸管線泄漏；截?cái)嚅y誤關(guān)斷；SPS軟件

長(zhǎng)輸天然氣管線站場(chǎng)及閥室均具有基于壓力監(jiān)測(cè)的天然氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，在發(fā)生天然氣大量泄漏時(shí)會(huì)緊急關(guān)斷線路截?cái)嚅y。盡管泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件都通過了嚴(yán)格工況測(cè)試，但在實(shí)際運(yùn)行中由于壓力變送器故障、系統(tǒng)接地等因素導(dǎo)致線路截?cái)嚅y出現(xiàn)誤關(guān)斷的情況屢有發(fā)生^[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅某管道公司2007～2016年就共發(fā)生55次截?cái)嚅y誤關(guān)斷事件。截?cái)嚅y的誤關(guān)斷會(huì)直接影響長(zhǎng)輸管線向下游供氣，管線壓力驟變還可能造成站場(chǎng)壓縮機(jī)組停機(jī)、工業(yè)用戶經(jīng)濟(jì)損失等次生事件。

為減少甚至根除天然氣長(zhǎng)輸管道線路截?cái)嚅y誤關(guān)斷問題，經(jīng)過大量的調(diào)研分析、仿真建模及試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)了一種基于壓力變化過程判斷線路泄漏方案，從而為減少截?cái)嚅y誤關(guān)斷提供了解決方法，對(duì)平穩(wěn)高效安全地輸送天然氣具有重要意義。

1　現(xiàn)狀分析

天然氣長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)通過截?cái)嚅y位置安裝的壓力變送器采集并檢測(cè)天然氣管線的運(yùn)行壓力，實(shí)時(shí)判斷管線運(yùn)行情況。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到管線壓力壓降速率過大或壓力數(shù)據(jù)過低時(shí)，判斷為管線發(fā)生天然氣泄漏，并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出關(guān)斷命令，截?cái)嚅L(zhǎng)輸天然氣管線的上下游。

近年來，因泄漏檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)異常導(dǎo)致的截?cái)嚅y誤關(guān)斷事件頻繁發(fā)生，并引起了業(yè)內(nèi)高度重視。為降低其誤關(guān)斷率，采取了各種管理和技術(shù)手段，但截?cái)嚅y誤關(guān)斷事件仍時(shí)有發(fā)生，誤關(guān)斷率依然居高不下。

經(jīng)過對(duì)某管道公司發(fā)生的55次誤關(guān)斷事件統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，因壓力變送器故障導(dǎo)致的占65 %，因雷雨天氣導(dǎo)致占22%，其他原因占5%，未明確單一原因的占8%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，所有已發(fā)生的至少92%的誤關(guān)斷事件均通過泄漏檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的壓力異常體現(xiàn)出來，并最終引發(fā)誤關(guān)斷。鑒于此，本文開展了基于壓力變化特性的長(zhǎng)輸天然氣管線泄漏線路截?cái)嚅y關(guān)斷控制方法研究。

2　系統(tǒng)仿真

本研究仿真和計(jì)算相關(guān)工作通過Stoner Pipeline Simulator（下稱SPS）軟件完成，該軟件被眾多工程和公司采用，主要用于管道設(shè)計(jì)及流體分析。SPS擁有精確模擬管道設(shè)備中流體力學(xué)的能力，可提供非常精確的仿真精度^[2]。

在SPS中對(duì)長(zhǎng)輸天然氣管線泄漏建立了流體模型后，先分析管線的管徑、壓力、輸量、泄漏位置等多種因素對(duì)于壓力下降過程的影響^[3]。再以這些條件對(duì)泄漏的影響程度作為理論依據(jù)，選取發(fā)生最大泄漏時(shí)壓力下降過程最快的管線，再計(jì)算出這個(gè)管段的各壓力情況下的最大壓力下降過程數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)作為發(fā)生最大泄漏時(shí)的代表。

2.1　仿真建模

通過軟件建模模擬某公司曾發(fā)生過管道泄漏事故的管線，如圖 1所示，進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證工作。

圖 1　事故段管線泄漏模型

將事故發(fā)生時(shí)的運(yùn)行壓力、泄漏位置等參數(shù)代入模型進(jìn)行計(jì)算，得到泄漏發(fā)生時(shí)壓力下降過程的曲線。在仿真模擬開始后氣體輸送模型平穩(wěn)，在20 min時(shí)，B-EXP全關(guān)到位，B1、B2全開到位，模擬壓力測(cè)量點(diǎn)上游650 m處出現(xiàn)的泄漏事故，得到的測(cè)量點(diǎn)的壓力下降情況如圖 2所示。除此之外，圖 2中還繪制了事故發(fā)生時(shí)被記錄下的真實(shí)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)以及與模擬值上下10%誤差的曲線。

圖 2　事故段管線泄漏模型

通過與該次事故發(fā)生時(shí)的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證結(jié)果顯示，仿真得出的泄漏時(shí)的壓力下降過程數(shù)據(jù)和實(shí)際壓力下降數(shù)據(jù)有著良好的一致性。同樣的，再通過對(duì)多次事故段仿真計(jì)算后進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果均具有良好的一致性，據(jù)此可以得知，通過該方法進(jìn)行模擬仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。

2.2　數(shù)據(jù)獲取

長(zhǎng)輸天然氣管線泄漏后的截?cái)嚅y處的壓力下降過程受很多因素的影響，比如管徑、壓力、輸量、泄漏位置等^[4]。為得到較準(zhǔn)確的壓力下降過程，需要了解這些條件和輸氣管道截?cái)嚅y處壓降速率的關(guān)系。因此在選取最優(yōu)的數(shù)據(jù)前，以上述仿真模型為基礎(chǔ)，模擬了泄漏發(fā)生時(shí)各條件對(duì)壓力下降過程的影響。

模擬后的結(jié)論為運(yùn)行壓力、泄漏的當(dāng)量直徑、泄漏點(diǎn)離截?cái)嚅y距離與壓降速率成正相關(guān)，管徑與壓降速率負(fù)相關(guān)，站場(chǎng)分輸輸量、管道高程和氣體組分等因素與壓降速率幾乎無影響，其結(jié)果與查閱的資料吻合^[5]。

因此，要計(jì)算出最大的壓降速率，應(yīng)當(dāng)選取小的管徑和輸量，最高的運(yùn)行壓力和泄漏當(dāng)量直徑，并且泄漏位置靠近上游且距截?cái)嚅y500 m。為了更準(zhǔn)確的描述在役管線上最快的壓力下降過程曲線，對(duì)于該段管線都進(jìn)行了從設(shè)計(jì)壓力至最低運(yùn)行允許壓力作為泄漏起始?jí)毫Γ?/span>10.0 MPa、9.5 MPa、9.0 MPa……）后的壓力下降過程數(shù)據(jù)計(jì)算，其結(jié)果如圖 3所示。

圖 3　最大泄漏時(shí)的不同壓力下降過程(圖中曲線從上至下壓力依次降低)

3　控制算法

算法總體思想為，實(shí)時(shí)采集并記錄當(dāng)前管線運(yùn)行時(shí)的壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)壓力變化過程數(shù)據(jù)由大到小逐漸降低，且在最大泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過程數(shù)據(jù)與最小泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過程數(shù)據(jù)之間時(shí)，則可判斷為天然氣管線出現(xiàn)管線泄漏。

3.1　泄漏數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

泄漏數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分為最大泄漏數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和最小泄漏數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩部分內(nèi)容。

最大泄漏數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用于存儲(chǔ)在不同運(yùn)行初始?jí)毫η闆r下該管線最大可能的泄漏發(fā)生后，每隔5 s共20 s內(nèi)的5個(gè)壓力數(shù)值，構(gòu)成在初始?jí)毫η闆r下發(fā)生最大可能泄漏后的壓力下降過程離散數(shù)據(jù)。最大泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過程數(shù)據(jù)，均由SPS仿真軟件計(jì)算得出，而并非在算法中自行計(jì)算。不同管線由于其運(yùn)行壓力、管輸量和管徑等初始條件和邊界條件不同，需要配置存儲(chǔ)不同的壓力下降過程數(shù)據(jù)。

最小泄漏數(shù)據(jù)取自于固定斜率的一條一次線性函數(shù)，其斜率為-0.15 MPa/min，該直線的初始數(shù)據(jù)點(diǎn)取自實(shí)時(shí)采集的管線壓力數(shù)據(jù)。

3.2　壓力泄漏過程判斷

壓力泄漏過程判斷是本算法最核心的內(nèi)容，該算法通過實(shí)時(shí)采集并記錄壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)20 s內(nèi)每隔5 s連續(xù)被記錄的5個(gè)壓力數(shù)據(jù)（P_avg1~P_avg5）由大到小逐漸減小，并且這5個(gè)壓力數(shù)據(jù)均處于最大泄漏發(fā)生時(shí)的最快壓力下降過程數(shù)據(jù)和最小泄漏發(fā)生時(shí)的最緩壓力下降過程數(shù)據(jù)之間時(shí)，則判斷為一次壓力下降過程吻合。

因?yàn)閷?shí)時(shí)采集的壓力數(shù)據(jù)一般不與上述存儲(chǔ)的離散最大泄漏起始?jí)毫��?shù)據(jù)一致，為了更加準(zhǔn)確地判斷整個(gè)壓力下降過程，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移量計(jì)算。從存儲(chǔ)最大泄漏起始?jí)毫��?shù)據(jù)中，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的壓力P_avg1選擇出與其最接近的一個(gè)的起始泄漏數(shù)據(jù)P₁和整個(gè)泄漏壓力下降過程數(shù)據(jù)P₂~P₅ ，然后計(jì)算出圖 4所示時(shí)間偏移量△t。

圖 4　偏移量計(jì)算

△t計(jì)算公式如下。

                                                                       (1)

再根據(jù)時(shí)間偏移量△t計(jì)算得出當(dāng)最大可能發(fā)生的泄漏發(fā)生在當(dāng)前采集到的壓力數(shù)據(jù)和管線當(dāng)前實(shí)時(shí)運(yùn)行壓力值的5 s后（P_max2）、10 s后（P_max3）、15 s后（P_max4）及20 s后（P_max5）的壓力值，其計(jì)算公式如下。

                                                                (2)

                                       (3)

                                                                 (4)

                                        (5)

再將當(dāng)前運(yùn)行壓力情況下，被離散化的最大泄漏發(fā)生時(shí)壓力下降過程數(shù)據(jù)P_max1~P_max5和通過一次線性函數(shù)計(jì)算出的最小泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過程數(shù)據(jù)P_min1~P_min5與實(shí)時(shí)采集到的壓力數(shù)據(jù)P_avg1~P_avg5逐個(gè)比較，若滿足實(shí)時(shí)采集到的壓力數(shù)據(jù)逐漸降低且處于最大泄漏發(fā)生時(shí)壓力下降過程數(shù)據(jù)和最小泄漏發(fā)生時(shí)的壓力下降過程數(shù)據(jù)之間，即P_min2>=P_avg2>=P_max2且P_min3>=P_avg3>=P_max3且P_min4>=P_avg4>=P_max4且P_min5>=P_avg5>=P_max5，則判斷為滿足一次壓力泄漏過程判斷。

3.3　報(bào)警關(guān)閥判斷

根據(jù)最近5次壓力泄漏過程判斷后滿足判斷條件的不同次數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警并進(jìn)行控制。若只有1次滿足壓力泄漏過程，則不產(chǎn)生報(bào)警，短時(shí)間后自動(dòng)復(fù)位；若出現(xiàn)2次滿足壓力泄漏過程，則產(chǎn)生壓降過程小事件報(bào)警；若出現(xiàn)3次滿足壓力泄漏過程，則產(chǎn)生壓降過程大事件報(bào)警；若出現(xiàn)4次或5次滿足壓力泄漏過程，則判斷為出現(xiàn)管線泄漏。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

    基于上述建模所涉及的事故位置，將仿真計(jì)算所得到的壓力下降過程數(shù)據(jù)繪制到圖 5中。事故發(fā)生時(shí)，管線的運(yùn)行壓力為7.85 MPa，于是選擇8.00 MPa的壓力下降過程數(shù)據(jù)作為用于數(shù)據(jù)比較的最大泄漏曲線。同樣的，再選取起始?jí)毫��?/span>7.85 MPa時(shí)，0.15 MPa/min的壓降速率作為最小的壓降曲線。

圖 5　事故發(fā)生時(shí)的壓力數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，其事故發(fā)生時(shí)被記錄下的離散數(shù)據(jù)均是在最大和最小壓降曲線之間且其持續(xù)時(shí)間至少長(zhǎng)達(dá)2 min。能夠滿足本方法中壓力泄漏過程4次以上，符合上述判斷的思路。

    進(jìn)一步的，還需驗(yàn)證該方法在未出現(xiàn)泄漏時(shí)的壓力數(shù)據(jù)異常波動(dòng)時(shí)的判斷情況。根據(jù)公司內(nèi)某閥室發(fā)生截?cái)嚅y誤關(guān)斷典型事件的數(shù)據(jù)記錄，比較結(jié)果如圖 6所示。

圖 6  事故發(fā)生時(shí)的壓力數(shù)據(jù)

誤關(guān)斷發(fā)生時(shí)一段時(shí)間內(nèi)，多個(gè)被記錄的離散壓力數(shù)據(jù)中只有3個(gè)在2條曲線之間。因此上述的算法對(duì)于這種情況，則不會(huì)將其判定出管線泄漏，所以也不會(huì)控制截?cái)嚅y關(guān)斷，也就不會(huì)造成誤關(guān)斷的結(jié)果。

通過實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證結(jié)果表明，本方法能根據(jù)壓力變化過程準(zhǔn)確判斷出天然氣管線的泄漏。

5　結(jié)束語(yǔ)

本方法基于泄漏發(fā)生時(shí)壓力下降與壓力數(shù)據(jù)發(fā)生紊亂跳變的不同過程特性，能夠判斷出管線是否泄漏，進(jìn)而避免原有算法由于設(shè)備不可靠等因素導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷管線泄漏而導(dǎo)致誤關(guān)斷的情況。該方法是在不改變行業(yè)內(nèi)常用泄漏檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架的情況下，提出的一種減少誤關(guān)斷的新思路，提升了泄漏檢測(cè)功能準(zhǔn)確性，保障更加平穩(wěn)高效地輸送天然氣。

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作者：嚴(yán)密， 1989年生，工程師，現(xiàn)主要從事長(zhǎng)輸天然氣管道自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)工作。

《管道保護(hù)》2017年第6期（總第37期）