緊急關斷閥關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平衡過程和緊急關斷閥關斷延遲影響，基于理論和模型，建立20000m長、內徑為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、大孔范圍內的泄漏口面積，小孔取內管道內橫截面積的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，將等效模型內介質指定為純甲烷并與美國環保署和國家海洋大氣管理局推薦的ALOHA計算數據進行對比驗證，雖然ALOHA只能對純物質提供緊急關斷閥關閉后泄漏量的分鐘內均值，但是可以近似得到不同泄漏孔徑的泄漏系數，提高模型計算泄漏速率準確度。在此小孔和大孔速度系數分別取0165和0185。

設定的條件為：(1)因管道處于集輸管網的背景壓力環境，指定管段的入口壓力（本文取9512KPa），下游出口壓力（穩態模式求解后指定）；(2)入口氣體溫度為45℃；3）指定實際的氣體成分，相關參數如流經上下游緊急關斷閥的流量，泄漏點處壓力、溫度等由HYSYS計算。基于前述構建的泄漏等效模型，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（本文為相對分子質量為19141的高含硫天然氣），分析管道泄漏段上下游緊急關斷閥關閉時機對泄漏的影響。

為分析和對比緊急關斷閥關斷順序對小孔及大孔泄漏速率的影響，定義以下動作時間點：(1)50min為管道由正常平穩運行狀態轉為泄漏事故狀態的開始時刻；(2)150min時上游（或下游）緊急關斷閥立即執行關斷；(3)250min時剩余的下游（或上游）緊急關斷閥執行關斷。

需說明的是，所設各動作時間點只為清晰對比緊急關斷閥關斷影響而設定，并不代表管道緊急關斷閥關斷動作的實際執行時間。

1、緊急關斷閥不同關斷條件下的管道流量變化。

泄漏的發生使管道出入口流量不再相等，為計算有效泄漏質量，在分析泄漏事故狀態時，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系。對于小孔泄漏，泄漏發生后（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。當上游ESD閥先關斷后，下游管道出口將立即出現逆流，補充泄漏量。當下游緊急關斷閥先行關閉時，上游管道入口處流量降低，但持續補充流量明顯大于上游先關斷段時的逆向補充流量，將造成較多的氣體釋放。當泄漏為大孔泄漏時，泄漏量則由緊急關斷閥上游管道和緊急關斷閥出口的下游管道共同提供，上游入口流量顯著增加，下游管道出口出現大的逆向回流，造成更多的氣體釋放。當上游緊急關斷閥先行關閉后，泄漏管段下游出口的逆向回流量大幅增加，補充泄漏量。當下游緊急關斷閥先行關閉后，管內上游流量大幅增加，但相比低于上游緊急關斷閥先關斷后的出口逆向補充流量。不同孔徑和緊急關斷閥不同關斷順序下管內流量存在差異，流量變化存在動態平衡過程，這些因素都決定實際的氣體釋放質量和速率。顯然，如不能保證緊急關斷閥同時關斷，應優先關斷管道入口緊急關斷閥，此時無論大小孔補充流量都相對較低。

2、緊急關斷閥不同關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斷順序和時差條件下的變化決定著泄漏率的變化，泄漏發生后（50min時）由于管內壓力存在動態平衡過程，小孔由于泄漏速率低，平衡時間很短，初始時刻流量稍高，十幾秒內達到壓力平衡后的穩態泄漏流量（由6001215kg·min-1降至585159kg·min-1）。而大孔泄漏后初始時刻流量較高，需經過10余分鐘系統方達到壓力平衡后的穩態泄漏，降幅較高（由5565121kg·min-1降至4377133kg·min-1）。實際過程中當上游緊急關斷閥先關斷時，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斷閥關斷達到穩定后泄漏速率降低34188%小孔泄漏速率僅僅降低3145%。當下游緊急關斷閥先行關閉時，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。