1.計算算例條件。
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ESD閥關(guān)斷延遲影響，基于前述理論和模型，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(dú)泄漏速率之和，2個ESD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(jìn)行對比驗(yàn)證，雖然ALOHA只能對純物質(zhì)提供ESD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(shí)際的氣體成分，相關(guān)參數(shù)如流經(jīng)上下游ESD閥的流量，泄漏點(diǎn)處壓力、溫度等由HYSYS計算?；谇笆鰳?gòu)建的泄漏等效模型，在驗(yàn)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(shí)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ESD閥關(guān)閉時機(jī)對泄漏的影響。為分析和對比ESD閥關(guān)斷順序?qū)π】准按罂仔孤┧俾实挠绊?，定義以下動作時間點(diǎn)：1)50min為管道由正常平穩(wěn)運(yùn)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)ESD閥立即執(zhí)行關(guān)斷;3)250min時剩余的下游(或上游)緊急關(guān)閉閥執(zhí)行關(guān)斷。
需說明的是，所設(shè)各動作時間點(diǎn)只為清晰對比ESD閥關(guān)斷影響而設(shè)定，并不代表管道ESD閥關(guān)斷動作的實(shí)際執(zhí)行時間。
2.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(dá)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(dá)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(shí)際過程中當(dāng)上游ESD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ESD閥關(guān)斷達(dá)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ESD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。
3.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(bǔ)充泄漏量。當(dāng)下游ESD閥先行關(guān)閉時，上游管道入口處流量降低，但持續(xù)補(bǔ)充流量明顯大于上游先關(guān)斷段時的逆向補(bǔ)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ESD閥上游管道和ESD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ESD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(bǔ)充泄漏量。當(dāng)下游ESD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ESD閥先關(guān)斷后的出口逆向補(bǔ)充流量。不同孔徑和ESD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(shí)際的氣體釋放質(zhì)量和速率。顯然，如不能保證ESD閥同時關(guān)斷，應(yīng)優(yōu)先關(guān)斷管道入口ESD閥，此時無論大小孔補(bǔ)充流量都相對較低。