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管道研究

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探讨油气管道泄漏后果快速评估技术

来源:《管道保护》杂志 作者:付建民 叶闯 罗会玖 张保坡 时间:2018-7-9 阅读:

付建民1 叶闯1 罗会玖2 张保坡2

1.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心; 2.中国石油化工股份有限公司管道储运分公司

我国大部分在役油气管道运行已超过20年。由于腐蚀、管道质量缺陷、运行磨损、违规操作及人为破坏等因素导致的泄漏事故时有发生。目前,原油管道泄漏风险评价存在两个突出问题:

一是应急决策与后果评估采用大量假设,未考虑实际泄漏处置过程(如图1所示)对泄漏速率的影响,导致无法准确计算泄漏量,不能为泄漏风险确定和应急救援提供准确信息。青岛11.22事故发生后,由于缺乏泄漏量评估数据,没有及时准确计算泄漏总量,仅凭地表和海面原油量粗略判断泄漏量,导致对泄漏后果严重低估,使应急区域划分和响应等出现严重误判。

图1 实际原油管道泄漏处置过程

二是带压堵漏、保压运行和停输等操作都会对泄漏速率产生较大影响。有必要对不同泄漏处置条件下的泄漏速率进行研究。

1 泄漏量计算方法优缺点对比

目前采用的泄漏量计算方法主要有以下两类。

1.1 基于质量平衡原理的流量计方法

主要利用管道出入口流量计实时计量体积流量,通过泄漏前后一段时间内的累计流量差计算泄漏量。使用该方法确定泄漏量优点是简单直接,但缺点是:①流量计计量误差对泄漏量计算影响较大,用流量计精确计量大尺寸原油管道目前仍存在较大技术难度(对部分管道,流量计误差甚至达到10%以上),无法准确确定小孔泄漏量;②我国大部分在役管道的各段泵站出入口未安装流量计,再投资和建设成本较高,无法采用此方法计算;③存在泄漏时流量计无法计量的工况,这部分工况包括泵站停泵后的各种泄漏场景。由于停泵,上下游流量计计量读数为零,但受管道高程重力作用影响,泄漏仍在持续,且该部分泄漏量非常可观。

1.2 基于管道压力分布动态模型的泄漏量计算方法

该方法主要依据管道规格、高程及流体的特征,建立较复杂的数学模型和泄漏后管道动态压降分布模型,根据泄漏点压力计算泄漏速率和累计泄漏量。该方法的优点是:①结合泄漏定位系统可预测和快速计算泄漏区域泄漏量;②可以对泄漏后不同处置措施(包括停泵、保压运行等)条件下的泄漏量进行计算。该方法的缺点是:①模型建立工作量较大,需要对各站之间管道根据高程变化进行划分,以复线为例,仅黄岛站—青岛站就划分为254段。②不同模型准确度差别较大,需要大量实际数据对模型进行相应修正。

本文主要采用理论研究、模拟实验以及数值仿真相结合的方法,根据东黄复线沿线站点分布进行分段,并对各站点之间的管道依据其高程变化进行划分,研究其泄漏规律,对现有的管道泄漏模型进行验证,改进泄漏强度计算模型,并在此基础上研究泄漏过程中可能进行的保压运行、停泵等泄漏处置干预过程对泄漏强度的影响,分析不同泄漏场景和工况下的泄漏规律,总结出相应的泄漏强度的计算方法,最终得出泄漏量的大小。主要技术路线如图2所示。

图2 技术路线图

2 泄漏量计算建模过程及验证

2.1 建模过程

根据上述建模原理及使用方法,具体建模过程如下:

(1)对原油样品进行分析,确定原油组分。

(2)根据原油组分检测报告结果,确定物料组分。

(3)根据泵站分布变化情况对东黄复线管道进行区间划分。

(4)根据各区间内管道高程变化对管道进行划分,并测量出相应的管长及高程数据。

(5)将管道高程测量数据结果输入,构建管道模型。

(6)设置管材、保温层等参数。

(7)选择控制器并输入控制参数。

(8)模型验证结合现场泄漏数据和相似模拟实验,采用中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心管道泄漏及气体扩散测试实验系统进行。该系统由储罐、输送泵、空压机、缓冲罐、输液管道、输气管道、分离器、混相器、预热器、伴热系统、泄漏模块、控制台、测试仪表、采集处理系统等组成,其主要功能是模拟现场输送管道泄漏状况。该实验系统能实现纯液相、纯气相以及气液混相的管道泄漏、罐体泄漏、埋地管道泄漏模拟试验以及相关数据的采集分析。

实验系统原理如图3所示。

图3 液相管道泄漏实验系统流程图

液相管道泄漏实验装置系统,可以通过换装不同泄漏模块,模拟不同泄漏孔口在不同压力、不同排量下的泄漏实验,同时利用测量仪表单元和数据采集单元实时记录管道流量、压力等数据,研究不同裂口、流量、压力情况下的泄漏变化规律。

2.2 验证结果

根据2014年12月16日东临管线滨州站至惠民站盗油事件现场数据,优化验证泄漏模型。由图4、5可见,盗油时,管道压力变化分为3个阶段,分别为管道压力下降阶段、管道压力稳定阶段、管道压力恢复阶段。对比现场检测与仿真结果,可以看出,盗油事件发生后,管道压力变化趋势、泄漏过程与实际比较吻合。由此可见,仿真模型能准确模拟现场情况,模型精度高、有效性强。

图4 盗油发生时现场实际数据图

图5 仿真结果图

研究也发现,对固定输量管道上的任意泄漏孔而言,超过当前该尺寸时泄漏量并不会持续增加(即破裂口再大,但是泄漏量也不可能超过管道的输入流量)。

3 泄漏快速计算系统开发

根据上述研究,建立东黄复线管道泄漏规律和预测数据库,并编写相应软件。该软件具有以下特点:

(1)可结合管道负压波定位系统对泄漏点位置进行输入。

(2)考虑泄漏处置措施,计算全过程泄漏量,为管道企业进行快速泄漏风险评估、泄漏处置提供参考。

(3)软件编写过程中考虑临界孔径等因素,符合实际情况。

软件功能包括站间高程点泄漏压力预测、泄漏流量预测计算等。具体功能设计如下:

(1)可根据实际泄漏情况分别选取不同站间管线泄漏点。

(2)可根据管道高程图(如图6)选择泄漏点位置进行直接输入查询,也可结合管道负压波定位系统输入泄漏点位置进行查询。

图6 管道高程图

(3)完成管线任意位置、不同泄漏孔口尺寸的泄漏压力变化和泄漏流量预测。根据输入的泄漏点位置及泄漏时间,对相应场景下未停泵时的泄漏量进行计算。

(4)根据不同段不同区域泄漏量计算公式及输入的泄漏点位置,计算该泄漏点停泵时的泄漏量。

( 5 )通过分别计算未停泵以及停泵时的泄漏量,得出管线任意位置、不同泄漏孔口尺寸下的总泄漏量(如图7)。

图7 计算输出结果

结合管道泄漏监测定位系统和地理信息系统(GIS),快速确定管道泄漏发生后的泄漏总量、泄漏可能的影响范围,当泄漏强度较大和泄漏区域为重点保护区域时,可及时决策是否保压运行还是停输。如图8、9所示,可根据泄漏定位系统和泄漏量预测该区域可能影响范围,进而快速决策是否停输。

图8 泄漏高风险区域泄漏量影响规模预测图

图9 泄漏中低风险区域泄漏量影响规模预测图

4 结论

(1)泄漏处置过程对泄漏强度有较大影响,本文介绍了一种根据泄漏处置过程将泄漏去全过程分为停泵前泄漏和停泵后泄漏两个阶段的泄漏快速计算方法。

(2)快速计算和确定泄漏量,并结合定位系统确定泄漏总量和泄漏可能影响的范围,对于泄漏控制和应急处置决策至关重要。

作者:付建民, 1977年生,男,博士,副教授,主要从事油气安全工程方向的教学和科研工作,目前的研究方向为:石油、化工风险辨识与评价技术, HAZOP与LOPA及SIL分析技术应用、油气安全技术、石油化工装置泄漏模拟与评价技术等。

《管道保护》2016年第5期(总第30期)

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