CN114110441B - 一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法，属于油气管道技术领域。其包括以下步骤：利用站场气质分析小屋采集输气干线所输送天然气组分及管道运行参数；根据天然气组分信息及管道运行参数计算天然气物性参数；计算天然气各组分在阀室泄漏工况下的泄漏速率；根据计算得出的泄漏速率，结合天然气物性参数，给出阀室内可燃气体探测器建议布置方式。本专利所述阀室可燃气体探测器布置方法，克服了现有的仅根据标准规范建议进行阀室可燃气体探测器布置时，可能存在检测盲区或检测时间大幅延长的不足，提高了输气干线阀室安全运行水平。

Description

一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法

技术领域

本发明属于油气管道技术领域，涉及一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法。

背景技术

在天然气管道行业，输气管道发生泄漏的事情时有发生，天然气泄漏存在着不易察觉、扩散快、潜在危害大等特点。对于输气干线，管线上通常隔一定距离或在特殊地段设有截断阀室，将输气干线分成多段，在长输管道需要维修、检修及发生事故需要处理时，阀室对干线进行截断，可以起到缩短放空时间，减少天然气放空量的作用，最终减轻经济损失及事故后果。

通常截断阀室内除了干线紧急截断阀外，还有旁通支管，旁通支管连接着阀室的放空系统。在输气干线发生泄漏事故或进行定期检修时，将关闭干线截断阀，打开旁通支管阀门，使干线内天然气经过旁通管进行放空。但是阀室本身也面临着一些安全风险，例如地基下沉、焊缝破损、经密封处密封不严等，这些风险可能使阀室内旁通管及其附属设备产生破口造成阀室内天然气泄漏后果。对于阀室内可能产生的天然气泄漏事故，通常采用在阀室内布置安装可燃气体探测器的方式对泄漏气体进行监测报警。当前国内主要遵循标准规范中的建议进行可燃气体探测器的布置，遵循的规范有GB 50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》、SY/T 6503-2016《石油天然气工程可燃气体检测报警系统安全规范》等。在以上规范中，对于可燃气体，主要根据气体的相对密度提出建议的可燃气体探测器布置位置；对于天然气这类相对密度小于空气的气体，建议在潜在泄漏域上方距离建筑顶部0.5～1.0米的位置安装可燃气体探测器。但随着国内外能源利用多样性的发展，未来可能使用在役天然气管道输送掺入了其他能源气体的混合天然气，例如掺入了氢气的掺氢天然气。当掺混了其他气体的混合天然气在阀室内产生泄漏时，若仍按照混合气体相对密度进行可燃气体布置方式的考虑，可能会导致泄漏出来的可燃气体被探测器检测到的时间大幅延长，不利于对阀室泄漏事故及时发出警报并止损。

当前输气管道阀室依据标准规范，主要将混合气体密度作为判断可燃气体探测器布置方式的依据，未兼顾天然气中掺入其他气体可能造成的泄漏出的混合天然气扩散特征有别于传统的纯天然气等问题，如掺入氢气后将导致在同样管道运行压力下泄漏速度增大，同时甲烷的泄漏量和在阀室内的堆积量会减少，若想在混合天然气泄漏后能快速准确地检测到泄漏气体，需要在阀室内泄漏气体易堆积位置布置多个检测不同气体的可燃气体探测器，但这样面临着阀室建设产生不必要投资的问题。在输气管线输送气体种类越发多样的趋势下，寻找一种经济、合理、便捷、准确的输气干线阀室可燃气体探测器布置方法，对于减少阀室不必要投资及保证阀室内发生天然气泄漏事故时及时报警尤为重要。

据调查，在现有的专利中，专利CN110880230A《一种智能可燃气体探测器及报警方法》设计了一种能检测多种气体的可燃气体探测器；CN111830201A《可燃气体探测器在线检测系统》设计了一种能模拟可燃气体探测器在线工作环境的检测系统。但目前未有一种结合气体实际性质确定阀室内可燃气体探测器布置方式的方法，综合目前截断阀室仅依据标准规范建议确定可燃气体探测器布置方式的缺点，故本专利对输气干线截断阀室泄漏事故及时报警进而减轻后果是有必要的。当前对于掺混了除甲烷外的其他气体的天然气，在输送进入长输管线时，通常会在站场气质分析小屋中对天然气的组分进行检测分析以监测进入长输管道的天然气的组分。气质分析小屋能在线或离线获取输气管线内输送天然气的组分及各组分占比，还能利用安装在站场进出口的压力、温度检测器获得管线的运行参数，在输气管线改变所输送气体时，无需单独进行实验即可快速得到天然气组分及管道运行参数。因此，可对现有阀室可燃气体探测器安装方法与站场气质分析小屋进行结合改进，以消除现有方法的缺点。

发明内容

本发明是为了解决当前仅遵循标准规范的建议对输气干线截断阀室内可燃气体探测器布置方式进行制定时存在的有检测盲区、部分泄漏工况下检测时间较长从而导致安装的可燃气体探测器未能很好起作用等问题，而提出一种基于当前输气站场气质分析小屋能便捷获得气质组成及管道运行参数的优点，进行阀室内可燃气体探测器布置方式及位置决策的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法，包括以下步骤：

步骤1，利用站场气质分析小屋采集输气干线所输送天然气组分及管道运行参数；步骤2，根据天然气组分信息及管道运行参数计算天然气物性参数；

步骤3，计算天然气各组分在阀室泄漏工况下的泄漏速率；

步骤4，根据计算得出的泄漏速率，结合天然气物性参数，给出阀室内可燃气体探测器建议布置方式。

步骤1中，所述的利用站场气质分析小屋采集输气干线所输送天然气组分及管道运行参数，包括输气干线实时输送的天然气的组成、各组成所占比例及管道运行温度、压力等信息。

步骤2中，所述的根据天然气组分信息及管道运行参数计算天然气物性参数，计算的天然气物性参数包括如下内容：

S21，利用已知各气体单质分子量M_i与各气体组分所占分数y_i，计算天然气整体分子量M，其计算式见(1)式：

式中，M_i为i组分气体单质分子，为已知数据，y_i为i组分气体所占分数；

S22，利用S21中所计算得出的天然气分子量M，结合管道运行压力P、运行温度T，计算天然气在该管道运行条件下的声速V_S，其计算式见(2)式：

式中，M为天然气分子量，由S21得出，V为天然气整体摩尔体积，W为天然气偏心因子，C_P为天然气定压比热容，C_V为天然气定容比热容，由站场气质分析小屋在线或离线测得，其中偏导部分可由气体状态方程结合天然气管道运行温度和压力进行计算求得；

S23，利用天然气管道运行参数计算天然气整体密度ρ，其计算式见(3)式：

式中，M为天然气分子量，由S21得出，P为天然气管道运行压力，T为天然气管道运行温度，由站场气质分析小屋在线或离线测得，R为气体常数，定值；

S24，利用天然气整体密度计算天然气相对密度Δ，其计算式见(4)式：

式中，ρ_a为常温常压下空气密度，通常取1.29kg/m³定值；

步骤3中，所述的计算天然气各组分在阀室泄漏工况下的泄漏速率，计算步骤及内容如下：

S31，根据阀室内支管外径D，估算当阀室内发生天然气泄漏时，可能的管道泄漏口径d₁、d₂、d₃，分别为阀室支管外径的10％、30％、50％；

S32，根据步骤2中所计算得到的天然气物性参数，计算所研究管道运行工况下不同泄漏口径时阀室内天然气的体积泄漏速率Q_j，及天然气各组分的体积泄漏速率Q_ij，其计算式见(5)式和(6)式：

式中，角标i代表不同天然气组分，角标j代表不同泄漏口径；

S33，根据计算出的天然气体积泄漏速率，结合天然气密度，计算所研究管道运行工况下不同泄漏口径时阀室内天然气的质量泄漏速率m_j，及天然气各组分的质量泄漏速率m_ij，其计算式分别见(7)式和(8)式：

式中，角标i代表不同天然气组分，角标j代表不同泄漏口径；

步骤4中，所述的根据计算得出的泄漏速率，结合天然气物性参数，给出阀室内可燃气体探测器建议布置方式。建议的给定步骤如下：

S41，将天然气各组分所占分数按从高到低进行排序，并优先考虑布置检测占比分数高的气体的可燃气体探测器，其中对于占比≤20％的气体，除有特殊需求外，不考虑布置对其进行检测的探测器；

S42，判断天然气整体相对密度Δ，若Δ<0.7，则在选择可燃气体探测器布置方式时优先考虑潜在释放源上方；若0.7<Δ<1.0，则在选择可燃气体探测器布置方式时应同时考虑潜在释放源上方及下方；若1.0<Δ，则在选择可燃气体探测器布置方式时应优先考虑潜在释放源下方；

S43，判断各组分的体积泄漏速率Q_ij，若各泄漏口径下的Q_ij最小值小于1m³/s，则在选择可燃气体探测器布置方式时，应同时考虑潜在释放源上方及下方，且距离释放源平面竖直距离不宜超过1米；若各泄漏口径下的Q_ij最小值大于1m³/s，则在选择可燃气体探测器布置方式时，可仅考虑释放源上方，且可更加靠近阀室顶部。

S44，综合前三步判断结果，形成可燃气体探测器种类、阀室内布置方式推荐结果。

本发明采用以上技术方案，可以达到以下有益效果：

(1)本发明提供的一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法，能够适应输气管道内输送的多种天然气，能适应输气管道输送计划的调整；

(2)本发明提供的一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法，综合了输气管线输送天然气物性、管道运行参数及泄漏工况的影响，可以减少仅根据标准规范的建议制定可燃气体探测器布置方式的方法带来的检测盲区，从而减少阀室内天然气泄漏但检测不到的可能性，进而提高管线安全运营水平，同时提高管道运营方声誉；

(3)本发明方法提供的一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法流程简便、数据处理难度小，为输气管道截断阀室内可燃气体探测器的安装布置提供了新的技术方法。

附图说明

图1是本发明一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法步骤图。

图2是本发明实施例中输气干线参数监测关系的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例中的附图，对本发明作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法，包括以下步骤：步骤1，利用站场气质分析小屋采集输气干线所输送天然气组分及管道运行参数；步骤2，根据天然气组分信息及管道运行参数计算天然气物性参数；

步骤3，计算天然气各组分在阀室泄漏工况下的泄漏速率；

步骤4，根据计算得出的泄漏速率，结合天然气物性参数，给出阀室内可燃气体探测器建议布置方式。

具体实施例

某地区的一条输气干线，因能源生产方案调整，现对原有天然气管线中掺混一定量除甲烷外的其他气体进行混合输送。干线截断阀室内旁通支管直径261.88mm。现根据本发明方法对阀室可燃气体探测器布置方式进行判断，实施步骤如下：

步骤1，利用站场气质分析小屋采集输气干线所输送天然气组分及管道运行参数，结果如表1所示：

表1某输气干线天然气组成及管道运行参数采集结果

步骤2，根据天然气组分信息及管道运行参数计算天然气物性参数，用公式(1)至公式(4)的计算结果见表2所示：

表2管道运行工况下天然气各物性计算结果

步骤3，计算天然气各组分在阀室泄漏工况下的泄漏速率，计算结果见表3所示：

表3天然气各组分在阀室各泄漏工况下的泄漏速率计算结果

步骤4，根据计算得出的泄漏速率，结合天然气物性参数，给出阀室内可燃气体探测器建议布置方式。判断步骤如下：

S41，根据天然气组分占比排序，得出可燃气体探测器安装种类优先度顺序为：甲烷探测器、硫化氢探测器、氢气探测器，其中除有特殊检测需求外，可无需考虑布置氢气探测器；

S42，根据天然气整体密度Δ＝0.634<0.7，判断在进行可燃气体探测器布置方式选择时，应优先考虑气体释放源上方；

S43，根据各泄漏工况下CH₄的最小体积泄漏速率为0.1279m³/s<1m³/s，在布置甲烷探测器时应考虑在泄漏源上下方各1m范围内各安装一个；根据H₂S的最小体积泄漏速率为0.0533m³/s<1m³/s，在布置硫化氢探测器时应考虑在泄漏源上下方各1m范围内各安装一个；根据H₂的最小体积泄漏速率为0.0319m³/s<1m³/s，在布置氢气探测器时应考虑在泄漏源上下方各1m范围内各安装一个；

S44，综合前三步判断结果，形成可燃气体探测器种类、阀室内布置方式推荐结果如下：首先考虑在阀室内潜在释放源上下方各1m以内各安装一个甲烷探测器，且以潜在释放源上方为主；其次考虑在阀室内潜在释放源上下方各1m以内各安装一个硫化氢探测器，且以潜在释放源上方为主；阀室内可不布置氢气探测器，若有氢气探测需求，考虑在阀室内潜在释放源上下方各1m以内各安装一个氢气探测器，以潜在释放源上方为主。

在采用现有根据标准规范的建议进行阀室可燃气体探测器的布置时，仅需完成至本发明中的步骤2，即根据天然气混合相对密度0.634<1就判断阀室内可燃气体探测器应安装在潜在泄漏域上方距离建筑顶部0.5～1.0米的位置，并未考虑天然气中掺入了其他气体所带来的天然气泄漏扩散特征的变化，对可燃气体探测器的种类的选择仅仅依据天然气组分占比，选择的方式方法不严谨。

本发明提供了一种考虑输气管道运行压力、温度以及天然气组成信息，并基于输气站场现有的气质分析小屋，对输气干线截断阀室内可燃气体探测器布置方式进行判断的方法。该方法克服了现有的仅根据标准规范建议进行阀室可燃气体探测器布置时，可能存在检测盲区或检测时间大幅延长的不足，提高了输气干线阀室安全运行水平。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种输气干线阀室可燃气体探测器布置方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，利用站场气质分析小屋采集输气干线所输送天然气组分及管道运行参数；

步骤2，根据天然气组分信息及管道运行参数计算天然气物性参数，所述步骤2中一种根据天然气组分信息及管道运行参数计算天然气物性参数方法包括如下内容：

S21，利用已知各气体单质分子量M_i与各气体组分所占分数y_i，计算天然气整体分子量M，其计算式见(1)式：

式中，M_i为i组分气体单质分子，为已知数据，y_i为i组分气体所占分数；

S22，利用S21中所计算得出的天然气分子量M，结合管道运行压力P、运行温度T，计算天然气在该管道运行条件下的声速V_S，其计算式见(2)式：

式中，M为天然气分子量，由S21得出，V为天然气整体摩尔体积，W为天然气偏心因子，C_P为天然气定压比热容，C_V为天然气定容比热容，由站场气质分析小屋在线或离线测得，其中偏导部分可由气体状态方程结合天然气管道运行温度和压力进行计算求得；

S23，利用天然气管道运行参数计算天然气整体密度ρ，其计算式见(3)式：

式中，M为天然气分子量，由S21得出，P为天然气管道运行压力，T为天然气管道运行温度，由站场气质分析小屋在线或离线测得，R为气体常数，定值；

S24，利用天然气整体密度计算天然气相对密度Δ，其计算式见(4)式：

式中，ρ_a为常温常压下空气密度，通常取1.29kg/m³定值；

步骤3，计算天然气各组分在阀室泄漏工况下的泄漏速率，所述步骤3中一种计算天然气各组分在阀室泄漏工况下的泄漏速率方法包括如下步骤：

S31，根据阀室内支管外径D，估算当阀室内发生天然气泄漏时，可能的管道泄漏口径d₁、d₂、d₃，分别为阀室支管外径的10％、30％、50％；

S32，根据步骤2中所计算得到的天然气物性参数，计算所研究管道运行工况下不同泄漏口径时阀室内天然气的体积泄漏速率Q_j，及天然气各组分的体积泄漏速率Q_ij，其计算式见(5)式和(6)式：

式中，角标i代表不同天然气组分，角标j代表不同泄漏口径；

S33，根据计算出的天然气体积泄漏速率，结合天然气密度，计算所研究管道运行工况下不同泄漏口径时阀室内天然气的质量泄漏速率m_j，及天然气各组分的质量泄漏速率m_ij，其计算式分别见(7)式和(8)式：

式中，角标i代表不同天然气组分，角标j代表不同泄漏口径；

步骤4，根据计算得出的泄漏速率，结合天然气物性参数，给出阀室内可燃气体探测器建议布置方式，所述步骤4中一种根据计算得出的泄漏速率，结合天然气物性参数，给出阀室内可燃气体探测器建议布置方式包括如下步骤：

S41，将天然气各组分所占分数按从高到低进行排序，并优先考虑布置检测占比分数高的气体的可燃气体探测器，其中对于占比≤20％的气体，除有特殊需求外，不考虑布置对其进行检测的探测器；

S42，判断天然气整体相对密度Δ，若Δ<0.7，则在选择可燃气体探测器安装位置时优先考虑潜在释放源上方；若0.7<Δ<1.0，则在选择可燃气体探测器安装位置时应同时考虑潜在释放源上方及下方；若1.0<Δ，则在选择可燃气体探测器安装位置时应优先考虑潜在释放源下方；

S43，判断各组分的体积泄漏速率Q_ij，若各泄漏口径下的Q_ij最小值小于1m³/s，则在选择可燃气体探测器安装位置时，应同时考虑潜在释放源上方及下方，且距离释放源平面竖直距离不宜超过1米；若各泄漏口径下的Q_ij最小值大于1m³/s，则在选择可燃气体探测器安装位置时，可仅考虑释放源上方，且可更加靠近阀室顶部；

S44，综合前三步判断结果，形成可燃气体探测器种类、阀室内安装位置推荐结果。