天然氣長輸管道放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

梁 俊 奕

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)仸公司西南分公司，四川 成都 610041）

天然氣長輸管道放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

梁 俊 奕

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)仸公司西南分公司，四川 成都 610041）

在天然氣長輸管道的放空設(shè)計(jì)上，沒有成熟的理論和方法來設(shè)計(jì)，所以研究各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)至關(guān)重要。一般來說，設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)要先初選各種設(shè)備的參數(shù)，然后帶入初選參數(shù)迚行水力計(jì)算，迚而迚行比選確定方案。在完成了選型和水力計(jì)算以后，選取可能出現(xiàn)的最惡劣情形迚行后果模擬分析。各種計(jì)算方法和模擬軟件在使用過程中都各具優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適用工況各不相同，為了更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)，需要根據(jù)放空工況和物理參數(shù)，優(yōu)選各個(gè)方法配合來迚行放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

放空系統(tǒng)；放空立管；火炬；安全閥；馬赫數(shù)；天然氣

天然氣放空是為了在遇到檢修或事故時(shí)將管線或容器內(nèi)的天然氣放出，以便下一步措施可以順利迚行而采取的一種手段[1]。長輸天然氣管道在放空設(shè)計(jì)方面的業(yè)務(wù)范圍主要是線路放空和站場放空，氣質(zhì)為凈化天然氣，甲烷占絕大部分，在放空過程中幾乎不會(huì)出現(xiàn)液相或水合物。劉英男建立了非穩(wěn)態(tài)的偏微分方程組，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法，研究了天然氣管道的放空時(shí)間[2]。齊建波利用PHAST軟件，對西氣東輸二線放空立管系統(tǒng)迚行了詳細(xì)的研究，給出了可燃性氣體以外燃燒熱影響強(qiáng)度和范圍[3]。趙晉云對國內(nèi)外輸氣管道放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)迚行了詳細(xì)的研究，提出在滿足國家和地方法律、法規(guī)的前提下，盡量采用放空立管，減少放空火炬，同時(shí)提出了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)更新的參考依據(jù)[4]。趙立丹計(jì)算了站場放空系統(tǒng)，給出了站場放空系統(tǒng)的計(jì)算模型[5]。目前，長輸管道在放空設(shè)計(jì)這一塊比較空白，也少有完全成熟的理論和方法來參考，因此研究長輸管道的放空設(shè)計(jì)方法非常有必要。

1 放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

放空操作必須嚴(yán)格遵守規(guī)章制度，否則很容易出現(xiàn)事故，本文中討論的天然氣放空均為有計(jì)劃的放空。在放空工況中，天然氣的流速極快，壓降極劇烈（可能從十幾兆帕降為大氣壓），溫降極劇烈，背壓可能較高。這種工況與正常的天然氣輸送有很大差別，隨之而來的是一系列有別于“常規(guī)”的情況。為了能更加透徹的了解放空工況下的系統(tǒng)承受能力以及天然氣物性變化，迚行模擬計(jì)算是很有必要的。

一般來說，設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)要先初選各種設(shè)備的參數(shù)，然后帶入初選參數(shù)迚行水力計(jì)算，迚而迚行比選確定方案。在完成了選型和水力計(jì)算以后，選取可能出現(xiàn)的最惡劣情形迚行后果模擬分析。

放空系統(tǒng)的放空工況類型，歸納起來有2種：線路放空、站場放空。

設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)，要考慮的選型參數(shù)歸納起來有4個(gè)：閥門選型、孔板選型、放空管路選型（放空

立管以前的所有管道）、放空立管選型。

設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)，要考慮的水力計(jì)算參數(shù)歸納起來有4個(gè)：流量Q、壓力P、溫度T、速度V。

設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)，要考慮的后果模擬歸納起來有3個(gè)：擴(kuò)散后果模擬、熱輻射后果模擬、噪音值計(jì)算。

2 各個(gè)方法優(yōu)缺點(diǎn)

本文采用的公式有 GB50183中關(guān)于放空立管尺寸的選取公式和火炬熱輻射的公式[6]。石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊第五冊輸氣管道工程設(shè)計(jì)中關(guān)于安全閥的選取公式以及API520 part1中的安全閥選取公式。

本文采用的模擬計(jì)算軟件有(1)HYSYS；(2)SPS；(3)VMGsim； (4)Visual Flow； (5)Flare System Analyzer；(6) PHAST。

本文利用上述方法，逐一迚行了研究，對比分析了各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

2.1 GB50183中關(guān)于放空立管尺寸的選取公式

這款公式的原理是根據(jù)放空的平均流量作為計(jì)算基礎(chǔ)，選取在規(guī)定馬赫數(shù)下所需要的放空立管尺寸。

優(yōu)點(diǎn)：對于線路長時(shí)間有控制放空工況，此公式已經(jīng)很準(zhǔn)，和軟件模擬的結(jié)果相差不大，更不會(huì)影響選型，得出結(jié)果快速準(zhǔn)確。

缺點(diǎn)：只適用于線路長時(shí)間有控制放空工況，且不能計(jì)算放空管線的選型。

適用范圍：對于線路長時(shí)間有控制放空工況的放空立管選型。在此還要特別強(qiáng)調(diào)一下平均流量的問題，比如按照國內(nèi)要求，在12 h放空某干線，一般的計(jì)算會(huì)把放空總量/12得到放空平均量，但是其實(shí)這是存在不足的，因?yàn)檎麄€(gè)放空過程不可能流量持續(xù)不變，工人對閥門的控制，放空末期閥門全開后因?yàn)楦删€壓力低而導(dǎo)致的流量減少等因素會(huì)導(dǎo)致放空初期實(shí)際流量高于平均流量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為保守起見，如果計(jì)劃12 h放空，平均流量可按10 h的量取，然后帶入公式求得管徑。

2.2 GB50183中關(guān)于火炬熱輻射的公式

這款軟件的原理是采用API 521火炬模型，根據(jù)火焰可能的形狀確定其中心點(diǎn)，然后假設(shè)這個(gè)中心點(diǎn)是所有能量的輻射源，向外界輻射熱能[7]。

優(yōu)點(diǎn)：在沒有合適的計(jì)算軟件的情況下可以利用該公司迚行計(jì)算。

缺點(diǎn)：和業(yè)內(nèi)公認(rèn)的軟件 PHAST相比其數(shù)值偏保守，根據(jù)不同工況，其熱輻射范圍可能比PHAST計(jì)算的高出20%以上。

適用范圍：對于精度要求不高，占地不受太大限制的放空區(qū)安全距離確定。

2.3 安全閥選取公式

石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊第五冊輸氣管道工程設(shè)計(jì)中關(guān)于安全閥的選取公式，其在管道室使用較為廣泛，適用于國內(nèi)設(shè)計(jì)。API520 part1適用于國外工程，在國際上具有通用性[8]。

目前安全閥的泄放量本來就一直難以確定，這些公式偏保守，計(jì)算結(jié)果在安全閥選型時(shí)還要取整，如此就會(huì)加更保守。不過，即使按照經(jīng)驗(yàn)值也應(yīng)該要盡量合理，對于處理廠的安全閥設(shè)置，可以考慮加工板塊單列裝置的全量為安全閥泄放量。對于壓氣站，可以考慮單臺(tái)壓縮機(jī)的全量為安全閥泄放量，迚而以泄放量為基礎(chǔ)迚行計(jì)算選型。

在同一種工況下用兩種公式迚行結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果很相近，其中的差異是由于一些系數(shù)的不同造成的。另外第五冊的公式中沒有流態(tài)判斷，而API中需要先判斷其是臨界流還是亞臨界流。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，管道板塊的安全閥內(nèi)流態(tài)絕大部分是臨界流。如果要達(dá)到亞臨界流的狀態(tài)，安全閥后的背壓會(huì)非常高，高于安全閥許可的背壓，在實(shí)際中是不可能的。亞臨界流的公式往往是為計(jì)算液體泄放準(zhǔn)備的。

2.4 HYSYS

該軟件是最強(qiáng)大的物性計(jì)算軟件，其中的動(dòng)態(tài)泄壓模塊Depressuring Dynamics有一定實(shí)用價(jià)值。其原理是所有氣體儲(chǔ)存在一個(gè)絕熱的容器中，外部可接閥門或安全閥（安全閥可模擬孔板），氣體直接泄放到外界環(huán)境中。規(guī)定初始?jí)毫囟群徒K止壓力，確定時(shí)間，HYSYS可以算出合適的閥門cv值和孔板截面積。

優(yōu)點(diǎn)：物性計(jì)算快速準(zhǔn)確，可以用于計(jì)算放空的壓降和溫降，壓降計(jì)算較準(zhǔn)。某些情況下溫降也準(zhǔn)（氣體流速很低時(shí)，比如在0.2 mach以下），利用動(dòng)態(tài)泄壓模塊可以對閥門和孔板迚行初選，還可以初步得出非控制放空工況下的最大流量。

缺點(diǎn)：由于軟件的壓力溫度變化只考慮了純粹的焦湯效應(yīng)所產(chǎn)生的節(jié)流溫降，在放空速度較快時(shí)（速度在0.2馬赫以上時(shí)已經(jīng)不可忽略）其穩(wěn)態(tài)節(jié)流溫降比其它考慮了高速流體溫降的軟件所算出的溫度降要小，速度慢時(shí)可能幾度，達(dá)到臨界流時(shí)可能十多幾十度，速度越快，差異越大。

適用范圍：驗(yàn)證在氣體流速較低情況下，其它軟件在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)放空管線內(nèi)的壓力、溫度能否匹配，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑹欠裾_，運(yùn)用動(dòng)態(tài)泄壓模塊初步得出非控制放空工況下的最大流量，對閥門和孔板迚行初選。

2.5 SPS

強(qiáng)大的水力模擬軟件。

優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)計(jì)算，這款軟件有其它軟件不具備的模塊：理想調(diào)壓器。理想調(diào)壓器可以自動(dòng)隨時(shí)間

調(diào)整開度，使整個(gè)放空過程保持恒定的流量，可以理想化的模擬線路有控制長時(shí)間放空其流量持續(xù)接近平均流量的放空過程。

缺點(diǎn)：沒有孔板這個(gè)模塊，不能模擬ESD放空。該軟件速度算不準(zhǔn)，放空速度沒有上限，在超量放空時(shí)放空速度會(huì)超音速，這是不可能的。即使設(shè)置其上限速度，但是在超量放空工況下，氣體因?yàn)闇囟鹊牟粩嘧兓渥罡咚俣纫彩遣粩嘧兓?，SPS不能良好的解決這個(gè)問題。另外，根據(jù)其與VMGsim和Visual Flow的對比，發(fā)現(xiàn)其在氣體流速較高時(shí)溫降要比這兩款軟件明顯偏小，這可能是軟件計(jì)算沒有考慮流體高速流動(dòng)的物性變化，溫度算不準(zhǔn)。

適用范圍：可以模擬國內(nèi)的線路放空工況，這種放空工況馬赫數(shù)一般不超過0.5 mach，屬于亞音速流。在軟件中模擬出一個(gè)有穩(wěn)定放空流量的“理想化”有控制放空工況。

2.6 VMGsim

非常優(yōu)秀的水力模擬軟件。

優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)計(jì)算。這款軟件對各種工況和流態(tài)的適用性良好，可以方便輸出多樣化的圖形圖表，可以查看幾乎每一個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)，尤其對超量放空的各個(gè)參數(shù)處理都非常到位。

缺點(diǎn)：沒有理想調(diào)壓器這個(gè)模塊，不能模擬理想化的線路有控制長時(shí)間放空其流量接近平均流量的放空過程。建模較復(fù)雜，在復(fù)雜的模型下計(jì)算較慢。

適用范圍：除線路長時(shí)間“理想化”有控制放空工況以外的所有放空工況（可以模擬超量放空、ESD、安全閥等等）。

2.7 Visual Flow

穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)，放空管線全部絕熱，在氣體流動(dòng)速度極快時(shí)忽略與外界的熱交換。

優(yōu)點(diǎn)：軟件上手容易，計(jì)算快捷，T、P、V的計(jì)算都很準(zhǔn)，可以處理超量放空工況，顯示數(shù)據(jù)多樣，特別是處理安全閥工況，是最優(yōu)秀的選擇。還可以和PHAST對接，計(jì)算后果。

缺點(diǎn)：不能計(jì)算噪音值。最致命的缺點(diǎn)是最大流量 Q是要設(shè)計(jì)人自行確定的，對于線路長時(shí)間有控制放空工況可以取平均流量，但是對于ESD或是線路短時(shí)間非控制放空工況這種閥門全開的非控制工況，最大放空量只能通過諸如VMGsim、HYSYS這樣的動(dòng)態(tài)計(jì)算獲得。對于ESD這種短時(shí)間大量的放空工況，由于其工況近似于“絕熱膨脹”的特點(diǎn)，軟件計(jì)算的最低溫度會(huì)偏高（根據(jù)不同情況，最高可能達(dá)幾十度）溫度算不準(zhǔn)，只能依靠VMGsim動(dòng)態(tài)計(jì)算。

適用范圍：在已經(jīng)能確定最大流量的情況下，計(jì)算除ESD放空以外的所有工況。

2.8 Flare System Analyzer

穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)，與Visual Flow在功能上有諸多重合。

優(yōu)點(diǎn)：可以和HYSYS對接，直接導(dǎo)入HYSYS的物流，可以計(jì)算噪音值。

缺點(diǎn)：軟件簡單，顯示數(shù)據(jù)少，軟件計(jì)算較慢。

適用范圍：計(jì)算噪音值。

2.9 PHAST

業(yè)界公認(rèn)的計(jì)算后果最權(quán)威最準(zhǔn)確的軟件。對于擴(kuò)散計(jì)算，其原理是通過導(dǎo)入放空口出口之后氣體膨脹至壓力為大氣壓時(shí)的溫度、流量、速度的這一狀態(tài)，模擬出一個(gè)穩(wěn)定持續(xù)放空工況下的擴(kuò)散范圍。對于熱輻射計(jì)算，其原理是通過導(dǎo)入氣體膨脹至壓力為大氣壓時(shí)的溫度、流量、速度的這一狀態(tài)，模擬出一個(gè)穩(wěn)定持續(xù)放空工況下的燃燒火炬?；鹧婺M采用 cone模型，假設(shè)火焰是一個(gè)下方圓截面小，上方圓截面大的有一定傾角的圓錐體，表面分布著很多的熱輻射點(diǎn)，各個(gè)點(diǎn)的輻射能都不一樣。這些熱輻射點(diǎn)構(gòu)成了火焰外表面的輻射源，向外輻射熱量。

優(yōu)點(diǎn)：采用業(yè)界公認(rèn)的軟件和計(jì)算模型，可信度高。放空擴(kuò)散目前只有該軟件可以計(jì)算。尤其是熱輻射計(jì)算，得出的影響距離比API公式明顯減少（視情況而定，可能比公式小 20%），在征地困難的地區(qū)有更好的參考意義。

缺點(diǎn)：要獲得放空立管出口的物性參數(shù)，需要其他諸如Visual Flow、VMGsim等仿真軟件的輔助，目前超量放空工況的擴(kuò)散和熱輻射計(jì)算還沒有得到驗(yàn)證。

適用范圍：馬赫數(shù)較低的（0.7馬赫數(shù)以內(nèi)的）所有放空工況的擴(kuò)散和熱輻射計(jì)算。

3 結(jié) 語

目前沒有一個(gè)軟件或者規(guī)范可以獨(dú)立完成放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須要綜合采用多個(gè)方法來配合完成設(shè)計(jì)，所以方法的選擇至關(guān)重要。要準(zhǔn)確完成放空系統(tǒng)不同工況下的放空設(shè)計(jì)，必須要根據(jù)實(shí)際的工況和物理參數(shù)，采用多種方法來完成模擬計(jì)算，優(yōu)選最優(yōu)的計(jì)算公式和軟件完成設(shè)計(jì)。

［1］蒲丼珠, 陳利瓊,楊文川.天然氣管道放空設(shè)置方式探討[J].天然氣與石油，2014，32(1)：50-52

［2］劉英男,張鑫,單魯維.天然氣管道放空時(shí)間的計(jì)算[J/OL]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2014（09）.

［3］齊建波,孫立剛,張文偉,等. 西氣東輸二線閥室放空系統(tǒng)設(shè)置[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2009(9): 63-65.

［4］趙晉云,周興濤,劉冰,等.國內(nèi)外輸氣管道放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分析[J/OL]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2013 (03).

［5］趙立丹. 天然氣長輸管道站場放空系統(tǒng)計(jì)算[J].油氣田地面工程,2011.30(8): 51-52.

［6］GB 50183-2004,石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

［7］API RP 521-1997, Guide for Pressure- Relieving and Depressuring systems[S].

［8］API RP 520-1-2000,Sizing,Selection,and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries[S].

Study on Design Method of Venting System for Long-distance Natural Gas Pipeline

LIANG Jun-yi
（China Petroleum Engineering Co.,Ltd. Southwest Company，Sichuan Chengdu 610041，China）

There is no mature theory and method about design of venting system for gas transmission pipeline, so it is very important to study advantages and disadvantages of various methods. In general, parameters of various devices should be selected primarily，and then primary parameters are put into software，finally optimal solution is determined. After finishing type selection and hydraulic calculation, the most serious condition will be selected to simulate hazards consequence. All calculation methods and simulation software have advantages and disadvantages, applicable conditions are not identical. In order to design venting system more accurately, the design should select optimum method based on working conditions and physical parameters.

Venting system; Blowdown stand pipe; Flare system; Safety valve; Mach number; Natural gas

TE 832

A

1671-0460（2014）09-1833-03

2014-08-12

梁俊奕（1989-），男，四川成都人，助理工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：主要從事天然氣長輸站場工藝方面的設(shè)計(jì)和研究。E-mail：liangjunyi_sw@cnpc.com.cn。