天然氣輸氣管道放空時(shí)間的計(jì)算

徐東旭 (中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

天然氣輸氣管道放空時(shí)間的計(jì)算

徐東旭 (中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

在天然氣輸氣管道的日常運(yùn)行過程中，天然氣放空是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)。精確量化放空時(shí)間，是輸氣管道運(yùn)行單位目前亟需解決的重要問題。本篇論文針對(duì)天然氣輸氣管道放空時(shí)間這一研究命題，對(duì)幾種計(jì)算方法進(jìn)行了分析與研究，旨在找出最合理的放空時(shí)間計(jì)算方法，為準(zhǔn)確生產(chǎn)調(diào)度決策、科學(xué)計(jì)劃施工時(shí)間、科學(xué)氣量調(diào)配以及有效組織事故搶修等提供可參考的理論依據(jù)。

天然氣；輸氣管道；放空時(shí)間；計(jì)算

在天然氣輸氣管道的日常生產(chǎn)運(yùn)行中，輸氣場(chǎng)站設(shè)備維修或計(jì)劃?rùn)z修、排污、緊急性搶修、新管道投產(chǎn)置換以及計(jì)劃性改線碰口等環(huán)節(jié)，均會(huì)涉及到天然氣放空。相比較于其他環(huán)節(jié)來說，緊急性搶修、計(jì)劃性改線碰口環(huán)節(jié)的天然氣放空對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的影響比較大，且放空量也比較大，所以，在兩個(gè)環(huán)節(jié)的天然氣放空作業(yè)中，需準(zhǔn)確確定放空量、放空時(shí)間，以便于在有效組織事故搶修、科學(xué)計(jì)劃施工時(shí)間的同時(shí)，降低放空損耗以及對(duì)外部環(huán)境的影響。

1 放空時(shí)間的幾種計(jì)算方法

就目前來說，在放空時(shí)間的計(jì)算上較為常見的、有代表性的方法主要有3種。第1種是天津建筑設(shè)計(jì)院、四川石油管理局所設(shè)計(jì)的臨界流計(jì)算模型，如下所示：

上述式中，t代表的是放空時(shí)間，單位是s；V代表的是放空管段的容積，單位是m3；μ代表的是閥門的開啟度；M代表的是放空氣體的相對(duì)分子質(zhì)量；K代表的是絕熱指數(shù)；F代表的是放空閥全開狀態(tài)下的截面積，單位是m2；R為848 kg.m（或kg.k）；Z代表的是壓縮系數(shù)；T代表的是管線溫度，單位是K；P1代表的是放空前管線的絕對(duì)壓力，P2代表的是放空后管線的絕對(duì)壓力，單位是MPa。

上述公式是在設(shè)定整個(gè)放空過程為臨界流的基礎(chǔ)上對(duì)放空時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的，忽略了亞音速流態(tài)、放空管路與放空閥組的摩阻損失。

第2種是美國(guó)的一種放空時(shí)間計(jì)算方法，將放空閥摩阻損失考慮在內(nèi)的一種方法，如下所示：

與式（1）相比，式（2）增加了F，F(xiàn)代表是閥門阻力因子，即閥門對(duì)放空氣體的阻流作用[1]。如果刪去F，則計(jì)算出來的放空時(shí)間與式（1）相同。

第3種計(jì)算方法是在將放空全過程當(dāng)作可壓縮流體的有摩擦、絕熱、一維流動(dòng)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，從而將放空看做是理想氣體在等截面水平的放空管路之內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)。計(jì)算公式即范諾方程如下：

上述式中，fL/d代表的是放空管路的阻力因子、y代表的是氣體等熵指數(shù)、Mach代表的是馬赫數(shù)。

第3種計(jì)算方法通過分別對(duì)放空管中亞音速流、臨界流、超臨界流三種流態(tài)下的瞬時(shí)放空量進(jìn)行計(jì)算，再利用“梯形法”進(jìn)行數(shù)值積分，從而得出了放空總時(shí)間，且考慮到了管壁粗糙度、閥門對(duì)氣體流動(dòng)的摩阻。

2 3種計(jì)算方法的適用條件分析

就目前來說，上述3種計(jì)算方法均在實(shí)際的放空計(jì)算中有著廣泛的應(yīng)用，且適用條件、環(huán)境有很大的不同。首先，對(duì)于第1種計(jì)算方法來說，由于其計(jì)算過程比較簡(jiǎn)單，且忽略了亞音速流態(tài)、放空管路與放空閥的摩阻損失，所以利用該種計(jì)算方法得出的放空時(shí)間，與實(shí)際放空時(shí)間相比，有可能較短，因此，該種計(jì)算方法比較適合緊急情況下的放空時(shí)間計(jì)算，像事故狀態(tài)等。其次，對(duì)于第2種計(jì)算方法來說，由于其考慮到了閥門對(duì)放空氣體的阻流作用，所以利用該種計(jì)算方法得出的放空時(shí)間比利用第1種計(jì)算方法得出的放空時(shí)間準(zhǔn)確度更高；但是，因?yàn)槠錄]有考慮到放空管道管壁粗糙度對(duì)氣體流動(dòng)的摩阻作用，所以該種計(jì)算方法比較適合對(duì)放空管路非常短的放空時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。最后，對(duì)于第3種計(jì)算方法來說，由于其充分考慮到了管道、管件、閥門對(duì)氣體流動(dòng)的摩阻作用以及由滯止?fàn)顟B(tài)下的氣體通過放空口時(shí)的絕熱、膨脹，所以，利用該種計(jì)算方法得出的放空時(shí)間與實(shí)際放空時(shí)間比較接近；但是，因?yàn)檫@種計(jì)算方法非常復(fù)雜，一般需要使用較為完善的商業(yè)軟件或計(jì)算機(jī)編程程序進(jìn)行模擬計(jì)算，所以，該種計(jì)算方法比較適合工程設(shè)計(jì)階段放空管路的水力計(jì)算。

3 臨界流計(jì)算模型的實(shí)踐運(yùn)用

對(duì)上述3種計(jì)算方法的優(yōu)勢(shì)、缺點(diǎn)進(jìn)行分析，可以看出，第1種計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單、方便，比較適合對(duì)放空時(shí)間進(jìn)行估算。結(jié)合實(shí)際工況，利用該種計(jì)算方法對(duì)緊急情況下的放空時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

具體情況如下：輸氣管道中的某段管線，兩閥室間的管道出現(xiàn)了事故。管線溫度為17℃；管線長(zhǎng)30km；管道φ426×7mm；管內(nèi)壓力3.5MPa；放空管φ108×6mm；閥門開啟狀態(tài)下，高/管徑=1.0。

計(jì)算得出：①將管線內(nèi)的所有天然氣放空直至其等同于大氣壓，這一階段的放空時(shí)間為128分鐘；②放空管內(nèi)的天然氣，直至管內(nèi)壓力=1.5MPa，這一階段的放空時(shí)間為50分鐘。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)放空時(shí)間的3種較為常見的、有代表性的計(jì)算方法進(jìn)行了分析與研究，找出了其各自的適用條件、適用環(huán)境；并結(jié)合一事故案例，利用臨界流計(jì)算模型對(duì)兩個(gè)條件的放空時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算。在實(shí)際對(duì)放空時(shí)間進(jìn)行計(jì)算過程中，需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工況，選擇最適合的放空時(shí)間計(jì)算方法。

[1]劉英男,張?chǎng)?單魯維.基于特征線法的天然氣管道放空時(shí)間的計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2014,12:1338-1342.

[2]謝躍輝,吳東容.長(zhǎng)距離輸氣管道放空時(shí)間計(jì)算方法研究[J].化學(xué)工程與裝備,2015,02:128-130.

[3]趙晉云,周興濤,劉冰,鄭娟,馬偉平.國(guó)內(nèi)外輸氣管道放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2013,03:274-278.

徐東旭（1983-），男遼寧朝陽(yáng)人工程師本科主要從事油氣田地面工程設(shè)計(jì)工作