输气管道工程放空系统的模拟计算.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：输气管道工程放空系统的模拟计算赵文利（中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北任丘 ）摘要：放空泄压在输气管道工程中是不可缺少的操作，如生产运行过程中设备或阀门的检维修、管道疲劳导致泄漏以及火灾等情况，需对线路或站场中的天然气快速泄压并安全的排放到大气中。安全阀的关键选型及利用 和 软件对天然气管道进行放空模拟计算，可以分析并确定放空过程中放空量、放空时间和限流孔板的尺寸等重要数据。通过对天然气管道的深入计算分析，能够大幅度降低天然气的损耗并缩短放空时间，降低环境噪音，适用于长距离输气管道降压放空操作，同时也对实现站场及线路的日常管理，节约建设成本提供帮助。关键词：放空计算；安全阀；限流孔板；中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；随着国民生活质量的提高，人们对绿色节能的天然气资源需求量日益增加，保障输气管道的安全运行已成为国民经济生产运行的基石 。然而，天然气属于易燃易爆气体，且输送气体的长输管道具有高压力、长距离、大管径的特点，因此聚焦天然气管道的运行安全是十分必要的 。放空系统是输气管道运行安全的重要保障，通过设置安全阀对压力容器超压情况进行泄压保护和对故障管道做出迅速反应的紧急截断等措施为管道维抢修争取时间，更重要的是在紧急工况下达到自动放空、快速切断的作用 。该措施能够在特殊情况下迅速作出反应，为预防输气管道出现放空系统安全问题，减轻放空对环境不利影响做基础和铺垫 。安全阀的选型与计算根据国家推荐标准 安全阀 一般要求中定义安全阀是一种自动控制阀，能够保护系统不超过压力设定值，一旦压力超过规定值，安全阀会自动打开，将系统中规定范围内的流体排出，当压力恢复到正常值后，该阀门自动关闭防止系统超压造成事故伤害 。因此，安全阀在输气站场中至关重要，对灵敏度也有着较高的要求 。在计算安全阀口径前，应首先确定该事故属于哪种工况，如阀门误关断、控制阀故障及外部火灾等，从而确定在不同工况下的最大泄放量，进而计算安全阀的最小泄放面积，通过核算安全阀的入口压力降及安全阀背压可得到安全阀的喉径和管径，最终确定安全阀的型号 。图 为安全阀的选型与计算步骤示意图。根据 工艺系统工程设计技术规定中的相关规定，在不同工况下最大泄放量有所不同。本文中只列出与天然气输送管道相关的事故工况，其他类型在此不在赘述 。不同工况下的最大泄放量 阀门误关闭入口截断阀打开，出口截断阀关闭时，其泄放量为被封闭内管道的最大流量。当安全阀口径较小（），管道两侧的截断阀关闭时，安全阀的泄放量为管道内液体的膨胀量。对于大口径的长距离管道，液体膨胀量按式（）计算：（）（）式中：为体积泄放量，；为体积膨胀系数，；为正常工作时的最大传热量，；为液 年 月云南化工 第 卷第 期 ，相密度，；为定压比热，（）。图 安全阀的选型与计算步骤示意图 控制阀故障安装在设备入口的控制调节阀出现故障，阀门位置为全关状态，泄放量为流过该阀门的最大流量；相反，当发生故障时阀门位置处于全开状态，则安全阀的泄放量应按式（）计算，若为输气管道，则应满足低压侧的设计压力小于三分之二的高压侧的设计压力。（）（）（）式中：为质量泄放流量，；为控制阀的 值；为控制阀最小流量下的 值；为高压侧工作压力，；为气相密度，；为泄放温度，。判断流动条件按照上述计算得出所需的泄放量，根据国家标准 过压保护安全装置 通用数据中第 条安全阀性能的相关规定从而确定安全阀的泄放面积 。当气体介质流经安全阀孔道的流量随着下游压力的减小将不再持续增加，则称该流体为临界流动，其对应的流量为临界流量，相反则称为亚临界流动，其不同的流动条件对应不同的流道面积、排放系数计算。因此首先判断该流体是临界流动还是亚临界流动。满足式（）为临界流动，满足式（）为非临界流动。（）（）（）（）式中：为介质流经安全阀出口处形成的压力（简称背压力），；为排放压力，；为绝热系数，。其中根据现行国家标准 输气管道工程设计规范的要求，通过第 条输气管道的安全泄放中安全阀的定压要求计算得到安全阀的定压值 ，在确定流动条件下，根据计算得到的定压值从而计算出安全阀的流道面积。当在临界流动条件下的气体介质的排量按式（）和式（）计算：槡 槡（）槡 槡（）当在亚临界流动条件下的气体介质的排量按式（）和式（）计算：槡 槡（）槡 槡（）式中：为安全阀的阀座与阀瓣间最小面积即流道面积，；为绝热指数 的函数，；为亚临界流动下的理论排量修正系数，；为排量系数，；为额定排量系数，；为摩尔质量，；为实际排放压力和温度下的比容，；为排放温度，；为压缩因子，。确定最小泄放面积根据化工行业推荐标准 工艺系统工程设计技术规定的第 条规定：）对于气体、蒸汽在临界条件下的最小泄放面积按式（）计算：槡（）对于气体或蒸汽在亚临界条件下的最小泄放面积按式（）计算：年 月云南化工 第 卷第 期 ，（槡）（）式中：为最小泄放面积，；为质量泄放流量，；为气体特性系数；为泄放压力，；为气体压缩因子；为泄放温度，；为分子量；为亚临界流动系数；为流量系数。确定安全阀口径根据上述公式得到的最小泄放面积，计算安全阀喉径（）或阀座口径（）。）对于全启式安全阀，其计算公式为（）：（）对于平面密封型微启式安全阀，其计算公式为（）：）对于锥面密封型微启式安全阀，其计算公式为（）：（）式中：为安全阀喉径，；为开启高度，；为安 全 阀 的 阀 座 口 径，；为 密 封 面 的 半 锥角，度。通过不同工况计算得到的泄放量、判断流体是临界流动或非临界流动从而确定最小的泄放面积最终选择其合适的口径，当满足入口压力降及安全阀背压时，可确定最终的选型。计划性放空线路段的计划放空一般是因线路可能发生的维检修、改线、换管、动火连头等需进行放空操作 。在放空前，需关断上下游的截断阀，缓慢打开放空阀，通过调节阀门开度的大小从而改变放空流量，在规定时间内，完成一定气量的泄放。本文中利用 （）软件进行瞬态模拟计算，观察线路的压力、放空时间以及放空流量的变化。同时根据石油化工标准规范 石油化工可燃性气体排放系统设计规范：“排放系统管网的马赫数不应大于 ；可能出现凝结液的可燃性气体排放管道末端的马赫数不宜大于 ”，因此根据放空需满足环境要求的条件，下面项目中按照满足马赫数不大于 考虑 。某两 个 站 场 间 间 距 为 ，进 站 压 力 为 ，输 气 总 量 为 ，设 计 压 力 ，温度为，总传热系数为 （），放空阀后的管道长度为 ，放空口径为 ，在满足最大放空流速（马赫数）要求的前提下，放空总时间不超过 ，对其进行线路段放空的动态模拟分析计算，在 模型（如图 所示）中输入表 的线路段参数，经过计算，得到表 中线路段管道压力与放空时间的变化关系。图 线路段放空示意图通过管道压力与放空时间的变化关系可看出，计划在第 开始放空，计算结果表明，线路段放空时间小于 ，满足放空时间 要求，同时通过该方法可核算出放空立管的口径是正确的。表 线路段参数表选项卡输入参数输入值气质参数温度压力 输气管线参数长度 内径 地温总传热系数 （）放空管道参数放空段内径 放空阀后管道长度 放空管出口压力 表 线路段管道压力与放空时间计算结果表时间 管道压力 站内紧急放空站内紧急放空主要是输气站内发生紧急事故（如管道泄漏、发生火灾等特殊工况）时利用紧急截断阀（）自 动 执 行 处 置 操 作 的 过 程 。根 据 输气管道工程设计规范中的规定：“当站场出现事故需紧急放空时，应能满足在 内将站内设备及管道内压力从最初的压力降到设计压力的一半”，同时 石油化工可燃性气体排 年 月云南化工 第 卷第 期 ，放系统设计规范对环境的相关规定，由 软件进行瞬态模拟，实现对放空系统中放空量的计算及限流孔板尺寸的确定。联合被放空管道和容器（可简化为与实际容积、内部表面积、金属壁重量相等的一个容器）、节流阀进行模拟，根据减压速率要求试算节流阀（在此认为限流孔板）的流通面积，若初选的限流孔板流通面积较小导致 无法将站内管道或容器的压力降至设计压力的 ，需扩大限流孔板尺寸直至满足减压速率的要求。某输气站场设计压力 ，最高操作压力为 ，操 作 温 度 为 ，输 气 总 量 为 ，设置有 具放空立管。站内设置有 自动放空系统，阀门至放空设施管道长度 ，站内管存的有效容积为 。请核算本工程 放空管网限流孔板口径及放空量。将站场 放空简化为一个等容积的压力容器（），添加紧急泄放阀（），设定物流组分、压力、温度，紧急泄放阀的流道面积（即限流孔板）等参数，建立如下模型，如图 所示。图 站场紧急放空模型图图 压力随放空时间变化结果图通过图 的压力随放空时间变化的结果图和表 中的泄放数据，发现当时间为 （）时，压力降至 ，满足在 内将站内设备及管道内压力从最初的压力降到设计压力的 的要求，同时经过马赫数的计算 ，马赫数小于 ，符合对噪音控制的要求，因此该限流孔板的尺寸是合适的。表 泄放数据表时间 压力 流量（）温度 年 月云南化工 第 卷第 期 ，表 （续）时间 压力 流量（）温度 注：计算输出的数据（仅摘取了主要时间点）。结论本文系统地阐述了安全阀的选型与计算过程，同时利用 软件和 软件模拟了线路段计划性放空及站场紧急放空的动态过程，详细地介绍了两种软件的操作步骤。研究表明，在长距离输气管道放空设计中，根据管道设计压力、温度、管径等具体数据搭建基础模型，通过计算的放空气量、放空时间及泄放后的压力等关键数据，为能解决长输管道在放空过程遇到的实际问题做基础，同时为指导运行管理和维抢修工作提供决策依据。参考文献：冯庆善，王春明，何嘉欢，等 油气储运企业生产运维流程开发探索与实践 油气储运，（）：刘波，张晓莉 基于标准规范体系的长输管道和工业管道辨析 石油化工设备，（）：孙勇，赵国辉，游泽彬，等 中俄东线中段天然气管道投产技术探讨 油气储运，（）：李长俊，张员瑞，贾文龙，等 大型天然气管网系统在线仿真方法及软件开发 油气储运，（）：关中原 我国油气储运相关技术研究新进展 油气储运，（）：韩小妹，蒋银举，张建梅，等 输气管道放空方式优化对比与实践 世界石油工业，（）：张栋，闫锋，欧阳欣 中俄东线天然气管道运行保障关键技术 油气储运，（）：薛旭艳，田奕丰 放空立管与天然气站场间距的计算 油气储运，（）：孙文 石油天然气管道安全管理问题及对策研究 中国石油和化工标准与质量，（）：张勇，李建廷，李玉相，等 中缅天然气管道放空实践及思考 油气储运，（）：李育天，吴长春，雷依婷，等 输气管道计划放空方式对比 油气储运，（）：安全阀 一般要求：北京：中国标准出版社，孙立刚，王新，刘思敏 输气管道站场安全阀的设置 油气储运，（）：张婷婷 浅析调节阀失效安全阀的泄放量确定 山东化工，（）：王亮 安全阀泄放反力计算与动态应力分析 化工设计，（）：赵立丹 天然气长输管道站场放空系统计算 规划设计，（）：李龙冬，王柏盛，李小龙，等 长输天然气管道干线放空方法选择 油气储运，（）：工艺系统工程设计技术规定：过压保护安全装置 通用数据：北京：中国标准出版社 输气管道工程设计规范 北京：中国标准出版社 李锴，牛树伟，刘治华 长输天然气管道输损管理 油气储运，（）：陈俊文，陈庆，汤晓勇，等 紧急放空系统限流孔板孔径 模拟计算 石油与天然气化工，（）：石油化工可燃性气体排放系统设计规范：刘芳 工艺装置紧急放空阀泄放动态模拟 中国石油石化，（）：刘曦，刘世杰 天然气输气管道及场站放空系统设计 上海煤气，（）：王磊，田贯三，丁国玉 燃气管道壅塞流动计算 油气储运，（）：蔡新景，张福义 输气管道的稳态数值模拟 油气储运，（）：收稿日期：作者简介：赵文利（），女，蒙古族，内蒙古赤峰人，硕士，助理工程师，主要从事天然气管道、油气储运专业方向的研究工作。：