天然气长输管道放空系统设计方法研究

第4 3卷第9期 2 0 1 4年 9月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a 1 I n d u s t r y V 0 4 3 N 0 9 S e p t e mb e r ，2 0 1 4 天然气长输管道放空系统设计方法研究 梁 俊 奕 ( 中国石油集团工程设计有限责任公 司西南分公司，四川 成都 6 1 0 0 4 1 ) 摘 要：在天然气长输管道的放空设计上 ，没有成熟的理论和方法来设计，所以研究各种 法的优缺点至 关重要。一般来说，设计放空系统要先初选各种设备的参数 ，然后带入初选参数进行水力计算，进而进行比选 确定方案。在完成了选型和水力计算以后 ，选取可能出现的最恶劣情形进行后果模拟分析。各种计算方法和模 拟软件在使用过程中都各具优点和缺点，适用丁况各不相同，为了更准确的设计放空系统，需要根据放空 况 和物理参数，优选各个方法配合来进行放空系统设计。 关键词：放空系统 ；放空立管；火炬；安全阀；马赫数；天然气 中图分类号：T E 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 4)0 9 1 8 3 3 0 3 S t ud y o n De s i g n M e t h od o f Ve n t i ng S y s t e m f or L0 ng di s t a nc e Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne L I ANG Ju n - yi ( Ch i n a P e t r o l e u m En g i n e e r i n g Co ， L t d S o u t h we s t Co mp a n y，S i c h u a n Ch e n g d u 6 1 0 0 4 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Th e r e i s n o ma t u r e t h e o r y a n d me t h o d a b o u t d e s i g n o f v e n t i n g s y s t e m f o r g a s t r a n s mi s s i o n p i p e l i n e ， s o i t i s v e r y i mp o r t a n t t o s t u d y a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f v a r i o u s m e t h o d s I n g e n e r a l ， p a r a me t e r s o f v a r i o u s d e v i c e s s h o u l d b e s e l e c t e d p r i ma r i l y ， a n d t h e n p r i ma r y p a r a me t e r s a r e p u t i n t o s o f t wa r e ， fi n a l l y o p t i ma l s o l u t i o n i s d e t e r mi n e d Aft e r fi n i s h i n g t y p e s e l e c t i o n a n d h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n ， t h e mo s t s e r i o u s c o n d i t i o n wi l l b e s e l e c t e d t o s i mu l a t e h a z a r d s c o n s e q u e n c e Al l c a l c u l a t i o n me t h o d s a n d s i mul a t i o n s o f t wa r e h a v e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ，a p p l i c a b l e c o n d i t i o n s are n o t i d e n t i c a 1 I n o r d e r t o d e s i g n v e n t i n g s y s t e m mo r e a c c u r a t e l t h e d e s i g n s h o u l d s e l e c t o p t i mu m m e t h o d b a s e d o n wo r k i n g c o n d i t i o n s a n d p h y s i c a l p a r a me t e r s Ke y wo r ds ： Ve n t i n g s y s t e m； Bl o wd o wn s mn d p i p e ； F l a r e s y s t e m； S a lt y v a l v e ； M a c h n u mb e r ； Na t u r a l g a s 天然气放空是为了在遇到检修或事故 时将管线 或容器内的天然气放出，以便下一步措施可 以顺利 进行而采取 的一种手段 。长输 天然气管道在放空 设计方面的业务范 围主要是线路放空和站场放空 ， 气质为净化天然气 ，甲烷 占绝大部分 ，在放空过程 中几乎不会 出现液相或水合物。刘英男建立 了非稳 态的偏微分方程组，运用数值计算的方法，研究了 天然气管道的放空时间 。 齐建波利用 P H A S T 软件， 对西气东输二线放空立管系统进行 了详细的研究 ， 给出了可燃性气体以外燃烧热影响强度和范围 1 。 赵晋云对国内外输气管道放空系统的设计标准进行 了详细的研究 ，提出在满足国家和地方法律 、法规 的前提下 ，尽量采用放空立管 ，减少放空火炬 ，同 时提出了国内标准更新的参考依据H 】 。赵立丹计算 了站场放空系统，给出了站场放空系统的计算模型 ， 。目前 ，长输管道在放空设计这一块 比较空白， 也少有完全成熟的理论和方法来参考，因此研究长 输管道的放空设计方法非常有必要 。 l 放空系统设计方法 放空操作必须严格遵守规章制度 ， 否则很容易出 现事故 ，本文中讨论 的天然气放空均 为有计划的放 空。在放空工况中，天然气的流速极 陕，压降极剧烈 ( 可能从十几兆帕降为大气压 ) ， 温降极剧烈，背压 可能较高。这种工况与正常的天然气输送有很大差 别， 随之而来的是一系列有别于 “ 常规”的情况。为 了能更加透彻的了解放空工况下 的系统承受能力以 及天然气物性变化 ，进行模拟计算是很有必要的。 一 般来说 ， 设计放空系统要先初选各种设备的 参数 ，然后带人初选参数进行水力计算 ，进而进行 比选确定方案 。在完成 了选型和水力计算 以后 ，选 取可能出现的最恶劣情形进行后果模拟分析 。 放空系统的放空工况类型 ，归纳起来有 2种 ： 线路放空 、站场放空。 设计放空系统， 要考虑的选型参数归纳起来有 4个：阀门选型、孔板选型、放空管路选型 ( 放空 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 8 -1 2 作者筒介 ：梁俊奕 ( 1 9 8 9 一) ，男，四川成都人 ，助理工程师，2 0 1 2 年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，研究方向：主要从事天然气长输站 场工艺方面的设计和研究。E - m a i l ：l i a n g j u n y i s w c n p c c o m c n 。 化 工 立管 以前的所有管道 ) 、放空立管选型。 设计放空系统 ，要考虑的水力计算参数归纳起 来有 4个 ：流量 、压力 尸、温度 r， 、速度 设计放空系统，要考虑的后果模拟归纳起来有 3 个 ：扩散后果模拟 、热辐射后果模拟 噪音值计算。 2 各个方法优缺点 本文采用的公式有 G B 5 0 1 8 3中关于放空立管 尺寸的选取公式 和火炬热辐射的公式 。石油和化 工工程设计工作手册第五册输气管道工程设计中关 于安全阀的选取公式以及 A P I 5 2 0 p a r t l中的安全阀 选取公式。 本文采用的模拟计算软件有( 1 ) H Y S YS ； ( 2 ) S P S ； ( 3 ) V MG s i m ；( 4 ) V i s u a l F l o w ； ( 5 ) F l a r e S y s t e m A n a l y z e r ；( 6 ) P H A S T 。 本文利用上述方法 ，逐一进行 了研究 ，对 比分 析了各个方法 的优缺点及适用范围。 2 1 GB 5 0 1 8 3中关于放空立管尺寸的选取公式 这款公式的原理是根据放空 的平均 流量作 为 计算基础 ，选取在规定马赫数下所需要的放空立管 尺寸 。 优点 ：对于线路长时间有控制放空工况 ，此公 式已经很准 ，和软件模拟的结果相差不大，更不会 影响选型，得 出结果快速准确。 缺点 ：只适用于线路长时间有控制放空工况 ， 且不能计算放空管线的选型。 适用范同：对于线路长时间有控制放空工况的 放空立管选型 。在此还要特别强调一下平均流量的 问题 ，比如按照国内要求 ，在 1 2 h放空某干线 ，一 般 的计算会把放空总量 1 2得到放空平均量 ，但是 其实这是存在不足的 ，因为整个放空过程不可能流 量持续不变 ，工人对阀门的控制 ，放空末期阀门全 开后因为干线压力低而导致的流量减少等 因素会导 致放空初期实际流量高于平均流量。 根据计算结果 ， 为保守起见， 如果计划 1 2 h 放空 ， 平均流量可按 l 0 h的量取 ，然后带人公式求得管径。 2 2 GB 5 0 1 8 3中关于火炬热辐射的公式 这款软件的原理是采用 A P I 5 2 1火炬模型，根 据火焰可能的形状确定其中心点 ，然后假设这个中 心点是所有能量的辐射源 ，向外界辐射热能。 。 优点 ：在没有合适的计算软件的情况下可以利 用该公司进行计算。 缺点 ：和业 内公认 的软件 P H A S T相 比其数值 偏 保守 ，根据 不 同工 况 ，其 热辐 射 范 围可能 比 P HA S T计算的高出 2 0 以上 。 适用范围：对于精度要求不高 ，占地不受太大 限制的放空区安全距离确定。 2 3 安全阀选取公式 石油和化工工程设计 工作 手册第五册输气管 道工程设计 中关于安全阀的选取公式 ，其在管道室 使用较为广泛 ，适用于国内设计。A P I 5 2 0 p a r t 1适 用于国外T程 ，在国际上具有通用性 。 目前安全阀的泄放量本来就一直难 以确定 ，这 些公式偏保守 ， 计算结果在安全 阀选型时还要取整 ， 如此就会加更保守。不过 ，即使按照经验值也应该 要尽量合理 ，对于处理厂的安全阀设置 ，可以考虑 加工板块单列装置的全量为安全阀泄放量 。对于压 气站 ， 可以考虑单 台压缩机的全量为安全阀泄放量 ， 进而以泄放量为基础进行计算选型。 在同一种工况下用两种公式进行结果对 比，发 现结果很相近，其中的差异是由于一些系数的不同 造成的。 另外第五册的公式中没有流态判断 ， 而 A P I 中需要先判断其是临界流还是亚临界流。经过研究 发现 ， 管道板块的安全 阀内流态绝大部分是临界流。 如果要达到亚临界流的状态 ，安全 阀后 的背压会非 常高 ，高于安全阀许可的背压 ，在实际中是不可能 的。 亚临界流 的公式往往是为计算液体泄放准备的。 2 4 HYS YS 该软件是最强大的物生计算软件， 其中的动态泄 压模块 D e p r e s s u r i n g D y n a mi c s 有一定实用价值 。其原 理是所有气体储存在一个绝热的容器中， 外部可接阀 门或安全阀 ( 安全阀可模拟孑 L 板 ) ，气体直接泄放到 外界环境 中。 规定初始压力温度和终止压力 ， 确定时 间 ， HY S Y S可以算出合适的阀门 C V 值和孑 L 板截面积。 优点 ：物性计算快速准确 ，可以用于计算放空 的压降和温降 ，压降计算较准。某些情况下温降也 准 ( 气体流速很低时 ，比如在 0 2 m a c h以下 ) ，利 用动态泄压模块可以对 阀门和孔板进行初选 ，还可 以初步得 出非控制放空工况下的最大流量。 缺点 ：由于软件的压力温度变化只考虑 了纯粹 的焦汤效应所产生 的节流温降 ，在放空速度较快时 ( 速度在 0 2马赫 以上时已经不可忽略 )其稳态节 流温降比其它考虑了高速流体温降的软件所算出的 温度降要小 ，速度慢时可能几度 ，达到临界流时可 能十多几十度 ，速度越快 ，差异越大。 适用范围：验证在气体流速较低情况下 ，其它 软件在某个时间点内放空管线内的压力、温度能否 匹配 ，检验模型建立是否正确 ，运用动态泄压模块 初步得出非控制放空工况下的最大流量，对阀门和 孔板进行初选 。 2 5 SPS 强大的水力模拟软件。 优点 ：动态计算 ，这款软件有其它软件不具备 的模块 ：理想调压器。理想调压器可以 自动随时间 第4 3卷第 9 期 梁俊奕：天然气长输管道放空系统设计方法研究 1 8 3 5 调整开度 ，使整个放空过程保持恒定的流量 ，可以 理想化的模拟线路有控制长时间放空其流量持续接 近平均流量的放空过程。 缺点 ： 没有孔板这个模块 ， 不能模拟 E S D放空。 该软件速度算不准，放空速度没有上限，在超量放 空时放空速度会超音速 ，这是不可能的。即使设置 其上限速度，但是在超量放空工况下，气体因为温 度的不断变化，其最高速度也是不断变化的，S P S 不能良好的解决这个问题 。 另外 ， 根据其与 V MG s i m 和 V i s u a l F l o w的对比， 发现其在气体流速较高时温 降要比这两款软件明显偏小，这可能是软件计算没 有考虑流体高速流动的物性变化，温度算不准。 适用范围：可 以模拟国内的线路放空工况 ，这 种放空工况马赫数一般不超过 0 5 ma c h ，属于亚音 速流。在软件中模拟 出一个有稳定放空流量的 “ 理 想化 ”有控制放空工况。 2 6 VMGs i m 非常优秀的水力模拟软件。 优点： 动态计算。这款软件对各种工况和流态 的适用性 良好 ，可以方便输出多样化的图形图表 ， 可以查看几乎每一个设备的工作状态 ，尤其对超量 放空的各个参数处理都非常到位。 缺点 ： 没有理想调压器这个模块 ， 不能模拟理想 化的线路有控制长时间放空其流量接近平均流量的 放空过程。建模较复杂 ，在复杂的模型下计算较陧。 适用范围 ：除线路长时间 “ 理想化”有控制放 空工况 以外的所有放空工况 ( 可以模拟超量放空 、 E S D、安全阀等等 ) 。 2 7 Vi s u a l Fl o w 稳态设计放空系统 ，放空管线全部绝热 ，在气 体流动速度极快时忽略与外界的热交换。 优点 ：软件上手容易 ，计算快捷 ， J p 、 的 计算都很准 ，可以处理超量放空工况 ，显示数据多 样 ，特别是处理安全 阀工况 ，是最优秀的选择 。还 可以和P H A S T 对接，计算后果。 缺点 ： 不能计算噪音值 。 最致命的缺点是最大流 量 Q是要设计人自 行确定的，对于线路长时间有控 制放空工况可以取平均流量 ，但是对于 E S D或是线 路短时间非控制放空工况这种阀门全开的非控制工 况 ， 最大放空量只能通过诸如 V MG s i m、 H Y S Y S 这样 的动态计算获得。对于 E S D 这种短时间大量的放空 工况 ，由于其工况近似于 “ 绝热膨胀”的特点，软件 计算的最低温度会偏高 ( 根据不同情况 ， 最高可能达 几十度 ) 温度算不准，只能依靠 V M G s im动态计算。 适用范同 ：在已经能确定最大流量的情况下 ， 计算除 E S D放空以外的所有工况。 2 8 F l a r e Sy s t e m An a l y z e r 稳态设计放空系统 ， 与 Vi s u a l F l o w在功能上有 诸多重合 。 优点 ：可 以和 HY S Y S对接 ，直接导入 H Y S Y S 的物流 ，可以计算噪音值 。 缺点 ：软件简单 ， 显示数据少 ， 软件计算较慢。 适用范围：计算噪音值 。 2 9 PHAST 业界公认的计算后果最权威最准确的软件。 对于 扩散计算， 其原理是通过导人放空口出口 之后气体膨 胀至压力为大气压时的温度 、 流量 、 速度的这一状态 ， 模拟出一个稳定持续放空T况下的扩散范同。 对于热 辐射计算， 其原理是通过导人气体膨胀至压力为大气 压时的温度、流量 、 速度的这一状态 ， 模拟出一个稳 定持续放空工况下的燃烧火炬。火焰模拟采用 c o n e 模型 ， 假设火焰是一个下方圆截面小 ， 上方圆截面大 的有一定倾角的圆锥体 ，表面分布着很多的热辐射 点， 各个点的辐射能都不一样。 这些热辐射点构成了 火焰外表面的辐射源，向外辐射热量。 优点：采用业界公认的软件和计算模型，可信 度高 。放空扩散 目前只有该软件可以计算。尤其是 热辐射计算， 得出的影响距离比A P I 公式明显减少 ( 视情况而定 ，可能 比公式小 2 0 ) ，在征地困难 的地 区有更好 的参考意义。 缺点：要获得放空立管出口的物眭参数 ，需要其 他诸如 V i s u a l F J o w、V M G s i m等仿真软件的辅助，目前 超量放空 况的扩散和热辐射计算还没有得到验证。 适用范围：马赫数较低的 ( 0 7马赫数 以内的 ) 所有放空工况的