枝状火炬管网流动模型的研究

枝状火炬管网流动模型的研究

0火炬管网计算模型的改进火炬系统主要由安全传输装置、火炬管道和火气处理装置组成。它是原油和焦炭等大型工程装置的重要安全保护装置。一旦装置在运行过程中出现超压情况,易燃、易爆或有毒的超压物料将通过连接于安全泄放装置的出口尾管快速排放到火炬管网中,并输送到火炬气处理装置进行安全处理关于安全泄放装置和火炬气处理装置的设置及其在超压工况下排放量的计算,目前国内外已有相应的规范和许多相关资料文中针对传统管道计算模型的不足之处,从三个方面对计算模型进行改进。首先,对传统模型加上气速限制条件,以保证模型适用于火炬管道计算;其次,在传统模型的基础上,加上安全泄放装置的出口尾管上游压力限制条件,以保证火炬气的正常泄放;最后,采用Dranchuk-PurvisRobinson方法1基于火炬网络负压计算模型的构建火炬管网包括安全泄放装置的出口尾管、排放支管以及全厂的排放总管,各管道之间按相关配管规范1.1以关联矩阵的确定为例根据火炬管网的结构特点,将排放总管出口定义为基准节点;将各安全泄放装置出口定义为边界节点;将管段与管段的交汇点定义为中间节点;将节点之间的管段、管件及设备等效成一定长度的管段并定义为分支,再结合管网内各管段的气流方向,将管网简化为具有节点、分支和流动方向的矢量图。具体简化规则如下:(1)对于2条管段直径相同的串联管段,将2条管段长度叠加,串联接头处产生的局部阻力损失按当量长度方法合并到与其相连的管段上;(2)将管网中的气源点、管件、节流元件、液封罐等设备均看成一个节点,不考虑其内部流动状态,并将其局部阻力损失按当量长度方法叠加到与其相连的管段上。当火炬管网规模较大,排放点较多时,人工求解各管段流量将变得费时且容易出错。采用矩阵的数学知识,将管网的结构表达成便于计算机存储和管网模拟计算的信息。矩阵是表示管网拓扑结构的最简单、最有效的方法,任意管网的结构都能用一组关联矩阵来描述。枝状火炬管网的节点个数a与管段个数b之间的关系为:以图1所示的一个典型枝状火炬管网结构图来说明关联矩阵的获得方法。图1中,编号1~8为边界节点,编号9~15为中间节点,编号16为基准节点,w根据克希霍夫第一定律,每个节点上各个流量的代数和等于零,则可得矩阵方程:式中G———关联矩阵表1,2分别列出关联矩阵G以及节点-分支的对应关系矩阵B。通过对比表1,2,可以找出以下规律:(1)在关联矩阵G中,以表2中的起点号为行号,以该起点号对应的管段号为列号的值为-1;(2)在关联矩阵G中,以表2中的终点号为行号,以该终点号对应的管段号为列号的值为1,其余都为0。相对应的算法这样,对管网编号并确认管段、节点对应关系,通过此算法可以获得关联矩阵,再结合已知的各泄放点的泄放量,利用方程(2)可解出流经各管段的气体质量流量。1.2e模型的建立当管道气体流速没有接近声速时,对管道模型添加等温、稳定流动等假设条件,在一定程度上既能降低模型求解复杂度又能保证模型计算结果的准确度连续性方程:式中w———管道内气体质量流量,kg/sρ———管道内介质密度,kg/mA———管道横截面积,m式中p———管道内气体压力,Pax———管道内气流的位移λ———管道的摩擦阻力系数D———管道的直径,mg———重力加速度,m/s火炬管网的管道走向由各泄放装置的布局以及相应管道布置规范决定一般情况下,火炬管网的流速较高,管道内气流一直处于湍流状态。文中采用计算精度和计算速度都非常高的3E模型其中:式中ε———管壁的绝对粗糙度,mmRe———雷诺数式(6)中的雷诺数表示为:式中μ———气体的动力粘度,Pa·s气体的动力粘度是求解雷诺数的主要参数,受气体的温度影响较大。文中采用文献[16]中提供的天然气动力粘度的近似计算方法,即:式中μμm式中μc———混合气体的无因次实验系数T———气体温度,K在高温、高压的流动状态下,不能忽略气体的压缩性,因此对模型添加带有气体压缩因子的修正的理想状态方程,即:式中MZ———气体压缩因子R———理想气体常数,J/(kmol·K),R=8314J/(kmol·K)采用计算精度高、压力适用范围广的Dranchuk-Purvis-Robinson方法其中:式中ρp将式(3),(10)代入式(5),积分并整理后得到管道单元模型,即:式中ppl———管道长度,m根据火炬管网自身的特点可知,安全泄放装置的最大允许背压(MABP)必须高于与其相连处的出口尾管压力,否则会降低其正常启闭性能,甚至出现达到安全泄放装置排放压力却无法开启的危险工况。因此,文中对模型添加管道入口压力限制条件,即:此外,一旦管道中气速过高,就会引起噪声和管道振动。根据火炬管网设计准则1.3等温假设由于在管件处的压力、流速变化很大,气体与外界来不及进行热交换,可以近似为绝热流动,然而在工程实际中采用等温假设更方便计算,相关学者也已证明适当高压下的管道绝热流动可以用等温假设近似代替按当量长度法,将管件等价为具有当量长度的管道,其压降表示为:式中Δp———管件进、出口两端的压力差,PaL———管件的当量长度管件的当量长度L与管件的阻力系数K的关系:由技术手册2管网压力大小的确定通过对所建立的管段模型和管网拓扑模型进行联合求解,获得火炬管网各安全泄放装置出口的计算背压值。具体计算步骤如下:(1)考察所要计算的火炬管网对象,对其进行节点、管段编号,进而获得其管网结构信息;(2)确定各安全泄放装置的气体泄放量;(3)以火炬排放总管出口为基准节点,确定其压力大小;(4)确定管网内各管段信息,包括管长、管径、管壁粗糙度、介质温度、介质分子量、介质相对密度、绝热指数等参数;(5)调用管网拓扑模型,求出流经各管段的气体质量流量;(6)调用管段模型,按照管网拓扑关系,分别计算各管段的入口压力,最后获得各排放点出口处的计算背压值。上述计算模型的计算步骤如图2所示。基于上述管网背压计算的程序框图,通过编程工具MATLAB开发了火炬管网系统背压计算软件BackpressureFlare(简称为BP-Flare),并可以实现以下功能:(1)限定了各个管段的流速,当流速达到0.7倍声速时,计算结果出现警示,建议扩大管径来预防或减弱噪声、振动的影响;(2)限定了各泄放点处的最大允许压力,当计算压力超过该值,计算结果出现警示,建议增大管径来消除“憋压”事故工况。3计算结果比较API521—2008文中采用文献[18]中某石化装置火炬排放管网水力计算实例的设计数据,分别根据AP1521—2008提供的计算方法、上述3个软件的建模以及文中提出的模型(BP-Flare),计算了实例中A,B,C,D,E五个泄放点的背压,结果如表3所示。以API521—2008的计算值为基准,分别求出其他模型计算结果的绝对误差和相对误差,如表4,5所示。对比表3中各列数据可发现,通过以上各种方法计算获得的结果比较一致,各泄放点的压力值变化趋势也基本相同。对比分析表4,5的各列数据可以看出,包括BP-Flare在内的所有方法的计算结果的偏差都不超过±5%,在工程设计的允许范围之内。4管网模型的建立根据火炬管道流动的限制条件以及火炬管网的设计准则,对传统的气体泄放管道模型添加了压力限制条件和速度限制条件,并采用更精确的计算公式对模型中的压缩因子和摩擦阻力项进行求解,进而实现了对传统的气体泄放管道模型的改进,建立管网单元流动模型。基于图论的思想,文中针对枝状火炬管网的结构特点,建立了符合火炬管网特征的拓扑模型。通过将管网单元流动模型与管网