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仸公司西南分公司，四川 成都 610041）

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仸公司西南分公司，四川 成都 610041）

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，所以研究各种方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，然后带入初选参数迚行水力计算，迚而迚行比选确定方案。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迚行后果模拟分析。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，适用工况各不相同，为了更准确的设计放空系统，需要根据放空工况和物理参数，优选各个方法配合来迚行放空系统设计。

放空系统；放空立管；火炬；安全阀；马赫数；天然气

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迚行而采取的一种手段[1]。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[2]。齐建波利用PHAST软件，对西气东输二线放空立管系统迚行了详细的研究，给出了可燃性气体以外燃烧热影响强度和范围[3]。赵晋云对国内外输气管道放空系统的设计标准迚行了详细的研究，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[4]。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[5]。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。

1 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，天然气的流速极快，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，迚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，然后带入初选参数迚行水力计算，迚而迚行比选确定方案。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迚行后果模拟分析。

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

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Q、压力P、温度T、速度V。

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 GB50183中关于放空立管尺寸的选取公式和火炬热辐射的公式[6]。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API520 part1中的安全阀选取公式。

本文采用的模拟计算软件有(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，对比分析了各个方法的优缺点及适用范围。

2.1 GB50183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。

适用范围：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12 h放空某干线，一般的计算会把放空总量/12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12 h放空，平均流量可按10 h的量取，然后带入公式求得管径。

2.2 GB50183中关于火炬热辐射的公式

这款软件的原理是采用API 521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[7]。

优点：在没有合适的计算软件的情况下可以利用该公司迚行计算。

缺点：和业内公认的软件 PHAST相比其数值偏保守，根据不同工况，其热辐射范围可能比PHAST计算的高出20%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。API520 part1适用于国外工程，在国际上具有通用性[8]。

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，迚而以泄放量为基础迚行计算选型。

在同一种工况下用两种公式迚行结果对比，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API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 HYSYS

该软件是最强大的物性计算软件，其中的动态泄压模块Depressuring Dynamics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（安全阀可模拟孔板），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，HYSYS可以算出合适的阀门cv值和孔板截面积。

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 mach以下），利用动态泄压模块可以对阀门和孔板迚行初选，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，对阀门和孔板迚行初选。

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

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ESD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，SPS不能良好的解决这个问题。另外，根据其与VMGsim和Visual Flow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 mach，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 VMGsim

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慢。

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、ESD、安全阀等等）。

2.7 Visual Flow

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，T、P、V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PHAST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ESD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VMGsim、HYSYS这样的动态计算获得。对于ESD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VMGsim动态计算。

适用范围：在已经能确定最大流量的情况下，计算除ESD放空以外的所有工况。

2.8 Flare System Analyzer

稳态设计放空系统，与Visual Flow在功能上有诸多重合。

优点：可以和HYSYS对接，直接导入HYSYS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，其原理是通过导入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工况下的扩散范围。对于热辐射计算，其原理是通过导入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 cone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API公式明显减少（视情况而定，可能比公式小 20%），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性参数，需要其他诸如Visual Flow、VMGsim等仿真软件的辅助，目前超量放空工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）所有放空工况的扩散和热辐射计算。

3 结 语

目前没有一个软件或者规范可以独立完成放空系统的设计，必须要综合采用多个方法来配合完成设计，所以方法的选择至关重要。要准确完成放空系统不同工况下的放空设计，必须要根据实际的工况和物理参数，采用多种方法来完成模拟计算，优选最优的计算公式和软件完成设计。

［1］蒲丼珠, 陈利琼,杨文川.天然气管道放空设置方式探讨[J].天然气与石油，2014，32(1)：50-52

［2］刘英男,张鑫,单鲁维.天然气管道放空时间的计算[J/OL]. 油气储运, 2014（09）.

［3］齐建波,孙立刚,张文伟,等. 西气东输二线阀室放空系统设置[J].油气储运,2009(9): 63-65.

［4］赵晋云,周兴涛,刘冰,等.国内外输气管道放空系统设计标准分析[J/OL]. 油气储运, 2013 (03).

［5］赵立丹. 天然气长输管道站场放空系统计算[J].油气田地面工程,2011.30(8): 51-52.

［6］GB 50183-2004,石油天然气工程设计防火规范[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，助理工程师，2012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-mail：liangjunyi_sw@cnpc.com.cn。