气田集输站场火灾泄压放空限流孔板计算解析

李海润 宋凌燕 张 鹏

1.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 610041；

2. 西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500；

3. 中国石化江苏油建工程有限公司，江苏 扬州 225009

0 前言

限流孔板为一同心锐孔板，可作为流量测量元件，也可作为节流元件。限流孔板作为节流元件，当孔板前后存在一定压差时，流体流经孔板，对于一定的孔径，流经孔板的流量随着压差增大而增大。但当压差超过临界压差时，流体通过孔板缩孔处的流速达到音速，这时，无论压差如何增加，只要孔板上游的压力保持一定，流经孔板的流量将维持在一定数值不再增加。限流孔板根据这一原理可对流体限流、降压。限流孔板按孔板上开孔数分为单孔板和多孔板，按级数可分为单级和多级。其结构简单、易加工、成本低、安装方便，在满足工艺要求的前提下，使用限流孔板代替调节阀，可降低投资和操作维护费用[1]，已广泛应用于国内外油气田地面工程。

目前在气田集输站场火灾泄压放空系统的设计中大都采用了限流孔板，一般设置在站场火灾紧急泄放阀之后，实现限制流量、降低噪声和减弱管道振动，对放空系统的安全起到一定的保障作用[2]。

1 限流孔板的计算

气田集输站场火灾泄压放空系统限流孔板的计算选型原则大多依据API 521“Guide for Pressure - Relieving and Depressuring Systems”3.19 章节[3]。

限流孔板的计算主要包括锐孔孔径、孔板孔数、孔板级数、孔板厚度四个要素。一般情况下，管道公称直径≤DN 150 的管路，选择单孔孔板；＞DN 150时，选择多孔孔板。在计算多孔孔板时，先按单孔孔板计算孔径，然后按照多孔孔板的总面积应等于计算的单孔孔板面积的原则选取孔数。限流孔板用于气田集输站场火灾泄压放空系统时，其主要作用在于限制流量，一般采用单级孔板。孔板厚度的计算方法比较单一，常用《炼油装置工艺管道安装设计手册（下册）》的计算公式[4]。

当流体温度小于 375 ℃时：

当流体温度大于 375 ℃时：

式中：H为孔板厚度，mm ；Δp为孔板压降，kgf/cm2；D为管子内径，mm；σ为允许应力，kgf/cm2；ψ为挠度系数。钢材的挠度系数按式（3）计算：

式中：m为锐孔面积与管子截面积之比。

限流孔板计算过程重点在于计算锐孔孔径，适用于气田集输站场火灾泄压放空限流孔板的计算方法主要有3种。

第1种计算方法来自Gas Conditioning and Processing(equation 10. 51)[5]：

式中：Av为限流孔板的泄放面积，m2；B为系数，取0.09；V为系统容积，m3；Cd为孔板流量系数，0.85；t为放空时间，s；Rd为气体比重；Z为气体压缩因子；T为操作温度，K；p1为泄放前压力，kPa.a；p2为泄放后压力，kPa.a。

式（4）相对简单，相关计算参数也比较容易获取，因此常用于限流孔板孔径计算。

第2种计算方法来自《炼油装置工艺管道安装设计手册（下册）》（以下简称手册）：

式中：q为流体的质量流量，kg/h；α为孔板流量系数；ε为流体膨胀系数；d为锐孔直径，mm；ρ为操作条件下流体密度，kg/m3；Δp为孔板前后的压力降，kgf/cm2。

采用式（5）计算时，需同时满足：管子公称直径≥ DN15 mm；锐孔直径 d 与管道内径D的比值β= d/D≥0.1；孔板后压力与孔板前压力之比p2/p1≤临界流率压力比。

使用式（5）计算限流孔板孔径时，需单独计算流体的质量流量，同时根据流体的雷诺数、孔板前后的管径及流动形态等参数，查找手册中的相关图表选取：流量系数和膨胀系数。计算过程相对复杂。

第3种计算方法来自HG/T 20570.15-1995《管路限流孔板的设置》[6]：

式中：q为流体质量流量，kg/h；α为孔板流量系数；d为孔板孔径，m；D为管道内径，m；p1为孔板前压力，MPa.a；p2为孔板后压力，MPa.a；M为分子量；Z为压缩因子；T为孔板前流体温度，K；k为绝热指数，k=Cp/Cv；Cp为流体定压热容，kJ/(kg·K)；Cv为流体定容热容，kJ/(kg·K)。

式（6）最复杂，涉及参数达12个，其中流量系数需通过相关图表查找选取，流体的质量流量需单独计算。采用式（6）需满足：限流孔板后压力p2不能小于板前压力p1的55%，当p2＜0.55 p1时，不能采用单级孔板，要选择多级孔板，其板数要保证每板的板后压力大于板前压力的55%。式（6）很少用于气田集输站场限流孔板孔径计算。

式（5）、（6）的形式基本一致，关键在于泄放流量的计算。依据API 521“Guide for Pressure - Relieving and Depressuring Systems”3.15章节中关于火灾工况下泄放流量的计算公式：

式中：q为流体质量流量，lb/h（1 lb/h = 0.453 59 kg/h）；M为分子量；p1为泄放前压力，psia（1 psia = 6.894 8 kPa）；A'为容器暴露于火中的面积，ft2（1 ft2= 0.929 m2）；TW为容器壁的温度，°R（1°R =（1 ℃+273.15）×1.8）；T1为泄放前流体温度，°R。

对于普通碳钢板材，推荐的最大容器壁温度为1 100 °F。

2 对比分析

对比分析式（4）～（6），不难发现，式（4）的计算参数不涉及流体流量，但涉及系统容积，一般来说，同一种工况下，在相同的时间内要求泄压到某一定值时，系统容积越大意味着泄放量越大。因此可认为3个公式中限流孔板的泄放面积均与泄放流量成正比。式（4）计算过程最为简便，其中对孔板泄放系数给出了0.85的定值，这主要是由于限流孔板在限流作用的工艺系统中，流经限流孔板的流体一般处于临界流动状态，而此时孔板的泄放系数与流体的物性等参数关系不大，呈现出恒定的趋势，因此可取一个定值。式（5）作为描述放空过程的非稳态公式，孔板的流量系数和膨胀系数与流体雷诺数、流动形态及孔板前后的管径等参数相关，更贴近实际流动状况。式（6）计算过程最复杂，涉及参数众多。

式（5）、（6）的适用范围差别较大。式（5）明确指出用做限流时孔板后压力与孔板前压力之比p2/p1≤临界流率压力比，而式（6）要求限流孔板后压力P2不能小于板前压力p1的55%，p2/p1≥0.55（一般针对多原子气体，临界流率压力比可近似取值0.55），两个公式的要求完全相反。当限流孔板用作限流时，要求孔板前后压差必须超过临界压差，这样才能保证流经孔板的流量不随压差的变化而变化，维持在一定数值不再增加，以实现限制流量的作用，显然式（6）中的孔板前后压差小于临界压差，在计算限流作用的孔板时适应性较差，一般适用于降压作用的孔板计算。

3 实例解析

以土库曼斯坦阿姆河右岸地区某气田集气站为例，采用3种计算方法分别求解限流孔板的孔径，相关参数见表1，计算结果见表2。

表1 参数

表2 计算结果

表2的计算结果可知：采用式（4）、（5）计算出的孔径值较接近，而式（6）的孔径值相比而言大很多，主要由于p2/p1的数值过小，导致公式中的分母偏小，从而使计算结果偏大，说明式（6）不适合限流作用的孔板计算。

虽然计算结果显示采用式（4）的孔径比式（5）稍大，但并不代表所有的计算均为这种趋势。一般来说，式（4）、（5）均可用于气田集输孔板计算。实例中的孔板孔径可以选择41 mm或42 mm，采用式（1）、（3）计算得到孔板厚度约20 mm。

4 结论

通过对比分析气田集输站场火灾泄压放空限流孔板孔径计算方法，得出式（4）、（5）适用于限流作用的孔板计算，而式（6）在限流作用的孔板计算中适用性较差。实例解析，说明在限流作用的孔板计算中可同时选用式（4）、（5）计算，其结果基本一致。建议式（4）、（5）结合使用，既可提高计算效率，也可相互验证。

[1]王 友.限流孔板在工艺装置中的应用[J].炼油设计，1999, 29(9): 45 - 47.Wang You. Application of Flow-Limiting Orifice Plates in Process Units[J].Petroleum Refinery Engineering, 1999,29(9): 45-47.

[2]张 池.气体限流孔板的计算[J].天然气与石油，1995,13(4): 14-17.Zhang Chi. Calculation of Gas Throttling Orifice Plate[J].Natural Gas and Oil, 1995, 13(4): 14-17.

[3]API 521, Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems[S].

[4]炼油装置工艺管线安装设计手册编写组.炼油装置工艺管线安装设计手册(下册)[M].北京：石油工业出版社，1978, 7.Editorial Committee of the Installation Design Manual of Process Pipeline of Refining Device. The Installation Design Manual of Process Pipeline of Refining Device (Part II)[M].Beijing: Petroleum Industry Press, 1978, 7.

[5]Campbell J M. Gas Conditioning and Processing (Volume 2,7th Edition)[M]. Norman: Campbell Petroleum Series 2004, 28-29.

[6]HG/T 20570.15-1995,管路限流孔板的设置[S].HG/T20570.15-1995, The Setting of Throttling Orifice Plate of Pipeline[S].