输气干线放空系统放空量计算软件开发

白 雪 李自力 姜海斌 王爱玲 翁浩铭

1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580；2.中国石油西南管道昆明输油气分公司， 云南 昆明 650000



输气干线放空系统放空量计算软件开发

白 雪1李自力1姜海斌2王爱玲2翁浩铭1

1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580；2.中国石油西南管道昆明输油气分公司， 云南 昆明 650000

在进行放空系统设计时需要了解瞬时放空量，但输气干线放空系统中没有相应流量计对放空量进行计量，且目前关于放空量计算的公式大多没有依据。以范诺方程、输气管路流动理论为基础，同时考虑阀门开度对放空时间以及瞬时放空量的影响，通过程序语言对放空系统瞬时放空量计算进行编写，输入输气干线内气源压力、放空管规格和阀门开度等参数，即可求解出瞬时放空量，将程序计算结果与SPS软件模拟结果进行对比，误差较小。对比不同阀门开度下的瞬时放空量和放空压力，分析了阀门开度的影响，可为放空系统设计及现场放空提供理论指导。

输气干线；放空系统；瞬时放空量；阀门开度；软件开发

0 前言

在进行放空系统设计时，常常需要了解瞬时放空量，根据瞬时放空量大小来确定放空系统是否设置放空火炬以及放空系统天然气扩散及热辐射范围，当瞬时放空量超过4×104m3/h时，需要设置放空火炬[1]。目前对放空系统瞬时放空量的求解大多采用计算公式或图解法，其中具有代表性的是四川石油管理局勘察设计研究院编写的《输气干线手册》中放空量计算公式[2]，但这些计算公式的计算结果与工程实际有偏差，图解法也只能对放空量大小进行估算[3]，因此有必要对放空系统瞬时放空量进行研究，提出一种更符合工程实际的放空系统瞬时放空量计算方法。

1 天然气放空管路放空过程描述

输气干线放空系统包括气源、放空管道和大气环境三部分[3]，高压天然气放空系统见图1。由于高压天然气放空系统放空管路距离短，压降大，放空管段沿途气体流动参数：温度T、密度ρ、流速V、压力p、气体马赫数Mach等均随时间变化，且差异较大，该过程属于非定常流动[4-5]。

图1 高压天然气放空系统示意图

放空过程需要经历临界流和亚临界流两种流态：

1)临界流状态：放空初始时刻，输气干线内气源压力p0较高，使得放空管路入口截面压力p1也较高，出口截面压力p2远大于环境大气压力pa，出口截面气体流速达到临界流速，出口截面气体马赫数Mach2等于1，此时放空过程将达到最大瞬时放空量。出口截面的气体依靠剩余压力差(p2-pa)进行膨胀，直至p2降至pa。随着放空过程时间推移，p0、p1、p2均逐渐减小，但在p2降至pa之前，放空过程均处于临界流状态，在新的压力条件下放空过程达到新的最大瞬时放空量[3，6-7]。

2)亚临界流状态：当放空过程越过临界流继续泄压时，气体进入亚临界流状态，p1继续下降，p2保持不变(仍等于pa)，出口流速逐渐减小，Mach2<1，瞬时放空量也随之下降，在p0降至pa之前，该流态将持续进行，直至天然气放空系统内各压力值相等p0=p1=p2=pa，放空过程结束[3，6-7]。

2 放空系统放空量计算软件开发

2.1 天然气放空系统基本方程

输气干线放空系统放空量计算，以可压缩流体摩擦绝热一维流动的范诺方程和输气管路流动理论为基础进行求解。

2.1.1 放空管路摩阻系数

接下来玉敏要做的，是帮姑妈买钻戒。玉敏找了老总，想打个大折。老总说既然是你姑父，就打个大折，三十万吧。玉敏噘着嘴说，这还叫大折啊，那款钻戒是我进的，进价才二十二万。老总说房租水电工资费用不都得摊点么。玉敏说摊三万可以了吧，二十五万行么？我姑父是税务局长，就管我们这片的。老总听说是税务局长，马上说，那就二十六万吧，罗兰可从没卖过利润率这么低的钻戒呢。玉敏说谢谢老总，我会转告姑父的。

放空管路摩阻系数f与雷诺数Re及管内壁绝对粗糙度e有关，计算公式如式(1)。天然气放空系统进行放空时，气流速度较高，雷诺数Re较大，对放空管路摩阻系数影响很小，因此一般在计算时可忽略Re的影响[8]。

然而，传统的维修思想会造成不恰当维修、绝大多数部件未被充分利用、设备利用率较低等现象。从这个层面来讲，汽车的过度维修增加了维修后的人为故障，降低了汽车的可靠性水平；维修工时和备件过多，增加了汽车的使用成本和维修费用；单位时间内汽车停驶时间过长，降低了利用率。许多类型的故障的发生是偶然的，用简单的定时拆卸方式，并不能防止和减少类似故障的发生；使用定期翻修的方式维修一些重要部件时，并不能达到预期维修效果。因此，实践证明，汽车的可靠性水平与定时维修并无必然关系，传统的维修思想不能很好地恢复和保持汽车固有可靠性。

(1)

式中：f为放空管路摩阻系数；Re为雷诺数；e为管内壁绝对粗糙度，m；d为放空管路内径，m。

2.1.2 气体马赫数

气体马赫数需要采用迭代方法进行求解[6]，迭代式如式(2)。入口截面气体马赫数Mach1和出口截面气体马赫数Mach2的大小均未知，需要单独进行求解：

1)Mach1求解：将该迭代式转化为关于Mach1的迭代计算式，假设Mach2为定值，通过迭代求解出Mach1。

2)Mach2求解：将该方程式转化为关于Mach2的迭代计算式，将上面求得Mach1作为已知值代入，通过迭代求解出Mach2。

使用编制软件对事故状态下输气干线两端阀室截断时放空量进行计算，放空系统基本参数见表1，程序计算结果见表2。将计算结果与SPS软件模拟瞬时放空量[14]进行对比，检验计算软件结果的准确性。

FA16-T设备使用MPLS包交换网络来实现空管甚高频业务的透传功能。极大降低了语音业务传输的时延 （具体时延约在16ms左右），在空管管制席位可接受的时延范围内，保证了甚高频业务的正常传输[4]。

式中：Mach1为入口截面气体马赫数；Mach2为出口截面气体马赫数；L为放空管路等效总长度，m；γ=CP/CV为气体等熵指数，其中CP为定压比热，J/(kg·K),CV为定容比热，J/(kg·K)。

2.1.4 放空管路阻力因子

天然气压缩因子Z通常可以通过通用图、经验公式以及状态方程进行求解，为了应用于计算机求解以及得到较高精度的结果，而采用状态方程进行迭代求解，本文采用PR方程[10]，迭代式为：

Z3-(1-B)Z2+(A-2B-3B2)Z-(AB-B2-B3)=0

(3)

2.2.1 临界流状态下瞬时放空量

2.1.3 气体压缩因子

气体马赫数迭代计算式(2)左侧项fL/d为放空管路阻力因子，包括放空管路入口阻力因子、放空管路阻力因子以及放空管路出口阻力因子。放空管路入口、出口阻力因子可通过查阅相关文献获得[6]，而放空管路阻力因子需要通过计算进行求解，首先需要计算出放空管路等效总长度L以及放空管路摩阻系数f，其中放空管路等效总长度L包括弯头、三通、阀门等效长度以及放空管段本身管长，然后根据fL/d即可求得放空管路阻力因子[3]。

2.1.5 放空阀入口截面参数

放空气体通过输气干线管道进入放空管路(p0T0→p1T1)的过程可视为一个典型的等熵热膨胀过程[4，6]，因此根据热力学基本公式可以得出输气干线内气源压力与放空阀入口截面压力、输气干线内气源温度与放空阀入口截面温度计算关系式(4)、(5)，结合流体流动基本方程和基本热力学方程，可以得出放空阀入口截面压力与出口截面压力、入口截面温度与出口截面温度计算关系式[4](6)、(7)：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：p0为输气干线内气体压力，MPa；p1为放空阀入口截面压力，MPa；T0为输气干线内气源温度，K；T1为放空阀入口截面温度，K；p2为放空阀出口截面压力，MPa；T2为放空阀出口截面温度，K。

2.1.6 瞬时放空量

上世纪六七十年代，罐头是稀罕之物，除口味鲜美、食用方便外，还可以长期存放。但寻常人家是不会购买消费的，那绝对是奢侈品。只有谁家老人患病，才会上供销社买上两瓶拎着去看望，表示一下心意。一般不会购买重样的，要考虑颜色、形状都有所区别。大部分购买的是苹果、山楂、橘子、黄桃、杨梅、菠萝等用玻璃瓶盛装的罐头。

对UPS的运行状态进行实时监测管理，但不对UPS进行控制。通过UPS自带的智能通讯接口和相应的通讯协议内容，实时显示并保存UPS的运行参数、运行状态，储能电池soc参数及报警信息进行实时监测；能用直观的图形来指示UPS的运行状态。实时判断UPS的部件是否发生报警，当UPS的某部件发生故障或越限时，监控主系统发出报警。

(8)

式中：W为瞬时放空量，kg/s；M为气体摩尔质量，kg/mol；Z1为截面处天然气压缩因子。

2.3 实例计算

2.1.7 累计放空时间

1.3 统计学分析 采用SPSS 19.0软件进行处理，计量资料以表示，先做方差齐性检验，若方差齐性，则采用SNK法比较组间差异，不服从齐性分配采用friedman M检验，相关性分析采用person线性检验，P<0.05为差异有统计学意义。

放空时间受阀门开度、输气干线内气源压力等影响，需要通过调节放空阀开度来控制放空时间，紧急情况下输气干线2个阀室之间线路放空时，需要在10～12h内完成[12]。目前国内外关于放空时间计算方法较少[7]，对于管径较大的输气干线在事故状态下两端阀室截断进行放空时，放空时间的计算可采用式(9)进行计算[13]：

(9)

式中：t为累计放空时间，s；p01、p02为放空前、后管道内气体绝对压力，MPa;V为放空管段容量，m3；μ为阀门开启度；F为放空阀全开时截面积，m2；g为重力加速度，N/kg，取9.8；T为管道温度，K。

夏国忠趴在战壕边，盯着山坡上躬腰撅臀向上爬的鬼子，在心里默默地计算着距离。五百米，三百米，两百米，一百米。“打。”随着一声吼叫，夏国忠手里的冲锋枪一阵扫射，冲在最前面的几个鬼子应声倒了下去。

2.2 软件程序计算流程

首先根据式(1)确定放空管路摩阻系数以及放空管路等效总长度，从而得出放空管路阻力因子fL/d，用于气体马赫数迭代计算，然后根据气体所处的不同流态进行瞬时放空量的计算。

4．动物感染试验。结果小白鼠注射病原菌的第四天开始死亡，死亡的小白鼠皮肤发绀，剖检肝、脾、肺、心出血，呈败血症，剖检发现注射部位有直径0.9～1.1 cm的脓肿，浓汁呈黄绿色。而对照组作的均未见死亡，从死亡的小白鼠的肝脏、重新分离到革兰氏阳性单在、呈双或链状排列的球菌。试验表明，分离的菌株对小白鼠有致病性。

随着p2逐渐减小，当p2降至pa时，临界流结束，此时根据式(4)求得临界气源压力p0c，即当气源压力降至临界气源压力之前放空气体均处于临界流状态。临界流状态下放空管出口截面气体流速达到临界流速，Mach2=1，根据式(2)迭代计算出Mach1，将其代入式(4)、(5)，即得放空管入口截面压力p1以及入口截面温度T1，再根据式(8)计算求得临界流状态下瞬时放空量。

2.2.2 亚临界流状态下瞬时放空量

亚临界流状态下Mach2大小未知，需先假设Mach2=1，根据式(2)迭代计算出Mach1、Mach2，将其代入式(4)、(5)，即得放空管入口截面压力p1以及入口截面温度T1，再根据式(8)计算求得亚临界流下瞬时放空量。

具体程序计算流程见图2，根据该计算流程编制放空量计算软件，可实现通过在该窗体中“输入参数”中输入基本参数以及阀门开度、输气干线气源压力等参数，即可计算得到不同流态下气源压力对应的入口截面压力、入口截面温度、瞬时放空量以及累计放空时间的功能。

图2 程序计算流程图

管理方式改革稳步推进。借着“互联网+”的东风，珠航局积极促进互联网、大数据、人工智能与珠江航运融合，打破信息孤岛，实现政府部门、管理机关、港航企业间的信息互联互通，全流域航运信息资源共享。今年11月，珠江航运综合信息服务系统珠航局项目正式上线试运行，该项目实现了部水运局、海事局和广东省交通运输厅数据的共享，与广西交通运输主管部门的数据交换网络也已连通并实施数据交换，标志着“数字珠江、智慧珠航”建设迈出新步伐。

(2)根据权数(3,1,3,1,3,1,3,1,3,1,3,1)确定的校验码，对“相邻数字写颠倒”的错误检验绝对有效吗？请给予说明．

重复1)、2)过程，当求得的Mach1及Mach2均达到稳定收敛时，稳定收敛迭代值即为所求的Mach1和Mach2[6，9]。

通过对计算结果分析可知：

1)在放空过程中瞬时放空量与放空压力值呈线性递减变化关系，与放空气体所处流态无关，见图3。

放空系统设计时需要根据瞬时放空量大小确定放空系统是否设置放空火炬，放空量大小通过调节阀门开度控制，控制的瞬时放空量越小，放空系统设计处理量越小[11]。瞬时放空量计算公式[3]为：

2)输气干线内气体压力值p0及放空管路入口截面压力p1均随放空时间的增大而逐渐降低，其降低速率也逐渐减小，在临界流区域急速下降，压降变化值较大，而在亚临界流区域下降幅度平缓，压降变化值较小，见图4。

3)利用SPS软件对算例瞬时放空量进行计算，发现程序计算结果与模拟得到的结果误差较小，验证了软件的准确性。

一出门，丁香就给权筝打电话避开一切与自杀相关的敏感话题，直接切入“结婚”。她要求权筝别人说什么都别想，就问问自己对何东的感觉，他是不是比较接近你条件的男人？权筝想了一下说是，我长的不美，傻博一个，还不会持家，能找到他这样的，很满意。丁香就说，那还等什么？女人是性别上的弱势群体，八十岁的男人还能传种接代呢，八十岁的女人你试试？

表1 放空系统程序计算实例基本参数

表2 放空系统部分计算结果汇总表

图3 瞬时放空量与输气干线内气体压力变化关系曲线

2.4 阀门开度影响分析

阀门开度不同所对应的放空管路阻力因子也不同，由式(2)可知，放空管路阻力因子影响气体马赫数，进而影响阀门入口截面压力以及放空量大小。由式(9)可知，阀门开度影响气源压力，进而影响管道内气体临界流动状态。因此，放空系统中放空阀与管道流动的关系与相互影响是通过阀门开度影响气体马赫数以及气源压力而建立的。天然气放空过程中常需要通过调节阀门开度来控制放空压力、放空量以及放空时间，有必要对阀门开度的影响进行分析，使用编制软件对表1算例在不同阀门开度下进行计算，得出输气干线气体压力与放空时间关系以及放空初始时刻最大瞬时放空量与阀门开度的关系见图4～5，由此可知：

1)阀门开度对放空过程中输气干线内气体压降及放空时间有较大影响，随着阀门开度的增大，压降将显著增大，因此一般在放空开始时，为避免压降过大导致温度急剧降低，造成冰堵，放空阀的开度应较小。

内在因素是影响职前数学教师认知发展的个人因素，其中最重要的是他们中学时代的经历．在访谈中，不少职前教师表达了自己在中学成长经历中教师教学对自己的影响，譬如“以往中学时数学做题多，较少关注概念的本质理解．如对‘平均数’概念，我首先想到的就是它的除法意义，很少去思考它的统计意义”，“对于‘空气质量问题’，尽管很容易通过不同方法做出判断，如从得出乌鲁木齐空气质量好，以及从得出昆明空气质量好等判断，但很少去思考这两个不同判断所蕴含的数据分析的统计意义”，等等．

2)随着阀门开度的增大，最大瞬时放空量逐渐增大，当阀门开度增大至0.4后，最大瞬时放空量与阀门开度成线性递增变化关系，变化幅度较小，由此可见在放空过程中通过调节阀门开度控制放空量时，阀门开度在0.4以下时能够更有效调节放空量大小。

图4 不同阀门开度下输气干线内气体压力随放空时间变化

图5 瞬时放空量随阀门开度变化

3 结论

1)基于程序语言编写天然气放空系统放空量计算软件，可实现输入气源压力、放空管规格和阀门开度等参数，求解出不同气源压力对应的瞬时放空量，根据计算得到的最大瞬时放空量来确定是否设置放空火炬，为放空系统设计提供参照。

2)瞬时放空量与放空压力值呈线性递减变化关系，与放空气体所处流态无关。随着阀门开度的增大，最大瞬时放空量逐渐增大，当阀门达到一定开度后瞬时放空量增大幅度较小，该阀门开度以下能够更有效地调节放空量大小。

3)临界流区域压降速度快，压降变化值较大；而亚临界流区域压降速度缓慢，压降变化值较小。阀门开度对放空过程中气体的压降影响较大，随着阀门开度增大，压降将显著增大。在放空开始时，为避免压降过大导致温度急剧降低，造成冰堵，放空阀的开度应较小。

输入层有200个处理单元，它们分别从富利哀谱中接受谱位输入。隐层由10个处理单元组成。输出层的三个处理单元分别代表结构构件的三种损坏状态。

4)软件计算结果与SPS软件模拟结果进行对比，误差较小，符合现场工程实际。

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2015-06-15

国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发(2008ZX05017-04-01)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(15CX06071A)

白 雪(1991-)，女(蒙古族)，内蒙古通辽人，硕士研究生，主要从事油气储运系统安全工程技术研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.003