输气管道工程放空系统的模拟计算

赵文利

(中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北 任丘 062550)

随着国民生活质量的提高，人们对绿色节能的天然气资源需求量日益增加，保障输气管道的安全运行已成为国民经济生产运行的基石[1-4]。然而，天然气属于易燃易爆气体，且输送气体的长输管道具有高压力、长距离、大管径的特点，因此聚焦天然气管道的运行安全是十分必要的[5-9]。放空系统是输气管道运行安全的重要保障，通过设置安全阀对压力容器超压情况进行泄压保护和对故障管道做出迅速反应的紧急截断等措施为管道维抢修争取时间，更重要的是在紧急工况下达到自动放空、快速切断的作用[10]。该措施能够在特殊情况下迅速作出反应，为预防输气管道出现放空系统安全问题，减轻放空对环境不利影响做基础和铺垫[11]。

1 安全阀的选型与计算

根据国家推荐标准GB/T 12241《安全阀 一般要求》中定义安全阀是一种自动控制阀，能够保护系统不超过压力设定值，一旦压力超过规定值，安全阀会自动打开，将系统中规定范围内的流体排出，当压力恢复到正常值后，该阀门自动关闭防止系统超压造成事故伤害[12]。因此，安全阀在输气站场中至关重要，对灵敏度也有着较高的要求[13-14]。在计算安全阀口径前，应首先确定该事故属于哪种工况，如阀门误关断、控制阀故障及外部火灾等，从而确定在不同工况下的最大泄放量，进而计算安全阀的最小泄放面积，通过核算安全阀的入口压力降及安全阀背压可得到安全阀的喉径和管径，最终确定安全阀的型号[15-16]。图1为安全阀的选型与计算步骤示意图。

根据HG/T 20570.2-95《工艺系统工程设计技术规定》中的相关规定，在不同工况下最大泄放量有所不同。本文中只列出与天然气输送管道相关的事故工况，其他类型在此不在赘述[17]。

1.1 不同工况下的最大泄放量

1.1.1 阀门误关闭

①入口截断阀打开，出口截断阀关闭时，其泄放量为被封闭内管道的最大流量。

②当安全阀口径较小(≤DN25)，管道两侧的截断阀关闭时，安全阀的泄放量为管道内液体的膨胀量。 对于大口径的长距离管道，液体膨胀量按式 (1)计算：

Q=B·H/(ρ1·Cp)

(1)

式中：Q为体积泄放量，m3/h；B为体积膨胀系数，1/℃；H为正常工作时的最大传热量，kJ/h；ρ1为液相密度，kg/m3；Cp为定压比热，kJ/(kg·℃)。

图1 安全阀的选型与计算步骤示意图

1.1.2 控制阀故障

安装在设备入口的控制调节阀出现故障，阀门位置为全关状态，泄放量为流过该阀门的最大流量；相反，当发生故障时阀门位置处于全开状态，则安全阀的泄放量应按式(2)计算，若为输气管道，则应满足低压侧的设计压力小于三分之二的高压侧的设计压力。

Qm=3171.3(Cv1-Cv2)Ph(Gg/T)1/2

(2)

式中：Qm为质量泄放流量，kg/h；Cv1为控制阀的Cv值；Cv2为控制阀最小流量下的Cv值；Ph为高压侧工作压力，MPa；Gg为气相密度，kg/m3；T为泄放温度，K。

1.2 判断流动条件

按照上述计算得出所需的泄放量，根据国家标准GB/T 36588《过压保护安全装置 通用数据》中第5条安全阀性能的相关规定从而确定安全阀的泄放面积[18]。当气体介质流经安全阀孔道的流量随着下游压力的减小将不再持续增加，则称该流体为临界流动，其对应的流量为临界流量，相反则称为亚临界流动，其不同的流动条件对应不同的流道面积、排放系数计算。因此首先判断该流体是临界流动还是亚临界流动。 满足式(3)为临界流动，满足式(4)为非临界流动。

(3)

(4)

式中：Pb为介质流经安全阀出口处形成的压力(简称背压力)，MPa；Pc为排放压力，MPa；k为绝热系数，1。

其中根据现行国家标准GB50251-2015《输气管道工程设计规范》的要求，通过第3.4条输气管道的安全泄放中安全阀的定压要求计算得到安全阀的定压值P0[19]，在确定流动条件下，根据计算得到的定压值从而计算出安全阀的流道面积。

当在临界流动条件下的气体介质的排量按式(5)和式(6)计算：

(5)

(6)

当在亚临界流动条件下的气体介质的排量按式(7)和式(8)计算：

(7)

(8)

式中：A为安全阀的阀座与阀瓣间最小面积即流道面积，mm2；C为绝热指数k的函数，1；Kb为亚临界流动下的理论排量修正系数，1；Kd为排量系数，1；Kdr为额定排量系数，1；M为摩尔质量，g/mol；ν0为实际排放压力和温度下的比容，m3/kg；T0为排放温度，K；Z为压缩因子，1。

1.3 确定最小泄放面积

根据化工行业推荐标准HG/T 20570《工艺系统工程设计技术规定》的第8.0.2条规定：

1)对于气体、蒸汽在临界条件下的最小泄放面积按式(9)计算：

(9)

2)对于气体或蒸汽在亚临界条件下的最小泄放面积按式(10)计算：

(10)

式中：A为最小泄放面积，mm2；W为质量泄放流量，kg/h；X为气体特性系数；P为泄放压力，MPa；Z为气体压缩因子；T为泄放温度，K；M为分子量；kf为亚临界流动系数；C0为流量系数。

1.4 确定安全阀口径

根据上述公式得到的最小泄放面积，计算安全阀喉径(d)或阀座口径(D)。

1)对于全启式安全阀，其计算公式为(11)：

(11)

2)对于平面密封型微启式安全阀，其计算公式为(12)：

a=πDh

12)

3)对于锥面密封型微启式安全阀，其计算公式为(13)：

a=πDhsinφ

(13)

式中：d为安全阀喉径，mm；h为开启高度，mm；D为安全阀的阀座口径，mm；φ为密封面的半锥角，度。

通过不同工况计算得到的泄放量、判断流体是临界流动或非临界流动从而确定最小的泄放面积最终选择其合适的口径，当满足入口压力降及安全阀背压时，可确定最终的选型。

2 计划性放空

线路段的计划放空一般是因线路可能发生的维检修、改线、换管、动火连头等需进行放空操作[20-21]。在放空前，需关断上下游的截断阀，缓慢打开放空阀，通过调节阀门开度的大小从而改变放空流量，在规定时间内，完成一定气量的泄放。本文中利用Pipeline Studio(TG NET)软件进行瞬态模拟计算，观察线路的压力、放空时间以及放空流量的变化。同时根据石油化工标准规范SH3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》：“排放系统管网的马赫数不应大于0.7；可能出现凝结液的可燃性气体排放管道末端的马赫数不宜大于0.5”，因此根据放空需满足环境要求的条件，下面项目中按照满足马赫数不大于0.5考虑[22]。

某两个站场间间距为 30.0 km，进站压力为 5.0 MPa，输气总量为40×104m3/d，设计压力 6.3 MPa，温度为 0 ℃，总传热系数为 3.25 W/(m2·℃)，放空阀后的管道长度为 0.1 km，放空口径为DN50，在满足最大放空流速(马赫数)要求的前提下，放空总时间不超过 12 h，对其进行线路段放空的动态模拟分析计算，在TG NET模型(如图2所示)中输入表1的线路段参数，经过计算，得到表2中线路段管道压力与放空时间的变化关系。

图2 线路段放空示意图

通过管道压力与放空时间的变化关系可看出，计划在第 1.5 h 开始放空，计算结果表明，线路段放空时间小于 5 h，满足放空时间 12 h 要求，同时通过该方法可核算出放空立管的口径是正确的。

表1 线路段参数表

表2 线路段管道压力与放空时间计算结果表

3 站内紧急放空

站内紧急放空主要是输气站内发生紧急事故(如管道泄漏、发生火灾等特殊工况)时利用紧急截断阀(ESDV)自动执行处置操作的过程[23-25]。根据GB50251《输气管道工程设计规范》中的规定：“当站场出现事故需紧急放空时，应能满足在 15 min 内将站内设备及管道内压力从最初的压力降到设计压力的一半”，同时SH3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》对环境的相关规定，由HYSYS软件进行瞬态模拟，实现对放空系统中放空量的计算及限流孔板尺寸的确定。

联合被放空管道和容器(可简化为与实际容积、内部表面积、金属壁重量相等的一个容器)、节流阀进行模拟，根据减压速率要求试算节流阀(在此认为限流孔板)的流通面积，若初选的限流孔板流通面积较小导致 15 min 无法将站内管道或容器的压力降至设计压力的50%，需扩大限流孔板尺寸直至满足减压速率的要求。

某输气站场设计压力 6.3 MPa，最高操作压力为 6.0 MPa，操作温度为 20 ℃，输气总量为40×104m3/d，设置有1具放空立管。站内设置有ESD自动放空系统，ESD阀门至放空设施管道长度 100 m，站内管存的有效容积为 60 m3。请核算本工程ESD放空管网限流孔板口径及放空量。

将站场ESD放空简化为一个等容积的压力容器(Vessel)，添加紧急泄放阀(VapourValve)，设定物流组分、压力、温度，紧急泄放阀的流道面积(即限流孔板)等参数，建立如下模型，如图3所示。

图3 站场紧急放空模型图

图4 压力随放空时间变化结果图

通过图4的压力随放空时间变化的结果图和表3中的泄放数据，发现当时间为 900 s (15 min)时，压力降至 0.52 MPa，满足在 15 min 内将站内设备及管道内压力从最初的压力降到设计压力的50%的要求，同时经过马赫数的计算[26]，马赫数小于0.5，符合对噪音控制的要求，因此该限流孔板的尺寸是合适的。

表3 泄放数据表

表3(续)

4 结论

本文系统地阐述了安全阀的选型与计算过程，同时利用TG NET软件和HYSYS软件模拟了线路段计划性放空及站场紧急放空的动态过程，详细地介绍了两种软件的操作步骤。研究表明，在长距离输气管道放空设计中，根据管道设计压力、温度、管径等具体数据搭建基础模型，通过计算的放空气量、放空时间及泄放后的压力等关键数据，为能解决长输管道在放空过程遇到的实际问题做基础，同时为指导运行管理和维抢修工作提供决策依据。