氣田集輸站場火災泄壓放空限流孔板計算解析

李海潤 宋凌燕 張 鵬

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2. 西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500；

3. 中國石化江蘇油建工程有限公司，江蘇 揚州 225009

0 前言

限流孔板為一同心銳孔板，可作為流量測量元件，也可作為節流元件。限流孔板作為節流元件，當孔板前后存在一定壓差時，流體流經孔板，對于一定的孔徑，流經孔板的流量隨著壓差增大而增大。但當壓差超過臨界壓差時，流體通過孔板縮孔處的流速達到音速，這時，無論壓差如何增加，只要孔板上游的壓力保持一定，流經孔板的流量將維持在一定數值不再增加。限流孔板根據這一原理可對流體限流、降壓。限流孔板按孔板上開孔數分為單孔板和多孔板，按級數可分為單級和多級。其結構簡單、易加工、成本低、安裝方便，在滿足工藝要求的前提下，使用限流孔板代替調節閥，可降低投資和操作維護費用[1]，已廣泛應用于國內外油氣田地面工程。

目前在氣田集輸站場火災泄壓放空系統的設計中大都采用了限流孔板，一般設置在站場火災緊急泄放閥之后，實現限制流量、降低噪聲和減弱管道振動，對放空系統的安全起到一定的保障作用[2]。

1 限流孔板的計算

氣田集輸站場火災泄壓放空系統限流孔板的計算選型原則大多依據API 521“Guide for Pressure - Relieving and Depressuring Systems”3.19 章節[3]。

限流孔板的計算主要包括銳孔孔徑、孔板孔數、孔板級數、孔板厚度四個要素。一般情況下，管道公稱直徑≤DN 150 的管路，選擇單孔孔板；＞DN 150時，選擇多孔孔板。在計算多孔孔板時，先按單孔孔板計算孔徑，然后按照多孔孔板的總面積應等于計算的單孔孔板面積的原則選取孔數。限流孔板用于氣田集輸站場火災泄壓放空系統時，其主要作用在于限制流量，一般采用單級孔板。孔板厚度的計算方法比較單一，常用《煉油裝置工藝管道安裝設計手冊（下冊）》的計算公式[4]。

當流體溫度小于 375 ℃時：

當流體溫度大于 375 ℃時：

式中：H為孔板厚度，mm ；Δp為孔板壓降，kgf/cm2；D為管子內徑，mm；σ為允許應力，kgf/cm2；ψ為撓度系數。鋼材的撓度系數按式（3）計算：

式中：m為銳孔面積與管子截面積之比。

限流孔板計算過程重點在于計算銳孔孔徑，適用于氣田集輸站場火災泄壓放空限流孔板的計算方法主要有3種。

第1種計算方法來自Gas Conditioning and Processing(equation 10. 51)[5]：

式中：Av為限流孔板的泄放面積，m2；B為系數，取0.09；V為系統容積，m3；Cd為孔板流量系數，0.85；t為放空時間，s；Rd為氣體比重；Z為氣體壓縮因子；T為操作溫度，K；p1為泄放前壓力，kPa.a；p2為泄放后壓力，kPa.a。

式（4）相對簡單，相關計算參數也比較容易獲取，因此常用于限流孔板孔徑計算。

第2種計算方法來自《煉油裝置工藝管道安裝設計手冊（下冊）》（以下簡稱手冊）：

式中：q為流體的質量流量，kg/h；α為孔板流量系數；ε為流體膨脹系數；d為銳孔直徑，mm；ρ為操作條件下流體密度，kg/m3；Δp為孔板前后的壓力降，kgf/cm2。

采用式（5）計算時，需同時滿足：管子公稱直徑≥ DN15 mm；銳孔直徑 d 與管道內徑D的比值β= d/D≥0.1；孔板后壓力與孔板前壓力之比p2/p1≤臨界流率壓力比。

使用式（5）計算限流孔板孔徑時，需單獨計算流體的質量流量，同時根據流體的雷諾數、孔板前后的管徑及流動形態等參數，查找手冊中的相關圖表選?。毫髁肯禂岛团蛎浵禂?。計算過程相對復雜。

第3種計算方法來自HG/T 20570.15-1995《管路限流孔板的設置》[6]：

式中：q為流體質量流量，kg/h；α為孔板流量系數；d為孔板孔徑，m；D為管道內徑，m；p1為孔板前壓力，MPa.a；p2為孔板后壓力，MPa.a；M為分子量；Z為壓縮因子；T為孔板前流體溫度，K；k為絕熱指數，k=Cp/Cv；Cp為流體定壓熱容，kJ/(kg·K)；Cv為流體定容熱容，kJ/(kg·K)。

式（6）最復雜，涉及參數達12個，其中流量系數需通過相關圖表查找選取，流體的質量流量需單獨計算。采用式（6）需滿足：限流孔板后壓力p2不能小于板前壓力p1的55%，當p2＜0.55 p1時，不能采用單級孔板，要選擇多級孔板，其板數要保證每板的板后壓力大于板前壓力的55%。式（6）很少用于氣田集輸站場限流孔板孔徑計算。

式（5）、（6）的形式基本一致，關鍵在于泄放流量的計算。依據API 521“Guide for Pressure - Relieving and Depressuring Systems”3.15章節中關于火災工況下泄放流量的計算公式：

式中：q為流體質量流量，lb/h（1 lb/h = 0.453 59 kg/h）；M為分子量；p1為泄放前壓力，psia（1 psia = 6.894 8 kPa）；A'為容器暴露于火中的面積，ft2（1 ft2= 0.929 m2）；TW為容器壁的溫度，°R（1°R =（1 ℃+273.15）×1.8）；T1為泄放前流體溫度，°R。

對于普通碳鋼板材，推薦的最大容器壁溫度為1 100 °F。

2 對比分析

對比分析式（4）～（6），不難發現，式（4）的計算參數不涉及流體流量，但涉及系統容積，一般來說，同一種工況下，在相同的時間內要求泄壓到某一定值時，系統容積越大意味著泄放量越大。因此可認為3個公式中限流孔板的泄放面積均與泄放流量成正比。式（4）計算過程最為簡便，其中對孔板泄放系數給出了0.85的定值，這主要是由于限流孔板在限流作用的工藝系統中，流經限流孔板的流體一般處于臨界流動狀態，而此時孔板的泄放系數與流體的物性等參數關系不大，呈現出恒定的趨勢，因此可取一個定值。式（5）作為描述放空過程的非穩態公式，孔板的流量系數和膨脹系數與流體雷諾數、流動形態及孔板前后的管徑等參數相關，更貼近實際流動狀況。式（6）計算過程最復雜，涉及參數眾多。

式（5）、（6）的適用范圍差別較大。式（5）明確指出用做限流時孔板后壓力與孔板前壓力之比p2/p1≤臨界流率壓力比，而式（6）要求限流孔板后壓力P2不能小于板前壓力p1的55%，p2/p1≥0.55（一般針對多原子氣體，臨界流率壓力比可近似取值0.55），兩個公式的要求完全相反。當限流孔板用作限流時，要求孔板前后壓差必須超過臨界壓差，這樣才能保證流經孔板的流量不隨壓差的變化而變化，維持在一定數值不再增加，以實現限制流量的作用，顯然式（6）中的孔板前后壓差小于臨界壓差，在計算限流作用的孔板時適應性較差，一般適用于降壓作用的孔板計算。

3 實例解析

以土庫曼斯坦阿姆河右岸地區某氣田集氣站為例，采用3種計算方法分別求解限流孔板的孔徑，相關參數見表1，計算結果見表2。

表1 參數

表2 計算結果

表2的計算結果可知：采用式（4）、（5）計算出的孔徑值較接近，而式（6）的孔徑值相比而言大很多，主要由于p2/p1的數值過小，導致公式中的分母偏小，從而使計算結果偏大，說明式（6）不適合限流作用的孔板計算。

雖然計算結果顯示采用式（4）的孔徑比式（5）稍大，但并不代表所有的計算均為這種趨勢。一般來說，式（4）、（5）均可用于氣田集輸孔板計算。實例中的孔板孔徑可以選擇41 mm或42 mm，采用式（1）、（3）計算得到孔板厚度約20 mm。

4 結論

通過對比分析氣田集輸站場火災泄壓放空限流孔板孔徑計算方法，得出式（4）、（5）適用于限流作用的孔板計算，而式（6）在限流作用的孔板計算中適用性較差。實例解析，說明在限流作用的孔板計算中可同時選用式（4）、（5）計算，其結果基本一致。建議式（4）、（5）結合使用，既可提高計算效率，也可相互驗證。

[1]王 友.限流孔板在工藝裝置中的應用[J].煉油設計，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]張 池.氣體限流孔板的計算[J].天然氣與石油，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]煉油裝置工藝管線安裝設計手冊編寫組.煉油裝置工藝管線安裝設計手冊(下冊)[M].北京：石油工業出版社，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,管路限流孔板的設置[S].HG/T20570.15-1995, The Setting of Throttling Orifice Plate of Pipeline[S].