輸氣管道工程放空系統的模擬計算

趙文利

(中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘 062550)

隨著國民生活質量的提高，人們對綠色節能的天然氣資源需求量日益增加，保障輸氣管道的安全運行已成為國民經濟生產運行的基石[1-4]。然而，天然氣屬于易燃易爆氣體，且輸送氣體的長輸管道具有高壓力、長距離、大管徑的特點，因此聚焦天然氣管道的運行安全是十分必要的[5-9]。放空系統是輸氣管道運行安全的重要保障，通過設置安全閥對壓力容器超壓情況進行泄壓保護和對故障管道做出迅速反應的緊急截斷等措施為管道維搶修爭取時間，更重要的是在緊急工況下達到自動放空、快速切斷的作用[10]。該措施能夠在特殊情況下迅速作出反應，為預防輸氣管道出現放空系統安全問題，減輕放空對環境不利影響做基礎和鋪墊[11]。

1 安全閥的選型與計算

根據國家推薦標準GB/T 12241《安全閥 一般要求》中定義安全閥是一種自動控制閥，能夠保護系統不超過壓力設定值，一旦壓力超過規定值，安全閥會自動打開，將系統中規定范圍內的流體排出，當壓力恢復到正常值后，該閥門自動關閉防止系統超壓造成事故傷害[12]。因此，安全閥在輸氣站場中至關重要，對靈敏度也有著較高的要求[13-14]。在計算安全閥口徑前，應首先確定該事故屬于哪種工況，如閥門誤關斷、控制閥故障及外部火災等，從而確定在不同工況下的最大泄放量，進而計算安全閥的最小泄放面積，通過核算安全閥的入口壓力降及安全閥背壓可得到安全閥的喉徑和管徑，最終確定安全閥的型號[15-16]。圖1為安全閥的選型與計算步驟示意圖。

根據HG/T 20570.2-95《工藝系統工程設計技術規定》中的相關規定，在不同工況下最大泄放量有所不同。本文中只列出與天然氣輸送管道相關的事故工況，其他類型在此不在贅述[17]。

1.1 不同工況下的最大泄放量

1.1.1 閥門誤關閉

①入口截斷閥打開，出口截斷閥關閉時，其泄放量為被封閉內管道的最大流量。

②當安全閥口徑較小(≤DN25)，管道兩側的截斷閥關閉時，安全閥的泄放量為管道內液體的膨脹量。 對于大口徑的長距離管道，液體膨脹量按式 (1)計算：

Q=B·H/(ρ1·Cp)

(1)

式中：Q為體積泄放量，m3/h；B為體積膨脹系數，1/℃；H為正常工作時的最大傳熱量，kJ/h；ρ1為液相密度，kg/m3；Cp為定壓比熱，kJ/(kg·℃)。

圖1 安全閥的選型與計算步驟示意圖

1.1.2 控制閥故障

安裝在設備入口的控制調節閥出現故障，閥門位置為全關狀態，泄放量為流過該閥門的最大流量；相反，當發生故障時閥門位置處于全開狀態，則安全閥的泄放量應按式(2)計算，若為輸氣管道，則應滿足低壓側的設計壓力小于三分之二的高壓側的設計壓力。

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

(2)

式中：Qm為質量泄放流量，kg/h；Cv1為控制閥的Cv值；Cv2為控制閥最小流量下的Cv值；Ph為高壓側工作壓力，MPa；Gg為氣相密度，kg/m3；T為泄放溫度，K。

1.2 判斷流動條件

按照上述計算得出所需的泄放量，根據國家標準GB/T 36588《過壓保護安全裝置 通用數據》中第5條安全閥性能的相關規定從而確定安全閥的泄放面積[18]。當氣體介質流經安全閥孔道的流量隨著下游壓力的減小將不再持續增加，則稱該流體為臨界流動，其對應的流量為臨界流量，相反則稱為亞臨界流動，其不同的流動條件對應不同的流道面積、排放系數計算。因此首先判斷該流體是臨界流動還是亞臨界流動。 滿足式(3)為臨界流動，滿足式(4)為非臨界流動。

(3)

(4)

式中：Pb為介質流經安全閥出口處形成的壓力(簡稱背壓力)，MPa；Pc為排放壓力，MPa；k為絕熱系數，1。

其中根據現行國家標準GB50251-2015《輸氣管道工程設計規范》的要求，通過第3.4條輸氣管道的安全泄放中安全閥的定壓要求計算得到安全閥的定壓值P0[19]，在確定流動條件下，根據計算得到的定壓值從而計算出安全閥的流道面積。

當在臨界流動條件下的氣體介質的排量按式(5)和式(6)計算：

(5)

(6)

當在亞臨界流動條件下的氣體介質的排量按式(7)和式(8)計算：

(7)

(8)

式中：A為安全閥的閥座與閥瓣間最小面積即流道面積，mm2；C為絕熱指數k的函數，1；Kb為亞臨界流動下的理論排量修正系數，1；Kd為排量系數，1；Kdr為額定排量系數，1；M為摩爾質量，g/mol；ν0為實際排放壓力和溫度下的比容，m3/kg；T0為排放溫度，K；Z為壓縮因子，1。

1.3 確定最小泄放面積

根據化工行業推薦標準HG/T 20570《工藝系統工程設計技術規定》的第8.0.2條規定：

1)對于氣體、蒸汽在臨界條件下的最小泄放面積按式(9)計算：

(9)

2)對于氣體或蒸汽在亞臨界條件下的最小泄放面積按式(10)計算：

(10)

式中：A為最小泄放面積，mm2；W為質量泄放流量，kg/h；X為氣體特性系數；P為泄放壓力，MPa；Z為氣體壓縮因子；T為泄放溫度，K；M為分子量；kf為亞臨界流動系數；C0為流量系數。

1.4 確定安全閥口徑

根據上述公式得到的最小泄放面積，計算安全閥喉徑(d)或閥座口徑(D)。

1)對于全啟式安全閥，其計算公式為(11)：

(11)

2)對于平面密封型微啟式安全閥，其計算公式為(12)：

a=πDh

12)

3)對于錐面密封型微啟式安全閥，其計算公式為(13)：

a=πDhsinφ

(13)

式中：d為安全閥喉徑，mm；h為開啟高度，mm；D為安全閥的閥座口徑，mm；φ為密封面的半錐角，度。

通過不同工況計算得到的泄放量、判斷流體是臨界流動或非臨界流動從而確定最小的泄放面積最終選擇其合適的口徑，當滿足入口壓力降及安全閥背壓時，可確定最終的選型。

2 計劃性放空

線路段的計劃放空一般是因線路可能發生的維檢修、改線、換管、動火連頭等需進行放空操作[20-21]。在放空前，需關斷上下游的截斷閥，緩慢打開放空閥，通過調節閥門開度的大小從而改變放空流量，在規定時間內，完成一定氣量的泄放。本文中利用Pipeline Studio(TG NET)軟件進行瞬態模擬計算，觀察線路的壓力、放空時間以及放空流量的變化。同時根據石油化工標準規范SH3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》：“排放系統管網的馬赫數不應大于0.7；可能出現凝結液的可燃性氣體排放管道末端的馬赫數不宜大于0.5”，因此根據放空需滿足環境要求的條件，下面項目中按照滿足馬赫數不大于0.5考慮[22]。

某兩個站場間間距為 30.0 km，進站壓力為 5.0 MPa，輸氣總量為40×104m3/d，設計壓力 6.3 MPa，溫度為 0 ℃，總傳熱系數為 3.25 W/(m2·℃)，放空閥后的管道長度為 0.1 km，放空口徑為DN50，在滿足最大放空流速(馬赫數)要求的前提下，放空總時間不超過 12 h，對其進行線路段放空的動態模擬分析計算，在TG NET模型(如圖2所示)中輸入表1的線路段參數，經過計算，得到表2中線路段管道壓力與放空時間的變化關系。

圖2 線路段放空示意圖

通過管道壓力與放空時間的變化關系可看出，計劃在第 1.5 h 開始放空，計算結果表明，線路段放空時間小于 5 h，滿足放空時間 12 h 要求，同時通過該方法可核算出放空立管的口徑是正確的。

表1 線路段參數表

表2 線路段管道壓力與放空時間計算結果表

3 站內緊急放空

站內緊急放空主要是輸氣站內發生緊急事故(如管道泄漏、發生火災等特殊工況)時利用緊急截斷閥(ESDV)自動執行處置操作的過程[23-25]。根據GB50251《輸氣管道工程設計規范》中的規定：“當站場出現事故需緊急放空時，應能滿足在 15 min 內將站內設備及管道內壓力從最初的壓力降到設計壓力的一半”，同時SH3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》對環境的相關規定，由HYSYS軟件進行瞬態模擬，實現對放空系統中放空量的計算及限流孔板尺寸的確定。

聯合被放空管道和容器(可簡化為與實際容積、內部表面積、金屬壁重量相等的一個容器)、節流閥進行模擬，根據減壓速率要求試算節流閥(在此認為限流孔板)的流通面積，若初選的限流孔板流通面積較小導致 15 min 無法將站內管道或容器的壓力降至設計壓力的50%，需擴大限流孔板尺寸直至滿足減壓速率的要求。

某輸氣站場設計壓力 6.3 MPa，最高操作壓力為 6.0 MPa，操作溫度為 20 ℃，輸氣總量為40×104m3/d，設置有1具放空立管。站內設置有ESD自動放空系統，ESD閥門至放空設施管道長度 100 m，站內管存的有效容積為 60 m3。請核算本工程ESD放空管網限流孔板口徑及放空量。

將站場ESD放空簡化為一個等容積的壓力容器(Vessel)，添加緊急泄放閥(VapourValve)，設定物流組分、壓力、溫度，緊急泄放閥的流道面積(即限流孔板)等參數，建立如下模型，如圖3所示。

圖3 站場緊急放空模型圖

圖4 壓力隨放空時間變化結果圖

通過圖4的壓力隨放空時間變化的結果圖和表3中的泄放數據，發現當時間為 900 s (15 min)時，壓力降至 0.52 MPa，滿足在 15 min 內將站內設備及管道內壓力從最初的壓力降到設計壓力的50%的要求，同時經過馬赫數的計算[26]，馬赫數小于0.5，符合對噪音控制的要求，因此該限流孔板的尺寸是合適的。

表3 泄放數據表

表3(續)

4 結論

本文系統地闡述了安全閥的選型與計算過程，同時利用TG NET軟件和HYSYS軟件模擬了線路段計劃性放空及站場緊急放空的動態過程，詳細地介紹了兩種軟件的操作步驟。研究表明，在長距離輸氣管道放空設計中，根據管道設計壓力、溫度、管徑等具體數據搭建基礎模型，通過計算的放空氣量、放空時間及泄放后的壓力等關鍵數據，為能解決長輸管道在放空過程遇到的實際問題做基礎，同時為指導運行管理和維搶修工作提供決策依據。