限流孔板孔徑計算優化

黃翼翔 陳俊文 陳慶（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司）

一、前言

隨著天然氣開發技術的發展， 高壓生產系統已逐漸成為天然氣站場的主要特征[1,2,3]。 高壓系統決定了有限的系統容積內，將存在更大的天然氣體積。 在下游故障或站場發生火災時，必須采取及時的放空措施，以保證站場或集氣站安全，防止進一步的破壞和損失。 限流孔板作為天然氣放空系統的壓力等級控制元件，逐漸受到國內外天然氣站場設計的重視。 其穩定的泄放速度、固定的流通面積，對放空系統的平穩運行起到了關鍵的作用。SY /T 10043[4]明確要求“在設備的尺寸及其容量很重要的地方, 在控制火災處 另一種選擇是對所有處理輕烴的設備在15 min 內進行降壓, 并設定降壓速率, 把壓力降到690 kPa·g 或降到容器設計壓力的50%（取其中的較低的壓力）”因此，準確的限流孔板孔徑計算，對放空系統設計、站場安全運行保障，意義重大。 本文將對目前使用的限流孔板計算方法進行優化，提高其計算精度，為天然氣設計人員提供可靠的計算工具。

二、限流孔板工作機理

限流元件設置在管道中， 用于限制流體的流量或降低流體的壓力[5]。 天然氣站場放空系統中廣泛使用限流孔板，保證泄放工況平穩、泄放時間精準。 限流孔板主要形式如圖1 所示。

限流孔板工作機理可簡述為：當孔板前后存在一定壓差，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。 但當壓差超過某一數值（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而不再增加。限流孔板就是根據這一原理來限定流體的流量和降低壓力的。

由此可見，限流孔板可有效地調節放空系統壓力，控制泄放量。

三、常用限流孔板計算公式

（1）Gas Conditioning and processing 計算方法[6]

計算公式如下：

式中，

t—— 放空時間，s

B—— 系數，取0.09

V—— 系統容積，m3

Cd—— 泄放系數，0.85；

Av—— 泄放閥泄放面積，m2

Rd—— 氣體比重；

Z—— 氣體壓縮因子；

T—— 操作溫度，K；

P1—— 泄放前壓力，kPa.a；

P2—— 泄放后壓力，kPa.a。

該公式通過確定泄放體積和泄放介質， 可以估算設定孔板尺寸下的泄放時間。 然而，該公式忽略了定容泄放下，溫度將隨泄放時間增加而降低的規律；同時，限流孔板不僅可以用于定容泄放，也可以存在于安全閥旁通，作為檢修放空限流使用，因此，該公式存在局限性。

（2）HG/T 20570.15-95 氣體、蒸汽單孔孔板計算[7]

計算公式如下：

式中，

W—— 流體的質量流量，kg/h；

C—— 孔板流量系數；

d—— 孔板孔徑，m；

D—— 管道內徑；

Z—— 氣體壓縮因子；

P1—— 泄放前壓力，Pa.a；

P2—— 泄放后壓力或臨界限流壓力（取較大值），Pa.a。

M—— 分子量。

Z—— 壓縮系數；

T——孔板前流體溫度，K；

K——絕熱指數

該公式提供了一種計算限流孔板尺寸的方法， 但其要求限流孔板的前后壓力差不能大于臨界壓力差， 即限流降壓過程需設置多級孔板，這與天然氣站場限流孔板要求存在差別，故不適用于本文所述工況。

（3）《煉油裝置工藝管道安裝設計手冊下冊》孔板計算[5]

計算公式如下：

式中，

q—— 流體的質量流量，kg/h；

α—— 流量系數；

ε—— 膨脹系數；

d—— 銳孔直徑；

ρ—— 操作條件下流體重度，kg/m3；

△P—— 孔板前后壓力降，kgf/cm2

該公式通過輸入泄放流量、物流密度和前后壓差，可以確定限流孔板孔徑。 相比方法（1），該公式不僅可以計算定容放空時最大泄放量對應的孔徑， 也可以計算定量放空時， 泄放流通面積。 因此，推薦該式作為天然氣站場流體泄放所用限流孔板的計算方法。

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四、計算與分析

本文將借助四川金秋氣田和國外某氣田的的天然氣組分，通過人為設定放空工況，計算限流孔板所需流通面積。 計算結果將于HYSYS V7.2 所得結果進行對比，并利用數學方法優化。

以下7 種工況為BDV 放空計算工況， 要求系統壓力在15 min 內降至0.69 MPa。 具體工況列于表1：

由于泄放介質均為天然氣， 因此流量系數α 和膨脹系數ε分別取值0.519 和1。

根據輸入結果，利用公式（3）和HYSYS V7.2 計算滿足工況條件的限流孔板尺寸，其計算結果列于表2。

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由此可見，實際計算的孔板孔徑與HYSYS 相同工況的模擬結果存在一些差別。 其原因主要包括：1）公式（3）為經驗公式，其部分參數的確定可能存在問題；2）HYSYS 模擬基于動力學和熱力學理論，其計算公式極為復雜，因此精度相對較高；3）實際放空氣體包含氣－水兩相，HYSYS 可以通過大量變量參數解析兩相組成，而公式（3）較為簡單和快捷，并未過多考慮兩相關系。

然而，從計算結果對比也可看出，兩種方法差別不大。 公式（3）計算方便，所需參數易得，而HYSYS 計算過程較為耗時。 因此，如果可引入修正系數，將公式（3）進行優化，進一步提高其預測精度，則其在實際工程中，具備快速評價和計算的條件。

五、公式優化

根據表2 所列結果，可將實際計算值和HYSYS 計算值進行對比，探尋其內在聯系（圖3）。

由此可見，計算孔徑與模擬孔徑幾乎線性相關，這也為優化經驗公式（3）提供了可能。 根據線性擬合結果，計算孔徑和模擬孔徑存在以下關系：

式中，

dsim——模擬孔徑，mm

dcal——計算孔徑，mm

6.案例檢驗

四川F 區塊的氣田開發工程中， 也存在限流孔板計算與選型。 該區塊中限流孔板計算工況如下（表3）：

根據修正公式， 可計算其對應工況下限流孔板尺寸， 同時HYSYS 也提供了計算結果。 根據結果，對比分析其絕對誤差（表5）。

由此可見，修正以后的計算公式，其計算結果與HYSYS 模擬結果非常接近。 這進一步證實了修正公式的可靠性。

六、結論

通過分析限流孔板計算公式適用范圍， 選定了符合氣田開發中井場與集氣站的限流孔板計算方法。 通過與HYSYS 模擬結果對比，分析誤差產生原因，引入修正因子并優化了經驗公式。優化后的經驗公式， 其計算結果與軟件模擬誤差在1%左右，證實了其可靠性，為設計人員選擇限流孔板，提供了快速且有效的計算工具。

[1] 王天祥, 朱忠謙, 李汝勇, 陳朝暉, 吳 震. 大型整裝異常高壓氣田開發初期開采技術研究——以克拉2 氣田為例[J]. 天然氣與地球科學, 2006, 17(4)∶439－444.

[2] 余洋, 黃靜, 陳杰, 昝林峰. 天然氣站場放空系統有關標準的解讀及應用[J]. 天然氣與石油, 2011, 29(5)∶11－14.

[3] 劉熔, 李峰, 盛炳林. 天然氣凈化廠超壓自動放空系統設置[J]. 天然氣與石油, 2006, 24(5)∶37－40.

[4] SY/T 10043, 泄壓和減壓系統指南[S].

[5] HG/T 20570.15－1995, 管路限流孔板的設置[S].

[6] Campbell JM. Gas Conditioning and Processing (Volume2)[M] . 7th edition, USA∶Campbell publishing series, 2004∶28－29.

[7] 煉油裝置工藝管道安裝設計手冊下冊[M]. 石油工業出版社, 1976∶7－8.