天然氣輸氣管道放空時間的計算

徐東旭 (中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

天然氣輸氣管道放空時間的計算

徐東旭 (中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

在天然氣輸氣管道的日常運行過程中，天然氣放空是一個不容忽視的環節。精確量化放空時間，是輸氣管道運行單位目前亟需解決的重要問題。本篇論文針對天然氣輸氣管道放空時間這一研究命題，對幾種計算方法進行了分析與研究，旨在找出最合理的放空時間計算方法，為準確生產調度決策、科學計劃施工時間、科學氣量調配以及有效組織事故搶修等提供可參考的理論依據。

天然氣；輸氣管道；放空時間；計算

在天然氣輸氣管道的日常生產運行中，輸氣場站設備維修或計劃檢修、排污、緊急性搶修、新管道投產置換以及計劃性改線碰口等環節，均會涉及到天然氣放空。相比較于其他環節來說，緊急性搶修、計劃性改線碰口環節的天然氣放空對周圍生態環境的影響比較大，且放空量也比較大，所以，在兩個環節的天然氣放空作業中，需準確確定放空量、放空時間，以便于在有效組織事故搶修、科學計劃施工時間的同時，降低放空損耗以及對外部環境的影響。

1 放空時間的幾種計算方法

就目前來說，在放空時間的計算上較為常見的、有代表性的方法主要有3種。第1種是天津建筑設計院、四川石油管理局所設計的臨界流計算模型，如下所示：

上述式中，t代表的是放空時間，單位是s；V代表的是放空管段的容積，單位是m3；μ代表的是閥門的開啟度；M代表的是放空氣體的相對分子質量；K代表的是絕熱指數；F代表的是放空閥全開狀態下的截面積，單位是m2；R為848 kg.m（或kg.k）；Z代表的是壓縮系數；T代表的是管線溫度，單位是K；P1代表的是放空前管線的絕對壓力，P2代表的是放空后管線的絕對壓力，單位是MPa。

上述公式是在設定整個放空過程為臨界流的基礎上對放空時間進行計算的，忽略了亞音速流態、放空管路與放空閥組的摩阻損失。

第2種是美國的一種放空時間計算方法，將放空閥摩阻損失考慮在內的一種方法，如下所示：

與式（1）相比，式（2）增加了F，F代表是閥門阻力因子，即閥門對放空氣體的阻流作用[1]。如果刪去F，則計算出來的放空時間與式（1）相同。

第3種計算方法是在將放空全過程當作可壓縮流體的有摩擦、絕熱、一維流動的基礎上，為進一步簡化計算，從而將放空看做是理想氣體在等截面水平的放空管路之內進行流動。計算公式即范諾方程如下：

上述式中，fL/d代表的是放空管路的阻力因子、y代表的是氣體等熵指數、Mach代表的是馬赫數。

第3種計算方法通過分別對放空管中亞音速流、臨界流、超臨界流三種流態下的瞬時放空量進行計算，再利用“梯形法”進行數值積分，從而得出了放空總時間，且考慮到了管壁粗糙度、閥門對氣體流動的摩阻。

2 3種計算方法的適用條件分析

就目前來說，上述3種計算方法均在實際的放空計算中有著廣泛的應用，且適用條件、環境有很大的不同。首先，對于第1種計算方法來說，由于其計算過程比較簡單，且忽略了亞音速流態、放空管路與放空閥的摩阻損失，所以利用該種計算方法得出的放空時間，與實際放空時間相比，有可能較短，因此，該種計算方法比較適合緊急情況下的放空時間計算，像事故狀態等。其次，對于第2種計算方法來說，由于其考慮到了閥門對放空氣體的阻流作用，所以利用該種計算方法得出的放空時間比利用第1種計算方法得出的放空時間準確度更高；但是，因為其沒有考慮到放空管道管壁粗糙度對氣體流動的摩阻作用，所以該種計算方法比較適合對放空管路非常短的放空時間進行計算。最后，對于第3種計算方法來說，由于其充分考慮到了管道、管件、閥門對氣體流動的摩阻作用以及由滯止狀態下的氣體通過放空口時的絕熱、膨脹，所以，利用該種計算方法得出的放空時間與實際放空時間比較接近；但是，因為這種計算方法非常復雜，一般需要使用較為完善的商業軟件或計算機編程程序進行模擬計算，所以，該種計算方法比較適合工程設計階段放空管路的水力計算。

3 臨界流計算模型的實踐運用

對上述3種計算方法的優勢、缺點進行分析，可以看出，第1種計算方法比較簡單、方便，比較適合對放空時間進行估算。結合實際工況，利用該種計算方法對緊急情況下的放空時間進行計算。

具體情況如下：輸氣管道中的某段管線，兩閥室間的管道出現了事故。管線溫度為17℃；管線長30km；管道φ426×7mm；管內壓力3.5MPa；放空管φ108×6mm；閥門開啟狀態下，高/管徑=1.0。

計算得出：①將管線內的所有天然氣放空直至其等同于大氣壓，這一階段的放空時間為128分鐘；②放空管內的天然氣，直至管內壓力=1.5MPa，這一階段的放空時間為50分鐘。

4 結語

綜上所述，本文主要對放空時間的3種較為常見的、有代表性的計算方法進行了分析與研究，找出了其各自的適用條件、適用環境；并結合一事故案例，利用臨界流計算模型對兩個條件的放空時間進行了計算。在實際對放空時間進行計算過程中，需要結合實際生產工況，選擇最適合的放空時間計算方法。

[1]劉英男,張鑫,單魯維.基于特征線法的天然氣管道放空時間的計算[J].油氣儲運,2014,12:1338-1342.

[2]謝躍輝,吳東容.長距離輸氣管道放空時間計算方法研究[J].化學工程與裝備,2015,02:128-130.

[3]趙晉云,周興濤,劉冰,鄭娟,馬偉平.國內外輸氣管道放空系統設計標準分析[J].油氣儲運,2013,03:274-278.

徐東旭（1983-），男遼寧朝陽人工程師本科主要從事油氣田地面工程設計工作