集输站场放空管道低温工况探讨

陈俊文1佘洋1边云燕1祝疆1杜荟敏2
1.中国石油工程建设有限公司西南分公司
2.中国石油西南油气田公司输气管理处
摘要油气集输站场放空系统是站内设施的重要安全保障。

在事故情况下，站内高压气体必须 快速泄放。

放空管道材质主要参考放空过程中管道的温度进行确定。

为保证选材合理性与经济性，有
必要深入探讨放空工况下介质和管壁低温工况。

基于超压放空和紧急放空过程，结合工程热力学基本 规律，分析了放空过程管道温度的影响因素，借助商用软件O L G A探讨并模拟了某集气站放空管道的
温度变化规律。

结果表明，超压放空后管道温度与介质温度较为接近，但紧急放空后管道温度与介质温 度存在明显差异；紧急放空工况中，管道积存气体、管道热容等对管道低温具有一定抑制作用；动态模拟
为放空管道合理选材与降低成本提供了技术支持。

研究成果为集输站场放空管道精细化设计提供了一
定的参考与借鉴。

关键词集输站场压力泄放放空管道低温
中图分类号：丁E88 文献标志码：A D O I： 10. 3969/j.issn. 1007-3426. 2017. 03. 021
Discussion on the operation condition at low temperatures of vent line in gath
C h e n J u n w e n1,Y u Y a n g1,Bian Y u n y a n1,Z h u Jiang1,
D u H u i m i n2
1. China Petroleum E n gin eerin g 牔Construction C orpo ration, Southwest C om pany , C hengdu,
Sichuan, C h in a；2. Ges Transm ission M anagem ent D epartm en t, P eS oC h in a Southwest O il and
G asfield C om pany , C h en gd u, Sichu an, China
Abstract:丁he pressure relief system i s the key safety guarantee for o il-gas station.U n conditions,the high pressure m e d i u m m u s t be quickly relieved.丁he material o f ven determined by the pipeline temperature during relief.It s necessary to discuss the low temperature condition of the vent m e d i u m and vent llne,to ensure the rationality and e c o n o m y of the material
selection.In this paper,based on the over-pressure relief and emergency relief process,the influence on the vent lne temperature during relief w a s analyzed in combination with the basic law of
engineering t h e r m o d y n a m i c s，and the lowtem p e r a t u r e rule of vent lne w a s discussed and simulated with O L G A software.T h e results s h o w e d that the vent llne temperature w o u l d be close to the relief
m e d i u m temperature during over-pressure relief,but there w o u l d be significant temperature diference under emergency relief.T h e s torage gas and vent llne thermal capacity m a y have an inhibitory effect
on the low t emperature under emergency relief,and the dynamic simulation can provide technical
support on the rational material s e lection and cost reduction of vent llne.T h e study result will provide
reference for line design of vent line in the gathering station.
K e y w o r d s：gathering station,pressure relief,vent line，low temperature
基金项目：四川省科技厅资助项目“页岩气低成本地面集输工艺技术研究”（2016SZ0001)。

作者简介：陈俊文（1987 —），男，工程师，硕士 ,012年毕业于西南石油大学油气储运专业，现主要从事天然气储运研究与设计
工作。

E-mail ： chenjunw_sw@cnpc. com. cn
随着油气地面工程技术日益发展，在系统安全性 不断巩固的同时，对设备、管道经济性的要求逐步提 高。

通常采用超压放空和紧急放空对油气站场的设备 和管道进行保护[15]。

在集气站和处理厂中，按热辐射 距离和防火间距的要求，放空火炬距离主工艺设备相 对较远。

因此，合理的放空管道选材可在一定程度上 节约工程投资，而泄放过程中放空管道的低温工况则 是管道材质选择的主要参考。

泄放介质经过泄压元件 (安全阀或限流孔板）大幅降压后，可能出现较低的温 度，并通过与管道传热，影响管道温度。

目前，对放空 系统的研究已取得了较大的进展[M]，在放空管道选材 问题上也有所突破，但有关放空后低温介质对管道温 度的影响探讨还鲜有报道，尤其对于持续时间较短的 紧急放空过程，更值得深人探讨管道的极端低温问题，以合理评估管道实际温度。

因此，本文将深人研究典 型泄放工况下的管道温度变化规律，以期为放空管道 选材提供一■定参考。

本研究将基于放空系统不同特点，结合工程热力 学基本规律，分析放空过程中影响放空管道温度的因 素，并结合商用软件建立放空管道温度计算模型，模拟 并探讨某集气站放空管道的极端低温。

1泄放系统概述与特点
油气地面工程中为防止管道和设备超压，以及在 紧急工况下能够快速降低系统压力的要求，在站场内 (单井站、集气站)设置了超压和紧急两类放空系统。

超压放空系统常采用安全阀作为泄放元件，当管 道压力超过安全阀定压后，超压介质通过安全阀泄压 后进人放空管道。

在切断气源之前，一般认为超压介 质以持续的速率进行排放，其速率为气源产量，且泄放 时介质压力稳定（实际情况下，由于安全阀选型的影 响，上游压力可能发生周期性波动）。

紧急放空系统常采用限流孔板对站场管道和设备 中的高压介质进行降压排放，当启动紧急放空阀以后，密闭容器、管道中的高压气体在额定时间内被排放人 放空管道，其最大泄放量为阀门刚开启时孔板前后压 差最大时刻的流量，且泄放量和孔板前压力随泄放时 间延长而降低。

安全阀和限流孔板泄放均可视为绝热节流过程。

根据焦耳-汤姆逊定律，在常规集输系统的泄放条件下，节流前后压差越大，则介质的温度降也越高[10]。

对比超压放空和紧急放空时泄压元件上游压力和泄放 量特点可知，超压放空的介质在节流后将具有较为稳 定的低温参数；紧急放空的介质因为上游压力持续降 低，造成节流的温差减小，而上游温度一般变化不大，因此，在节流后一般呈现介质温度由低逐渐升高的趋 势。

以下进一步结合管道传热规律，探讨泄放系统的 放空管道低温问题。

2放空管道传热规律
在泄放过程中，流动介质、管道和外界环境构成热 力场。

由于放空介质与外界环境存在温度差，因此在 放空过程中，放空介质将与放空管道、管道外环境进行 热力交换。

传热过程主要包括以下3种类型[11]:
(1) 放空介质与管道内壁形成热对流，其传热力用内部放热系数表示。

(2) 管道径向方向导热，其传热能力用传热系数
表示。

(3) 管道外壁与环境的换热，其传热能力用外放热系数表示。

在上述过程中，从定性分析来看，由于天然气在管 道内的流态几乎处于紊态[12]，气体至管道内部的内部 放热系数很大，故在工程中可忽略内部放热系数对总 传热系数的影响[13];钢管的传热系数也相对较大，其 对总传热系数的影响也可忽略；而外部放热系数主要 考虑管道外壁与外界环境的热对流和热辐射，相对较 小，是影响放空管道总传热系数的主要因素。

由此可知，在放空介质-外部环境构成的温度场 中，温差主要体现在管道外壁温度与环境温度的差值 上；放空介质与管道内壁的温差很小。

这也说明，在相 对稳定传热的超压放空工况中，管道内壁温度可近似 视为介质温度。

对于紧急放空工况，其操作时间相对较短，放空介 质温度、流量等参数不断变化。

同时，在放空初始阶 段，放空介质与放空管道内积存气体混合后的温度对 管道内壁影响不可忽视，该过程示意简图如图1所示。

由图1可见，紧急放空下的介质进人放空管道后，迅速与管道中积存气体换热，这些积存气体在放空管 道中长时间停留，其温度接近环境温度。

一般情况下，
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
泄放时间/ m i n
图4紧急放空时泄放介质温度-时间图
Figure 4 Curve of vent me di um temperature-time under
emergency blowdown
u 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
泄放时间/m i n
图3紧急放空时质量流量-时间图
Figure 3 Curve of medium mas s flow-time under
emergency blowdown
气体，在15m i n 内将站内压力降至0. 69M P a 。

放空 管道管径为D N 150,露空敷设，长度约为150 m 。

场地 所在区域冬季极端气温为3 C 。

站内截断系统容积约 为7 m 3。

集气站放空系统主要流程如图2所示。

图2中绿色部分为泄放后介质流通的放空管道。

当紧急放空时，切断S D V -1和S D V -2,打开B D V ，站 内高压介质经限流孔板泄压后进人放空管道，并由火
炬焚烧。

通过前期模拟，泄放元件（限流孔板）出口处介质 流量、温度随泄放时间的变化曲线如图3、图4所示， 截断系统压力变化曲线如图5所示。

u 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
泄放时间/m i n
图5紧急放空时系统压力-时间图
Figure 5 Curve of upstream system pressure-time under
emergency blowdown
放空初始阶段的泄压介质温度远低于环境温度，因此 混合气体（泄放介质和积存气体）温度将高于泄压介 质。

同时，随着紧急放空的进行，上游介质压力逐渐降 低，造成泄压压差减小，泄放介质的温度可能继续上 升，因此，在持续时间较短的紧急放空过程中，管道内 实际介质的最低温度可能不同于泄压介质的最低温 度。

另外，在放空介质温度短时间变化过程中，钢材热 容对传热和管道温度也具有一定影响，故不能通过稳 定的放空介质-外部环境温度场来定性分析泄放介质 最低温度对管道最低温度的影响，需借助较为先进的 计算软件对管道低温情况进行模拟。

3
放空管道温度模拟
鉴于前述的紧急放空快速操作、介质温度变化等 特点，借助具有动态模拟功能的O L G A 软件对某集气 站放空管道内壁温度变化进行动态分析。

O L G A 是 一款油气集输工程中常用的管道介质模拟软件，适用 于集输管道的水力、热力计算[14]。

3.1 案例概述
某集气站设计压力为10 M P a ，操作温度为30 C ， 具备接收集气支线来气、测试分离并外输的功能，测试 分离器尺寸为D N 1 200X 5 000。

站场内部设计了紧 急放空系统，用于紧急工况下泄放站内设施内的积存
放空火炬
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在15 m i n的泄放时间内，站场设施内介质的最高 泄放速率为4 500 k g/h，最低泄放温度为一 29 C(限 流孔板后）。

由于上游压力不断降低，节流压差逐步减 小，导致泄放温度随泄放时间增大而有所升高，最后基 本与限流孔板上游介质温度一致。

见，若通过泄放介质最低温度判断管道温度，则可能带 来较大误差（约25 影响管道材料选择的经济性。

为进一步对比说明该问题，以紧急放空中最大泄 放量持续泄放来模拟超压放空的工况，放空管道人口 的温度模拟结果如图7所示。

3.2放空管道模拟与分析
3.2.1 温度
以15 m i n内放空介质的流量和温度为输人条件，利用O L G A软件模拟放空管道起点处（考虑为最极端 低温位置）的温度-时间变化情况，模拟结果见图6。

由图6可见，在开始紧急放空以前（第60 m n以前），放空管道内气体为静置状态，经过与外界充分换 热，气体温度、管道内壁温度、管道外壁温度和环境温 度几乎相等；开始泄放时（第60 m m)，大量低温气体 进人放空管道，与管道内气体混合并换热，因此管道内 实际气体温度有所下降（约一2 〇随着泄放进行，后 进人管道的低温泄放气体继续与放空管道内的气体换 热，直至达到最低温度（一4.5 〇随后，由于上游压 力降低，泄放后气体温度逐渐升高，放空管道内介质温 度持续增长；放空结束后，管道内介质温度逐渐趋于环 境温度。

同时，对于管壁温度而言，由于紧急放空持续时间 较短，而低温介质经过管道内积存气体换热后，再与管 壁换热，不仅需要足够长的时间建立稳定的温差场，而 且管道热容也影响了管道温度的变化速度。

因此，在 短时间的紧急放空中，虽然管壁温度的变化趋势基本 与放空介质一致，但变化幅度远低于放空介质，管道温 度与介质温度不能视为一致或视为接近一致。

由此可
100 120
由图7可见，在超压等量泄放开始阶段（60〜100 m m)管内介质温度、管道温度持续降低，约40 m m达 到平衡，这也说明管内积存气体对管道介质的温度下 降产生了一定的抑制作用。

同时，在该段时间内，也可 看到管道温度的降低速度低于介质温度，说明管材热 容具有减缓管道温度下降的作用。

另外，稳定流动后，介质温度约一27 C，管道内壁温度约一25 C，管道外 壁温度约一24.8 S C，说明露空管道的主要温度降发生 在管道外壁与大气的热辐射和对流换热过程中，这也 进一步说明了将全量、连续放空管道长度管道内壁温 度近似等同于介质温度的定性分析是合理的（见第2 节）。

从本节模拟来看，紧急放空系统由于放空速率快、介质物性变化较大，在放空初始阶段，虽然介质温度较 低，但与管道内积存气体换热后，混合介质温度明显升 高。

因此，实际接触管道的介质温度比泄放介质高；同时，在短时间低温后，放空介质温度随放空时间逐渐上 升，进一步减小了管道承受低温的可能；另外，在放空 前，管道已经与周围环境充分换热，钢管的热容延长了 管道降温的时间。

因此，紧急放空工况下，管道的最低 温度是不能视为等同于放空介质最低温度的。

与之相 比，由于超压放空持续时间长、泄压介质物性参数不随 放空时间而变化。

因此，在足够长时间的换热后，管道
的最低温度与介质的最低温度非常接近。

统中（例如处理厂放空系统)合理选择各类管材长度提 供了技术分析手段。

3.2.2 压力
在本算例的紧急放空过程中，放空管道压力沿程
模拟结果如图10所示。

0.10.
0. 05 ■
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
管道长度/m 1 bar = l 00 kPa
图10紧急放空时不同时刻放空管道沿程压降
Figure 10 Curves of pressure drop along vent line under
emergency blowdown
由图10可见，受紧急泄放过程的介质流量的变化 影响，在管道末点压力保持不变的情况下，管道起点压 力呈“先增大，后减小”的趋势，表示了放空中背压建
立、起点压力升高和衰竭的过程。

但总体来讲，放空管 道压力水平较低，这主要是放空管道管径选择稍显保 守所致。

同样地，对于超压放空情况，其模拟结果显示（见 图11)放空管道的压力变化也呈现“先增大，后减小” 的趋势，其起点压力降低的原因并非泄放介质流量降 低，而可理解为放空管道内泄放介质温度降低所致。

同时，根据紧急放空和超压放空的特点，进一步模 拟了两种工况下放空管道轴向的温降变化情况，模拟 结果如图8和图9所示。

p 0
M _r &貝5
-S ： -15
---介质温度(放空后第30 s )
—介质温度(放空后第120 s )•管道内壁温度(放空后第30 s )如-2 0
\
—管道内壁温度(放空后第120 s )
-25
.....................................................
_ 0 20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
管道长度/m
图8紧急放空时不同时刻放空管道沿程温降
Figure 8 Curves of temperature drop along vent line under
emergency blowdown
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
管道长度/m
1 bar=l00 kPa
图11超压放空时不同时刻放空管道沿程压降
Figure 11 Curves of pressure drop along vent line under
overpressure blowdown
由压力分布情况可见，泄压系统中压力水平普遍 较低，可为后续的“低温低应力分析”提供条件。

20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
管道长度/m
图9超压放空时不同时刻放空管道沿程温降
Figure 9 Curves of temperature drop along vent line under
overpressure blowdown
由图8可见，紧急放空下，放空介质在流动过程中
由于与放空管道内积存气体、管壁和环境进行换热，因 此管道沿线介质温度呈“前段陡增、后段平稳”的趋势， 且随放空时间延长，受进管介质温度升高的影响，管道 中相同位置的介质温度逐渐升高；由前所述，由于管道 内壁温度受介质换热、管材热容等因素影响，虽然在相 同时刻管道内壁沿程温度也呈“前段陡增、后段平稳” 的规律，但温度高于流动介质，且具有温降滞后性。

相比之下，由图9可见，在超压放空下，由于放空 介质温度与流量相对恒定。

因此，在一定放空时间后， 管道沿程温度趋于稳定，但受沿程与环境换热的影响， 整体呈“缓慢升高”的趋势。

管道轴向温度模拟表明，紧急放空过程中管道轴 向温度受放空特征的影响，虽然与超压放空管道呈现 了一致的“前低后平”趋势，但温度降低情况明显优于 超压放空管道。

这种轴向动态分析也为大规模放空系
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4放空管道最低温度设计思路
放空管道的最低温度确定将直接影响放空管道的 选材问题，而放空管道温度与放空介质温度之间的关 系应由具体工况进行具体分析。

由前文研究可知，对于紧急放空工况，模拟计算的 泄放介质温度与管道内壁温度之间差距较为明显，若 按照泄放最低温度确定管道的最低设计温度较为保 守，可能造成选材浪费。

准确确定紧急放空系统的放 空管道最低温度应利用先进的模拟软件，动态分析放 空时间内管道积存气体、管道泄放气体、管道热容、极 端环境温度等综合作用下的管道内壁温度，以此作为 选材依据。

对于全量放空管道，泄放介质的最低温度与管道 的最低温度非常接近，可以按照介质的最低温度（若此 温度低于最低环境温度)确定管道的最低设计温度。

另外，无论紧急放空管道还是超压放空管道，沿管 道轴向的温度变化基本是趋于逼近环境温度的，但其 逼近程度需通过计算软件深人分析，这也应该作为管 道分段选材的一种研究方向。

5结论与建议
本文基于放空系统特点，结合工程热力学基本规 律，分析放空过程中影响管道温度的因素，并结合商用 软件建立放空管道温度计算模型，探讨并模拟某集气 站放空管道的极端低温，得出如下结论。

(1)超压放空管道放空持续时间相对较长，管道 最低温度可近似等同于放空介质的最低温度。

(2 )紧急放空管道放空持续时间短，泄放介质物 性参数不断变化，管道最低温度与放空介质的最低温 度具有明显差别，应借助计算软件详细分析。

(3)放空管道轴向温度变化对于分段选材也有影 响，应结合实例进一步研究。

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收稿日期：2016-08-23;编辑：钟国利。