天然气输气管道放空时间的计算_吴渊

第 43 卷第 9 期
吴
渊，等：天然气输气管道放空时间的计算
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4 结
论
本文对目前常见的天然气放空管气体流动特性 进行研究， 并对放空时间的计算方法进行分析对比， 得出以下结论： （1） 天然气放空过程并非一个稳态过程， 其整 个放空过程从开始到结束共要经历三个阶段：超临 界状态、临界流动及亚音速流动。 （2） 目前常见的天然气放空计算方法有各自的 优缺点，在实际生产过程中，可根据现场需求情况 选择不同的计算方法进行计算。 （3） 由于天然气集输工程中， 出于对环境保护 和安全的考虑，放空管经常引出站外，距离主管线 几百米的空旷点，且设置有节流阀等过流部件及弯 头等。放空过程中这些管道、阀门、弯头的摩阻损
第 43 卷第 9 期 2014 年 9 月
辽 宁 化 工 Liaoning Chemical Industry
Vol.43，Βιβλιοθήκη Baiduo. 9 September，2014
天然气输气管道放空时间的计算
吴 渊，金 金
（陕西省天然气股份有限公司， 陕西 西安 710016）
摘
要：天然气放空是天然气长输管道运行单位生产过程中必不可少的一个环节。对天然气放空
Calculation of Gas Venting Time of Natural Gas Pipeline
WU Yuan，JIN Jin
（Shaanxi Provincial Natural Gas Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710016，China） Abstract: Natural gas venting is an essential part of long distance gas pipeline operation units in the production process. The precise quantification of the natural gas venting time is worthy of further study. In this paper, calculation methods of gas pipeline venting time were studied, the corresponding calculation formula was determined. The formula was applied to calculate venting operation of two valve chambers in a pipeline, calculated results could provide the theoretical basis for the production scheduling decision, gas regulation and reasonable construction organization. Key words: natural gas; long distance pipeline; natural gas venting; venting time; venting amount
3 临界流模型在计算中的应用
介于上述三种方法的优缺点，第一种临界流模 型计算方法较为简便，适用于实际生产中进行放空 时间的估算。下面将结合实际生产工况，对某段管 线中的两座阀室之间管道出现事故时，紧急状态下 的放空时间进行计算。 已知管线规格为φ426×7 mm，长度为 30 km， 管内压力为 3.5 MPa， 温度 17 ℃， 放空管规格φ108 ×6 mm， 阀门开启高与管径比 h/d=1.0， 现计算： （1） 把管线内天然气全部放空至与大气压力相等时的放 空时间。 （2）放空至管内压力为 1.5 MPa 时的放空 时间。利用第一种方法的计算公式算的结果为： （1） 经过计算把管内天然气全部放空只大气压 力相等时的放空时间 t1 =128 min。 （2） 放空至管内压力为 1.5 MPa 时的放空时间 t2 =50 min。
然后通过分别计算放空管中三种流态（超临界 流、临界流、亚音速流）下不同的瞬时放空量，最 终通过梯形法进行数值积分算得总的放空时间。这 种模型考虑了阀门及放空管路管壁粗糙度对气体流 动的阻碍作用。 其物理模型是一个完整的放空系统， 如图 3 所示。 目前，这三种计算方法在天然气放空计算中都 得到了广泛应用，但都有其适用的环境与条件。第
V t F M ZRT 2 Kg K 1
k 1 k 1
1 放空过程中气体流动的水力特性
相比场站工艺管道， 放空管道中气体流动的水力 特性具有极大的不同点： 一、放空管道较短，放空过程中压降极大； 二、 在短距离大压差的条件下， 管道内轴向天然 气的温度、密度、流速差异极大； 三、 天然气放空过程属于非稳定流动， 放空管道 中任一点的各流动参数均随时间变化。 放空过程分为三种状态： （1）壅塞流状态即超临界流，放空前期，放空 管道入口处压力很高，出口处压力远大于环境大气 压力，天然气在出口处达到临界流速（当地音速） 。 （2）临界流状态，随着放空继续，放空管道入 口压力和出口压力逐渐下降，出口压力恰好等于环 境大气压力，放空流速仍为临界流速，放空天然气 处于临界流状态。 （3）亚音速状态，随着放空继续，气体流动越
1 1 2 2 M ach1 M ach 2
而第二种方法由于考虑了阀门对放空过程中气 体流动的阻碍作用，因此计算出的放空时间将比第 一种方法更为准确，但由于未考虑放空管道的摩阻 作用，因此适用于新建管线试压的临时短管放空、 或某些长管线工程中阀室就地立管放空等这类放空 管路极短的情况。 而第三种方法建立的物理模型既考虑到气体由 滞止状态通过放空口绝热膨胀的过程，也考虑到阀 门、管件、管道对放空气体的摩阻影响，因此计算 结果较为接近实际放空时间。但由于其计算方法较 为复杂，需借用计算机程序编程或使用成熟的商业 软件进行模拟计算，因此适用于在工程设计时对放 空管路进行水力计算时运用。
收稿日期： 2014-03-06 作者简介： 吴渊(1987-)，男，助理工程师，毕业于西安石油大学油气储运工程专业，现从事天然气长输管道生产调度工作。
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一种方法计算过程简单，由于模型得到了简化，未 考虑阀门及放空管路的摩阻作用，因此计算出的放 空时间可能比实际放空时间短，其适用于紧急情况 例如事故状态下放空时间的计算。
对于天然气长输管道运行单位来说，在生产运 行过程中涉及到天然气放空的环节主要有输气场站 设备计划检修、维修放空（如压缩机检修、阀门更 换） 、场站排污放空、计划性改线碰口放空、新管道 投产置换放空及紧急性抢修放空等。而计划性改线 碰口放空与紧急性抢修放空相对于其他环节来说放 空量较大，且对周围环境影响大，因此有必要对这 两种放空作业过程中放空时间及放空量进行确定， 这对合理计划施工时间、有效组织事故抢修有着重 要意义，并且可以将对外部环境影响及放空损耗降 至最低。
时间进行精确量化是管道运行单位值得深入研究的问题。本文对管道内天然气放空时间的计算方法进 行研究，找出相应的计算公式。并将所得公式应用于某条管线两阀室间的放空作业，得出的结论对生 产调度决策，气量调配，合理计划施工时间，组织事故抢修，从理论上提供了依据。 关 键 词：天然气； 长输管道； 天然气放空； 放空时间； 放空量 中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2014）09-1207-03
Research on Ways to Remove Oxygen From Hot Water Boiler Feedwater
YANG Ji
（Shenyang City Huanggu District Heating Company, Liaoning Shenyang 110003，China） Abstract: The importance of removing oxygen from boiler and heating system feedwater was discussed, and common oxygen removal methods were analyzed and summarized. It’s pointed out that suitable oxygen removal method should be chosen combined with characteristics of various kinds of oxygen removal methods based on actual situation of the heating system. Key words: hot water boiler ; feed water; analysis; oxygen removal method
ln
P 1 P 2
式中：t —放空时间，s； V —放空管段容积，m3； M —放空气体的相对分子质量； R =848 kg·m/kg·k； K —绝热指数； F —放空阀全开时的截面积，m2； Z —压缩系数； μ —阀门开启度； P1，P2 —放空前后管线绝对压力，MPa； T —管线温度，K。
fL / d
0.5 1 1 0 .5( 1)M 2 2 M ach 2 ln ach1 1 0 .5( 1)M 2 M2 ach 2 ach1

式中： fL / d —放空管路的阻力因子;
—气体等熵指数；
M ach —马赫数。
该公式是基于放空全过程均为临界流来计算 的，未考虑亚音速流态。并且忽略放空管路了的摩 阻损失。其物理模型为主管道+出气口，未考虑放 空阀组和放空管路的摩阻影响。见图 1。 第二种是考虑放空阀摩阻损失的计算公式：
1 3 0.5 2 Zd 2 t 0.191974 P 1 G D LF /
（上接第 1199 页） 参考文献：
［1］程世庆.化学水处理设备与运行［M］.北京:中国电力出版社,2008． ［2］周英，赵欣刚.锅炉水处理实用技术［M］.北京:地震出版社,2002．
［3］李瑞扬,吕薇.锅炉水处理原理与设备［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学 出版社,2003． ［4］王鼎臣.水处理技术与工程实例［M］.北京.化学工业出版社,2008．
图 1 临界流计算的物理模型
该公式摘自美国天然气工程书籍，与第一种公 式相比，它增加了阀门阻力因子 F，考虑了阀门对 放空气体的阻流作用。若删去 F，不考虑阀门的影 响，则求得放空时间结果与第一种公式一致。其物 理模型见图 2 所示。
图 3 摩擦绝热一维流动模型
图 2 考虑放空阀摩阻影响的物理模型
第三种计算模型是将整个放空过程可视为可压 缩流体有摩擦绝热一维流动。为简化分析，将放空 考虑成理想气体在等截面水平放空管路中的流动。 建立理想气体在等截面水平管内有摩擦绝热一维流 动方程式（范诺方程） 。
失对气体流动的影响不容忽视，管道出口气流处于 亚音速状态的时间可能对整个放空时间的影响较 大，实际放空时间往往长达数小时，因此在需要对 放空时间进行精确计算时，应选择第三种压缩流体 有摩擦绝热一维流动模型进行编程计算，或采用较 为成熟的商业软件进行模拟计算。
参考文献：
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过临界状态，入口压力持续下降，出口压力仍为环 境大气压力，气体进入亚音速流动状态，直至放空 结束。
2 常见的几种放空时间计算方法
目前国内外关于放空时间计算方法较少，常见 的具有代表性的计算方法有三种。第一种是公式是 四川石油管理局勘察设计研究院及天津市建筑设计 院编制的《输气管线设计手册》中提出的临界流计 算模型：