摘  要：高壓天然氣管道放空過程產(chǎn)生的低溫和噪聲對管道本身安全和周圍環(huán)境有很大的危害，利用TGNET軟件建立高壓天然氣管道放空管路模型，模擬計算放空過程(放空閥全開、逐步開啟2種工況)，分析控制溫度、噪聲的方法。

關(guān)鍵詞；高壓天然氣管道；放空管路；TGNET軟件；動態(tài)模擬；溫度控制；噪聲控制

Simulation Analysis on Emptying of Natural Gas Pipeline

Abstract: Low temperature and loud noise gen-erated from emptying of high--pressure natural gas pipe—-line can endanger the pipeline and surrounding envi—ronment．A model for emptying high—pressure naturalgas pipeline is set up by TGNET software to simulatethe emptying process(full opening and gradual open—ing of purge valve)and analyze methods of controllingtemperature and noise．

Key words: high—pressure natural gas pipeline；emptying pipe；TGNET software；dynamic simulation；temperature control；noise control

1  概述

    隨著我國天然氣行業(yè)的迅速發(fā)展，高壓力、大口徑管道成為天然氣管道的發(fā)展趨勢，社會對其安全性、環(huán)保性、高效性提出了更高的要求。作為高壓天然氣安全泄放措施之一的放空管路的設(shè)計，成為該行業(yè)人員非常關(guān)注的問題。由于放空過程屬非穩(wěn)定流動，其工況模擬和設(shè)計計算較復(fù)雜，本文根據(jù)高壓天然氣管道放空過程的特點，采用英國ESI公司開發(fā)的PipeLineStudio for Gas(TGNET)軟件建立高壓天然氣管道放空管路模型，對放空管路進(jìn)行動態(tài)模擬分析。

2  高壓天然氣管道放空管路的組成及特點

GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》3．4．1條和3．4．2條規(guī)定，輸氣站應(yīng)在進(jìn)站截斷閥上游和出站截斷閥下游以及輸氣干線截斷閥上下游均設(shè)置泄壓放空設(shè)施，在緊急情況下使管段盡快放空。

放空管路主要由放空閥、放空管道、放空立管組成，見圖l。

    當(dāng)高壓天然氣管道某一點出現(xiàn)事故需要緊急放空時，關(guān)閉事故點兩側(cè)的干管閥，打開放空閥將兩干管閥之間的天然氣放空。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在工質(zhì)流出設(shè)備的開口系統(tǒng)中，存在以下關(guān)系式：

Q=dH+(mv²)+W             (1)

式中Q——向系統(tǒng)輸入或輸出的熱量，J

    dH——流體焓的增量，J

    m——流體質(zhì)量，kg

    v——流體速度，m／s

    d(mv²)——流體動能的增量，J

    W——向外輸出機械功，J

    在放空瞬間，天然氣管道來不及與周圍進(jìn)行熱交換或熱交換量很小，放空天然氣未對外做功，因此Q=0，W=0。則式(1)簡化為式(2)：

    dH+d(mv²)=0              (2)

    根據(jù)式(2)，放空瞬間，由于干線管道內(nèi)壓力與環(huán)境壓力(即大氣壓力)的差值大，放窄初期放空流量大，管道內(nèi)天然氣瞬間膨脹成高速氣流，天然氣的焓轉(zhuǎn)化成動能，天然氣溫度急劇降低，可以達(dá)到-20℃以下，低于碳素鋼(高壓天然氣管道的材質(zhì)為碳素鋼)的最低工作溫度。

   當(dāng)天然氣流過放空閥時，由于焦耳一湯姆遜效應(yīng)(即截流效應(yīng))，天然氣溫度將進(jìn)一步下降。焦耳一湯姆遜效應(yīng)溫降見式(3)。

    △t=j△p，              (3)

式中△t——天然氣流過放空閥的溫降，℃

    j——焦耳一湯姆遜效應(yīng)系數(shù)，℃／MPa

    △P——放空閥的節(jié)流壓力降，MPa

根據(jù)以上分析可知，高壓天然氣放空過程會產(chǎn)生低溫和巨大的噪聲，對管道本身安全和周圍環(huán)境有很大的危害。在已出版的天然氣工程資料中，關(guān)于放空管路計算的論述較少。文獻(xiàn)[1]～[3]對放空過程不同程度地進(jìn)行了簡化，假定了一些邊界條件，其計算結(jié)果與實際放空過程有差異。

因此，需要借助計算機模擬軟件建立放空模型，進(jìn)行動態(tài)模擬，計算整個放空過程，分析溫度、壓力及流體流速的變化過程。TGNET軟件是輸氣管道離線模擬軟件，能夠?qū)敋夤艿乐械膯蜗嗔鬟M(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬，對輸氣管道的各種工況進(jìn)行分析、測試，評價輸氣管道的設(shè)計或操作參數(shù)的設(shè)置，最終獲得優(yōu)化的系統(tǒng)性能，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用TGNET軟件建立高壓天然氣管道放空管路模型，對放空管路進(jìn)行多工況模擬計算，分析控制溫度變化和降低噪聲的方法。

3  高壓天然氣管道放空管路模型分析實例

放空管路模型平面見圖2。已知：2個截斷閥門間為長16 km的ø813×13的輸氣干管，流量為2 476 m³／h，該段干管起點壓力為6．4 MPa，天然氣相對密度為0．6，溫度為20℃，現(xiàn)需全部放空。Ø323.9×7.1的放空管路長200 m，管路中有DN 300mm的球閥(全開)和放空閥各1個，長半徑90。彎頭5個。計算該管道放空時間、溫度、壓力、流量、流速等參數(shù)。采用TGNET軟件中的泄漏點模擬放空口，建立放空模型，計算兩個工況：放空閥全開、逐步開啟放窄閥。

  ①放空閥全開

  根據(jù)放空模型，建立動態(tài)腳本文件(球閥、90^o彎頭局部阻力按當(dāng)量長度計算)。在0時刻截斷閥門1和截斷閥門2關(guān)閉、放空閥全開，放空口直徑為300 mm，計算3 h的放空狀態(tài)，計算結(jié)果見表l。

    由表l可知，16 km天然氣管道(￠813×13，6．4MPa)放空時間約為2．5 h。由于放空瞬時流量太大，放空閥前(即輸氣干管)溫度降到了-51．44℃，大大低于碳素鋼的最低工作溫度(-20℃)，低于輸氣干管的最低工作溫度，對輸氣干管十分不利。另外，放空流量大、速度快，距離放空口30 m處噪聲達(dá)到130 dB以上，超出SH／T 3146—2004《石油化工噪聲控制設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。

  ②逐步開啟放空閥

   根據(jù)放空模型，建立動態(tài)腳本文件。在0時刻截斷閥門l和截斷閥門2關(guān)閉，逐步開啟放空閥，放空口直徑為300 mm。動態(tài)腳本文件見表2。輸入表2的動態(tài)腳本文件，進(jìn)行動態(tài)計算，計算結(jié)果見表3。

    由表3可知，逐步開啟放空閥，16 km天然氣管道(Ø813×13，6．4 MPa)放空時間約9．1 h。由于逐步開啟放空閥，放空瞬時流量相對較小，放空閥前(即輸氣干管)溫度只降到了-10．17℃，高于碳素鋼的最低工作溫度(-20℃)，處于輸氣干管正常工作溫度范圍內(nèi)，放空過程對輸氣干管無影響。另外，放空量小、速度較慢，距離放空口30m處噪聲在110dB以下，基本符合SH／T 3146—2004《石油化工噪聲控制設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。

根據(jù)表1，高壓天然氣放空流量太大時，會造成天然氣干管處于低溫狀態(tài)，并在放空口產(chǎn)生巨大的噪聲，因此應(yīng)控制放空速度，在放空管上設(shè)置具有節(jié)流功能的放空閥，并在放空閥前設(shè)置溫度計，將放空閥前溫度(即干管溫度)控制在-20℃以上，同時選取合適的放空管管徑，將放空管出口流速控制在200 m／s以下。根據(jù)表3，即使控制放空速度，放空閥后溫度還是低于-20℃，因此放空閥后的放空管應(yīng)選取耐低溫合金鋼管。

4  結(jié)論

  ①在高壓天然氣管道放空過程中，放空速度趲陜，溫降越大，噪聲越大，故需控制放空速度，逐步開啟放空閥，以控制放空閥前的溫度及放空噪聲。

   ②在放空管上設(shè)置具有節(jié)流功能的放空閥，并在閥前設(shè)置溫度計，控制放空速度并防止放空閥前溫度低于干管最低工作溫度，放空閥材質(zhì)應(yīng)耐低溫。

  ③放空管采用耐低溫合金鋼管，其使用溫度應(yīng)低于放空閥后溫度。

   ④在高壓天然氣管道放空系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)管道設(shè)計壓力、管徑、干管閥間距等數(shù)據(jù)建立計算模型，模擬計算放空時間、溫度降、放空流速等參數(shù)，為設(shè)計、運營管理、維搶修提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]  葉學(xué)禮．天然氣放空管路水力計算[J]．天然氣工業(yè)，1999，19(3)：77-81．

[2]  孫吉民．對管線內(nèi)天然氣放空時間及放空量的探討[J]．石油化工應(yīng)用，2005(4)：18-20．

[3]  蘇杰飛．天然氣管道放散時間的研究[J]．上海煤氣，2006(2)：1-4．

本文作者：喬正凡  郭啟華 安建鋒

作者單位：中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 荊州市天然氣發(fā)展有限責(zé)任公司