天然气输气管道放空时间的计算

徐东旭 (中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 124010)

天然气输气管道放空时间的计算

徐东旭 (中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 124010)

在天然气输气管道的日常运行过程中，天然气放空是一个不容忽视的环节。精确量化放空时间，是输气管道运行单位目前亟需解决的重要问题。本篇论文针对天然气输气管道放空时间这一研究命题，对几种计算方法进行了分析与研究，旨在找出最合理的放空时间计算方法，为准确生产调度决策、科学计划施工时间、科学气量调配以及有效组织事故抢修等提供可参考的理论依据。

天然气；输气管道；放空时间；计算

在天然气输气管道的日常生产运行中，输气场站设备维修或计划检修、排污、紧急性抢修、新管道投产置换以及计划性改线碰口等环节，均会涉及到天然气放空。相比较于其他环节来说，紧急性抢修、计划性改线碰口环节的天然气放空对周围生态环境的影响比较大，且放空量也比较大，所以，在两个环节的天然气放空作业中，需准确确定放空量、放空时间，以便于在有效组织事故抢修、科学计划施工时间的同时，降低放空损耗以及对外部环境的影响。

1 放空时间的几种计算方法

就目前来说，在放空时间的计算上较为常见的、有代表性的方法主要有3种。第1种是天津建筑设计院、四川石油管理局所设计的临界流计算模型，如下所示：

上述式中，t代表的是放空时间，单位是s；V代表的是放空管段的容积，单位是m3；μ代表的是阀门的开启度；M代表的是放空气体的相对分子质量；K代表的是绝热指数；F代表的是放空阀全开状态下的截面积，单位是m2；R为848 kg.m（或kg.k）；Z代表的是压缩系数；T代表的是管线温度，单位是K；P1代表的是放空前管线的绝对压力，P2代表的是放空后管线的绝对压力，单位是MPa。

上述公式是在设定整个放空过程为临界流的基础上对放空时间进行计算的，忽略了亚音速流态、放空管路与放空阀组的摩阻损失。

第2种是美国的一种放空时间计算方法，将放空阀摩阻损失考虑在内的一种方法，如下所示：

与式（1）相比，式（2）增加了F，F代表是阀门阻力因子，即阀门对放空气体的阻流作用[1]。如果删去F，则计算出来的放空时间与式（1）相同。

第3种计算方法是在将放空全过程当作可压缩流体的有摩擦、绝热、一维流动的基础上，为进一步简化计算，从而将放空看做是理想气体在等截面水平的放空管路之内进行流动。计算公式即范诺方程如下：

上述式中，fL/d代表的是放空管路的阻力因子、y代表的是气体等熵指数、Mach代表的是马赫数。

第3种计算方法通过分别对放空管中亚音速流、临界流、超临界流三种流态下的瞬时放空量进行计算，再利用“梯形法”进行数值积分，从而得出了放空总时间，且考虑到了管壁粗糙度、阀门对气体流动的摩阻。

2 3种计算方法的适用条件分析

就目前来说，上述3种计算方法均在实际的放空计算中有着广泛的应用，且适用条件、环境有很大的不同。首先，对于第1种计算方法来说，由于其计算过程比较简单，且忽略了亚音速流态、放空管路与放空阀的摩阻损失，所以利用该种计算方法得出的放空时间，与实际放空时间相比，有可能较短，因此，该种计算方法比较适合紧急情况下的放空时间计算，像事故状态等。其次，对于第2种计算方法来说，由于其考虑到了阀门对放空气体的阻流作用，所以利用该种计算方法得出的放空时间比利用第1种计算方法得出的放空时间准确度更高；但是，因为其没有考虑到放空管道管壁粗糙度对气体流动的摩阻作用，所以该种计算方法比较适合对放空管路非常短的放空时间进行计算。最后，对于第3种计算方法来说，由于其充分考虑到了管道、管件、阀门对气体流动的摩阻作用以及由滞止状态下的气体通过放空口时的绝热、膨胀，所以，利用该种计算方法得出的放空时间与实际放空时间比较接近；但是，因为这种计算方法非常复杂，一般需要使用较为完善的商业软件或计算机编程程序进行模拟计算，所以，该种计算方法比较适合工程设计阶段放空管路的水力计算。

3 临界流计算模型的实践运用

对上述3种计算方法的优势、缺点进行分析，可以看出，第1种计算方法比较简单、方便，比较适合对放空时间进行估算。结合实际工况，利用该种计算方法对紧急情况下的放空时间进行计算。

具体情况如下：输气管道中的某段管线，两阀室间的管道出现了事故。管线温度为17℃；管线长30km；管道φ426×7mm；管内压力3.5MPa；放空管φ108×6mm；阀门开启状态下，高/管径=1.0。

计算得出：①将管线内的所有天然气放空直至其等同于大气压，这一阶段的放空时间为128分钟；②放空管内的天然气，直至管内压力=1.5MPa，这一阶段的放空时间为50分钟。

4 结语

综上所述，本文主要对放空时间的3种较为常见的、有代表性的计算方法进行了分析与研究，找出了其各自的适用条件、适用环境；并结合一事故案例，利用临界流计算模型对两个条件的放空时间进行了计算。在实际对放空时间进行计算过程中，需要结合实际生产工况，选择最适合的放空时间计算方法。

[1]刘英男,张鑫,单鲁维.基于特征线法的天然气管道放空时间的计算[J].油气储运,2014,12:1338-1342.

[2]谢跃辉,吴东容.长距离输气管道放空时间计算方法研究[J].化学工程与装备,2015,02:128-130.

[3]赵晋云,周兴涛,刘冰,郑娟,马伟平.国内外输气管道放空系统设计标准分析[J].油气储运,2013,03:274-278.

徐东旭（1983-），男辽宁朝阳人工程师本科主要从事油气田地面工程设计工作