摘 要:分析輸氣管道放空過(guò)程,計算放空時(shí)間和放空氣量,以實(shí)際工程進(jìn)行驗證。
關(guān)鍵詞:輸氣管道; 放散; 放空時(shí)間; 放空氣量
Analysis of Emptying Process of Gas Transmission Pipeline
Abstract:The emptying process of gas transmission pipeline is analyzed.The emptying time and emptying volume are calculated and validated by a practical engineering.
Keywords:gas transmission pipeline;venting;emptying time;emptying volume
1 放空過(guò)程分析
設某一段管道長(cháng)L,管道容積為V,管道平均絕對壓力為p1,在管道上通過(guò)預留的放空管道,分析壓力降低至絕對壓力p2時(shí)所需要的放空時(shí)間及放空氣量。假設管道內天然氣溫度T保持不變。
當城市燃氣壓力在1.2MPa以下,燃氣溫度為常溫時(shí),燃氣可以看作理想氣體。根據質(zhì)量守恒列出微分方程[1]:
Vdr=-qmdt (1)
由氣體狀態(tài)方程得:
r=p/RcomT (2)
式中V——管段容積,m3
r——天然氣密度,kg/m3
qm——質(zhì)量流量,kg/s
t——放空時(shí)間,s
p——管內絕對壓力,Pa
Rcom——天然氣的氣體常數,J/(kg·K)
T——管道內天然氣的溫度,K
一般放空管段壓力都較高,可認為放空的全過(guò)程分為兩個(gè)狀態(tài),即:臨界狀態(tài)和亞臨界狀態(tài)。放空過(guò)程可以視為等溫絕熱過(guò)程,忽略放空管道摩擦阻力,根據氣體一元流動(dòng)歐拉運動(dòng)微分方程,氣體在不同流動(dòng)狀態(tài)下的質(zhì)量流量分別為[2]:
亞臨界狀態(tài)(pa/p>b):
式中pa——環(huán)境壓力,Pa
b——臨界壓力比
m——流量系數,可取0.90~0.98
d——放空管道內直徑,m
k——絕熱指數
pc——臨界壓力,Pa
k是溫度的函數,在常溫下k可近似當作定值,對于天然氣等由多原子分子組成的氣體,取1.29,臨界壓力比b=0.55。
1.2 放空參數計算
①放空時(shí)間
管道放空過(guò)程中,因初始壓力較高(高于臨界壓力),此時(shí)的放空狀態(tài)可視為臨界狀態(tài);隨著(zhù)管道內壓力的降低,管道放空進(jìn)入亞臨界狀態(tài)。管道總的放空時(shí)間應為兩個(gè)階段放空時(shí)間之和。
將式(2)代入式(1):
Vd(p/RcomT)=-qmdt (6)
將式(3)、(4)分別代入(6),得:
對式(7)、(8)分別進(jìn)行積分:
對式(9)、(10)進(jìn)行積分,可以得到放空時(shí)間計算公式:
式中t1——氣體流動(dòng)處于亞臨界狀態(tài)的放空時(shí)間,s
p2——放空后氣體的絕對壓力,Pa
t2——氣體流動(dòng)處于臨界狀態(tài)的放空時(shí)間,s
p1——放空前氣體的絕對壓力,Pa
對式(11)直接進(jìn)行積分計算難度較大,可以選擇利用Matlab編程的方式計算亞臨界狀態(tài)放空時(shí)間t1。
②放空氣量
放空前、后管道內天然氣絕對壓力為p1、p2,溫度為T保持不變,則放空氣量為:
式中Vt——標準狀態(tài)下放空氣量,m3
T0——標準狀態(tài)的溫度,K,取293K
p0——標準狀態(tài)的絕對壓力,Pa
2 管道放空工程案例
①施工工程量
a.某段DN 500mm管道遷改1.6km;
b.新增3個(gè)閥門(mén),公稱(chēng)直徑分別為450、300、200mm;
c.某段DN 300mm管道遷改13m。
②管道情況
該管道長(cháng)度為130.4km,其中DN 500mm管道6km,DN 450mm管道59.8km,DN 300mm管道64.6km。通過(guò)分析比較,適合放空的地點(diǎn)共有7個(gè)。
③放空前、后壓力和溫度
該管道運行壓力在2.5MPa左右,而且管徑較大,如果采用直接停氣放空的方式將造成能源浪費,對公司經(jīng)濟效益帶來(lái)重大影響。因此,通過(guò)倒換流程,將管道內天然氣盡可能提供給管道下游用戶(hù)使用。當管道內儲存的天然氣無(wú)法滿(mǎn)足下游用戶(hù)的需求(即管道內壓力無(wú)法繼續降低),即管道壓力降低到0.43MPa時(shí),只能采取放空的方式進(jìn)行天然氣排放。根據式(5),得出臨界絕對壓力為0.29MPa。放空后絕對壓力取0.1MPa。
放空前后管道內天然氣溫度均為283K。
④放空參數計算
在計算過(guò)程中,考慮到該管道共7個(gè)放空點(diǎn),每個(gè)放空點(diǎn)設DN 150mm的管道。7個(gè)放空點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行放空作業(yè),每個(gè)放空點(diǎn)放空結束后則關(guān)閉該放空閥門(mén),最終要保證全線(xiàn)每段管道放空完畢。由于最終放空時(shí)間應考慮管道標高對管道內氣體壓力造成的影響,為了研究方便,對該工程實(shí)例進(jìn)行簡(jiǎn)化,忽略各段管道間的高差,將該管道視為處于同一水平面上,則該管道各放空點(diǎn)的放空時(shí)間一致。在放空計算時(shí),壓力取該管段管道壓力的平均值[3-4]。
計算出放空時(shí)間為:
t1=7200s=2h,t2=11160s=3.1h。
總點(diǎn)放空時(shí)間為5.1h。
放空氣量為60000m3。
⑤誤差分析
該管道放空作業(yè)實(shí)際平均放空時(shí)間約5.5h,與計算值存在一定誤差,主要是由計算過(guò)程對該管道采用簡(jiǎn)化計算造成的。
參考文獻:
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本文作者:劉革偉 王興畏
作者單位:重慶燃氣集團股份有限公司
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