限流孔板孔徑計(jì)算優(yōu)化

黃翼翔 陳俊文 陳慶（中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司）

一、前言

隨著天然氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展， 高壓生產(chǎn)系統(tǒng)已逐漸成為天然氣站場(chǎng)的主要特征[1,2,3]。 高壓系統(tǒng)決定了有限的系統(tǒng)容積內(nèi)，將存在更大的天然氣體積。 在下游故障或站場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，必須采取及時(shí)的放空措施，以保證站場(chǎng)或集氣站安全，防止進(jìn)一步的破壞和損失。 限流孔板作為天然氣放空系統(tǒng)的壓力等級(jí)控制元件，逐漸受到國(guó)內(nèi)外天然氣站場(chǎng)設(shè)計(jì)的重視。 其穩(wěn)定的泄放速度、固定的流通面積，對(duì)放空系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行起到了關(guān)鍵的作用。SY /T 10043[4]明確要求“在設(shè)備的尺寸及其容量很重要的地方, 在控制火災(zāi)處 另一種選擇是對(duì)所有處理輕烴的設(shè)備在15 min 內(nèi)進(jìn)行降壓, 并設(shè)定降壓速率, 把壓力降到690 kPa·g 或降到容器設(shè)計(jì)壓力的50%（取其中的較低的壓力）”因此，準(zhǔn)確的限流孔板孔徑計(jì)算，對(duì)放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、站場(chǎng)安全運(yùn)行保障，意義重大。 本文將對(duì)目前使用的限流孔板計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，提高其計(jì)算精度，為天然氣設(shè)計(jì)人員提供可靠的計(jì)算工具。

二、限流孔板工作機(jī)理

限流元件設(shè)置在管道中， 用于限制流體的流量或降低流體的壓力[5]。 天然氣站場(chǎng)放空系統(tǒng)中廣泛使用限流孔板，保證泄放工況平穩(wěn)、泄放時(shí)間精準(zhǔn)。 限流孔板主要形式如圖1 所示。

限流孔板工作機(jī)理可簡(jiǎn)述為：當(dāng)孔板前后存在一定壓差，流體流經(jīng)孔板，對(duì)于一定的孔徑，流經(jīng)孔板的流量隨著壓差增大而增大。 但當(dāng)壓差超過(guò)某一數(shù)值（臨界壓差）時(shí)，流體通過(guò)孔板縮孔處的流速達(dá)到音速。 這時(shí)，無(wú)論壓差如何增加，只要孔板上游的壓力保持一定，流經(jīng)孔板的流量將維持在一定數(shù)值而不再增加。限流孔板就是根據(jù)這一原理來(lái)限定流體的流量和降低壓力的。

由此可見(jiàn)，限流孔板可有效地調(diào)節(jié)放空系統(tǒng)壓力，控制泄放量。

三、常用限流孔板計(jì)算公式

（1）Gas Conditioning and processing 計(jì)算方法[6]

計(jì)算公式如下：

式中，

t—— 放空時(shí)間，s

B—— 系數(shù)，取0.09

V—— 系統(tǒng)容積，m3

Cd—— 泄放系數(shù)，0.85；

Av—— 泄放閥泄放面積，m2

Rd—— 氣體比重；

Z—— 氣體壓縮因子；

T—— 操作溫度，K；

P1—— 泄放前壓力，kPa.a；

P2—— 泄放后壓力，kPa.a。

該公式通過(guò)確定泄放體積和泄放介質(zhì)， 可以估算設(shè)定孔板尺寸下的泄放時(shí)間。 然而，該公式忽略了定容泄放下，溫度將隨泄放時(shí)間增加而降低的規(guī)律；同時(shí)，限流孔板不僅可以用于定容泄放，也可以存在于安全閥旁通，作為檢修放空限流使用，因此，該公式存在局限性。

（2）HG/T 20570.15-95 氣體、蒸汽單孔孔板計(jì)算[7]

計(jì)算公式如下：

式中，

W—— 流體的質(zhì)量流量，kg/h；

C—— 孔板流量系數(shù)；

d—— 孔板孔徑，m；

D—— 管道內(nèi)徑；

Z—— 氣體壓縮因子；

P1—— 泄放前壓力，Pa.a；

P2—— 泄放后壓力或臨界限流壓力（取較大值），Pa.a。

M—— 分子量。

Z—— 壓縮系數(shù)；

T——孔板前流體溫度，K；

K——絕熱指數(shù)

該公式提供了一種計(jì)算限流孔板尺寸的方法， 但其要求限流孔板的前后壓力差不能大于臨界壓力差， 即限流降壓過(guò)程需設(shè)置多級(jí)孔板，這與天然氣站場(chǎng)限流孔板要求存在差別，故不適用于本文所述工況。

（3）《煉油裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)下冊(cè)》孔板計(jì)算[5]

計(jì)算公式如下：

式中，

q—— 流體的質(zhì)量流量，kg/h；

α—— 流量系數(shù)；

ε—— 膨脹系數(shù)；

d—— 銳孔直徑；

ρ—— 操作條件下流體重度，kg/m3；

△P—— 孔板前后壓力降，kgf/cm2

該公式通過(guò)輸入泄放流量、物流密度和前后壓差，可以確定限流孔板孔徑。 相比方法（1），該公式不僅可以計(jì)算定容放空時(shí)最大泄放量對(duì)應(yīng)的孔徑， 也可以計(jì)算定量放空時(shí)， 泄放流通面積。 因此，推薦該式作為天然氣站場(chǎng)流體泄放所用限流孔板的計(jì)算方法。

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四、計(jì)算與分析

本文將借助四川金秋氣田和國(guó)外某氣田的的天然氣組分，通過(guò)人為設(shè)定放空工況，計(jì)算限流孔板所需流通面積。 計(jì)算結(jié)果將于HYSYS V7.2 所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并利用數(shù)學(xué)方法優(yōu)化。

以下7 種工況為BDV 放空計(jì)算工況， 要求系統(tǒng)壓力在15 min 內(nèi)降至0.69 MPa。 具體工況列于表1：

由于泄放介質(zhì)均為天然氣， 因此流量系數(shù)α 和膨脹系數(shù)ε分別取值0.519 和1。

根據(jù)輸入結(jié)果，利用公式（3）和HYSYS V7.2 計(jì)算滿足工況條件的限流孔板尺寸，其計(jì)算結(jié)果列于表2。

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由此可見(jiàn)，實(shí)際計(jì)算的孔板孔徑與HYSYS 相同工況的模擬結(jié)果存在一些差別。 其原因主要包括：1）公式（3）為經(jīng)驗(yàn)公式，其部分參數(shù)的確定可能存在問(wèn)題；2）HYSYS 模擬基于動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)理論，其計(jì)算公式極為復(fù)雜，因此精度相對(duì)較高；3）實(shí)際放空氣體包含氣－水兩相，HYSYS 可以通過(guò)大量變量參數(shù)解析兩相組成，而公式（3）較為簡(jiǎn)單和快捷，并未過(guò)多考慮兩相關(guān)系。

然而，從計(jì)算結(jié)果對(duì)比也可看出，兩種方法差別不大。 公式（3）計(jì)算方便，所需參數(shù)易得，而HYSYS 計(jì)算過(guò)程較為耗時(shí)。 因此，如果可引入修正系數(shù)，將公式（3）進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高其預(yù)測(cè)精度，則其在實(shí)際工程中，具備快速評(píng)價(jià)和計(jì)算的條件。

五、公式優(yōu)化

根據(jù)表2 所列結(jié)果，可將實(shí)際計(jì)算值和HYSYS 計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，探尋其內(nèi)在聯(lián)系（圖3）。

由此可見(jiàn)，計(jì)算孔徑與模擬孔徑幾乎線性相關(guān)，這也為優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)公式（3）提供了可能。 根據(jù)線性擬合結(jié)果，計(jì)算孔徑和模擬孔徑存在以下關(guān)系：

式中，

dsim——模擬孔徑，mm

dcal——計(jì)算孔徑，mm

6.案例檢驗(yàn)

四川F 區(qū)塊的氣田開(kāi)發(fā)工程中， 也存在限流孔板計(jì)算與選型。 該區(qū)塊中限流孔板計(jì)算工況如下（表3）：

根據(jù)修正公式， 可計(jì)算其對(duì)應(yīng)工況下限流孔板尺寸， 同時(shí)HYSYS 也提供了計(jì)算結(jié)果。 根據(jù)結(jié)果，對(duì)比分析其絕對(duì)誤差（表5）。

由此可見(jiàn)，修正以后的計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果與HYSYS 模擬結(jié)果非常接近。 這進(jìn)一步證實(shí)了修正公式的可靠性。

六、結(jié)論

通過(guò)分析限流孔板計(jì)算公式適用范圍， 選定了符合氣田開(kāi)發(fā)中井場(chǎng)與集氣站的限流孔板計(jì)算方法。 通過(guò)與HYSYS 模擬結(jié)果對(duì)比，分析誤差產(chǎn)生原因，引入修正因子并優(yōu)化了經(jīng)驗(yàn)公式。優(yōu)化后的經(jīng)驗(yàn)公式， 其計(jì)算結(jié)果與軟件模擬誤差在1%左右，證實(shí)了其可靠性，為設(shè)計(jì)人員選擇限流孔板，提供了快速且有效的計(jì)算工具。

[1] 王天祥, 朱忠謙, 李汝勇, 陳朝暉, 吳 震. 大型整裝異常高壓氣田開(kāi)發(fā)初期開(kāi)采技術(shù)研究——以克拉2 氣田為例[J]. 天然氣與地球科學(xué), 2006, 17(4)∶439－444.

[2] 余洋, 黃靜, 陳杰, 昝林峰. 天然氣站場(chǎng)放空系統(tǒng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的解讀及應(yīng)用[J]. 天然氣與石油, 2011, 29(5)∶11－14.

[3] 劉熔, 李峰, 盛炳林. 天然氣凈化廠超壓自動(dòng)放空系統(tǒng)設(shè)置[J]. 天然氣與石油, 2006, 24(5)∶37－40.

[4] SY/T 10043, 泄壓和減壓系統(tǒng)指南[S].

[5] HG/T 20570.15－1995, 管路限流孔板的設(shè)置[S].

[6] Campbell JM. Gas Conditioning and Processing (Volume2)[M] . 7th edition, USA∶Campbell publishing series, 2004∶28－29.

[7] 煉油裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)下冊(cè)[M]. 石油工業(yè)出版社, 1976∶7－8.