氣田集輸站場(chǎng)火災(zāi)泄壓放空限流孔板計(jì)算解析

李海潤(rùn) 宋凌燕 張 鵬

1.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，四川 成都 610041；

2. 西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500；

3. 中國(guó)石化江蘇油建工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009

0 前言

限流孔板為一同心銳孔板，可作為流量測(cè)量元件，也可作為節(jié)流元件。限流孔板作為節(jié)流元件，當(dāng)孔板前后存在一定壓差時(shí)，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)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)值不再增加。限流孔板根據(jù)這一原理可對(duì)流體限流、降壓。限流孔板按孔板上開(kāi)孔數(shù)分為單孔板和多孔板，按級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、成本低、安裝方便，在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，使用限流孔板代替調(diào)節(jié)閥，可降低投資和操作維護(hù)費(fèi)用[1]，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外油氣田地面工程。

目前在氣田集輸站場(chǎng)火災(zāi)泄壓放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中大都采用了限流孔板，一般設(shè)置在站場(chǎng)火災(zāi)緊急泄放閥之后，實(shí)現(xiàn)限制流量、降低噪聲和減弱管道振動(dòng)，對(duì)放空系統(tǒng)的安全起到一定的保障作用[2]。

1 限流孔板的計(jì)算

氣田集輸站場(chǎng)火災(zāi)泄壓放空系統(tǒng)限流孔板的計(jì)算選型原則大多依據(jù)API 521“Guide for Pressure - Relieving and Depressuring Systems”3.19 章節(jié)[3]。

限流孔板的計(jì)算主要包括銳孔孔徑、孔板孔數(shù)、孔板級(jí)數(shù)、孔板厚度四個(gè)要素。一般情況下，管道公稱(chēng)直徑≤DN 150 的管路，選擇單孔孔板；＞DN 150時(shí)，選擇多孔孔板。在計(jì)算多孔孔板時(shí)，先按單孔孔板計(jì)算孔徑，然后按照多孔孔板的總面積應(yīng)等于計(jì)算的單孔孔板面積的原則選取孔數(shù)。限流孔板用于氣田集輸站場(chǎng)火災(zāi)泄壓放空系統(tǒng)時(shí)，其主要作用在于限制流量，一般采用單級(jí)孔板。孔板厚度的計(jì)算方法比較單一，常用《煉油裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)（下冊(cè)）》的計(jì)算公式[4]。

當(dāng)流體溫度小于 375 ℃時(shí)：

當(dāng)流體溫度大于 375 ℃時(shí)：

式中：H為孔板厚度，mm ；Δp為孔板壓降，kgf/cm2；D為管子內(nèi)徑，mm；σ為允許應(yīng)力，kgf/cm2；ψ為撓度系數(shù)。鋼材的撓度系數(shù)按式（3）計(jì)算：

式中：m為銳孔面積與管子截面積之比。

限流孔板計(jì)算過(guò)程重點(diǎn)在于計(jì)算銳孔孔徑，適用于氣田集輸站場(chǎng)火災(zāi)泄壓放空限流孔板的計(jì)算方法主要有3種。

第1種計(jì)算方法來(lái)自Gas Conditioning and Processing(equation 10. 51)[5]：

式中：Av為限流孔板的泄放面積，m2；B為系數(shù)，取0.09；V為系統(tǒng)容積，m3；Cd為孔板流量系數(shù)，0.85；t為放空時(shí)間，s；Rd為氣體比重；Z為氣體壓縮因子；T為操作溫度，K；p1為泄放前壓力，kPa.a；p2為泄放后壓力，kPa.a。

式（4）相對(duì)簡(jiǎn)單，相關(guān)計(jì)算參數(shù)也比較容易獲取，因此常用于限流孔板孔徑計(jì)算。

第2種計(jì)算方法來(lái)自《煉油裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)（下冊(cè)）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)手冊(cè)）：

式中：q為流體的質(zhì)量流量，kg/h；α為孔板流量系數(shù)；ε為流體膨脹系數(shù)；d為銳孔直徑，mm；ρ為操作條件下流體密度，kg/m3；Δp為孔板前后的壓力降，kgf/cm2。

采用式（5）計(jì)算時(shí)，需同時(shí)滿(mǎn)足：管子公稱(chēng)直徑≥ DN15 mm；銳孔直徑 d 與管道內(nèi)徑D的比值β= d/D≥0.1；孔板后壓力與孔板前壓力之比p2/p1≤臨界流率壓力比。

使用式（5）計(jì)算限流孔板孔徑時(shí)，需單獨(dú)計(jì)算流體的質(zhì)量流量，同時(shí)根據(jù)流體的雷諾數(shù)、孔板前后的管徑及流動(dòng)形態(tài)等參數(shù)，查找手冊(cè)中的相關(guān)圖表選?。毫髁肯禂?shù)和膨脹系數(shù)。計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

第3種計(jì)算方法來(lái)自HG/T 20570.15-1995《管路限流孔板的設(shè)置》[6]：

式中：q為流體質(zhì)量流量，kg/h；α為孔板流量系數(shù)；d為孔板孔徑，m；D為管道內(nèi)徑，m；p1為孔板前壓力，MPa.a；p2為孔板后壓力，MPa.a；M為分子量；Z為壓縮因子；T為孔板前流體溫度，K；k為絕熱指數(shù)，k=Cp/Cv；Cp為流體定壓熱容，kJ/(kg·K)；Cv為流體定容熱容，kJ/(kg·K)。

式（6）最復(fù)雜，涉及參數(shù)達(dá)12個(gè)，其中流量系數(shù)需通過(guò)相關(guān)圖表查找選取，流體的質(zhì)量流量需單獨(dú)計(jì)算。采用式（6）需滿(mǎn)足：限流孔板后壓力p2不能小于板前壓力p1的55%，當(dāng)p2＜0.55 p1時(shí)，不能采用單級(jí)孔板，要選擇多級(jí)孔板，其板數(shù)要保證每板的板后壓力大于板前壓力的55%。式（6）很少用于氣田集輸站場(chǎng)限流孔板孔徑計(jì)算。

式（5）、（6）的形式基本一致，關(guān)鍵在于泄放流量的計(jì)算。依據(jù)API 521“Guide for Pressure - Relieving and Depressuring Systems”3.15章節(jié)中關(guān)于火災(zāi)工況下泄放流量的計(jì)算公式：

式中：q為流體質(zhì)量流量，lb/h（1 lb/h = 0.453 59 kg/h）；M為分子量；p1為泄放前壓力，psia（1 psia = 6.894 8 kPa）；A'為容器暴露于火中的面積，ft2（1 ft2= 0.929 m2）；TW為容器壁的溫度，°R（1°R =（1 ℃+273.15）×1.8）；T1為泄放前流體溫度，°R。

對(duì)于普通碳鋼板材，推薦的最大容器壁溫度為1 100 °F。

2 對(duì)比分析

對(duì)比分析式（4）～（6），不難發(fā)現(xiàn)，式（4）的計(jì)算參數(shù)不涉及流體流量，但涉及系統(tǒng)容積，一般來(lái)說(shuō)，同一種工況下，在相同的時(shí)間內(nèi)要求泄壓到某一定值時(shí)，系統(tǒng)容積越大意味著泄放量越大。因此可認(rèn)為3個(gè)公式中限流孔板的泄放面積均與泄放流量成正比。式（4）計(jì)算過(guò)程最為簡(jiǎn)便，其中對(duì)孔板泄放系數(shù)給出了0.85的定值，這主要是由于限流孔板在限流作用的工藝系統(tǒng)中，流經(jīng)限流孔板的流體一般處于臨界流動(dòng)狀態(tài)，而此時(shí)孔板的泄放系數(shù)與流體的物性等參數(shù)關(guān)系不大，呈現(xiàn)出恒定的趨勢(shì)，因此可取一個(gè)定值。式（5）作為描述放空過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)公式，孔板的流量系數(shù)和膨脹系數(shù)與流體雷諾數(shù)、流動(dòng)形態(tài)及孔板前后的管徑等參數(shù)相關(guān)，更貼近實(shí)際流動(dòng)狀況。式（6）計(jì)算過(guò)程最復(fù)雜，涉及參數(shù)眾多。

式（5）、（6）的適用范圍差別較大。式（5）明確指出用做限流時(shí)孔板后壓力與孔板前壓力之比p2/p1≤臨界流率壓力比，而式（6）要求限流孔板后壓力P2不能小于板前壓力p1的55%，p2/p1≥0.55（一般針對(duì)多原子氣體，臨界流率壓力比可近似取值0.55），兩個(gè)公式的要求完全相反。當(dāng)限流孔板用作限流時(shí)，要求孔板前后壓差必須超過(guò)臨界壓差，這樣才能保證流經(jīng)孔板的流量不隨壓差的變化而變化，維持在一定數(shù)值不再增加，以實(shí)現(xiàn)限制流量的作用，顯然式（6）中的孔板前后壓差小于臨界壓差，在計(jì)算限流作用的孔板時(shí)適應(yīng)性較差，一般適用于降壓作用的孔板計(jì)算。

3 實(shí)例解析

以土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸地區(qū)某氣田集氣站為例，采用3種計(jì)算方法分別求解限流孔板的孔徑，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 參數(shù)

表2 計(jì)算結(jié)果

表2的計(jì)算結(jié)果可知：采用式（4）、（5）計(jì)算出的孔徑值較接近，而式（6）的孔徑值相比而言大很多，主要由于p2/p1的數(shù)值過(guò)小，導(dǎo)致公式中的分母偏小，從而使計(jì)算結(jié)果偏大，說(shuō)明式（6）不適合限流作用的孔板計(jì)算。

雖然計(jì)算結(jié)果顯示采用式（4）的孔徑比式（5）稍大，但并不代表所有的計(jì)算均為這種趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，式（4）、（5）均可用于氣田集輸孔板計(jì)算。實(shí)例中的孔板孔徑可以選擇41 mm或42 mm，采用式（1）、（3）計(jì)算得到孔板厚度約20 mm。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析氣田集輸站場(chǎng)火災(zāi)泄壓放空限流孔板孔徑計(jì)算方法，得出式（4）、（5）適用于限流作用的孔板計(jì)算，而式（6）在限流作用的孔板計(jì)算中適用性較差。實(shí)例解析，說(shuō)明在限流作用的孔板計(jì)算中可同時(shí)選用式（4）、（5）計(jì)算，其結(jié)果基本一致。建議式（4）、（5）結(jié)合使用，既可提高計(jì)算效率，也可相互驗(yàn)證。

[1]王 友.限流孔板在工藝裝置中的應(yīng)用[J].煉油設(shè)計(jì)，1999, 29(9): 45 - 47.Wang You. Application of Flow-Limiting Orifice Plates in Process Units[J].Petroleum Refinery Engineering, 1999,29(9): 45-47.

[2]張 池.氣體限流孔板的計(jì)算[J].天然氣與石油，1995,13(4): 14-17.Zhang Chi. Calculation of Gas Throttling Orifice Plate[J].Natural Gas and Oil, 1995, 13(4): 14-17.

[3]API 521, Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems[S].

[4]煉油裝置工藝管線安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.煉油裝置工藝管線安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))[M].北京：石油工業(yè)出版社，1978, 7.Editorial Committee of the Installation Design Manual of Process Pipeline of Refining Device. The Installation Design Manual of Process Pipeline of Refining Device (Part II)[M].Beijing: Petroleum Industry Press, 1978, 7.

[5]Campbell J M. Gas Conditioning and Processing (Volume 2,7th Edition)[M]. Norman: Campbell Petroleum Series 2004, 28-29.

[6]HG/T 20570.15-1995,管路限流孔板的設(shè)置[S].HG/T20570.15-1995, The Setting of Throttling Orifice Plate of Pipeline[S].