天然氣管線放空過程的動態(tài)模擬與分析①

賈保印 王 紅 林 暢

中國寰球工程公司

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天然氣管線放空過程的動態(tài)模擬與分析①

針對某LNG接收站天然氣外輸管線系統(tǒng)，應(yīng)用HYSYS Dynamic流程模擬軟件，建立了天然氣管線放空系統(tǒng)的動態(tài)模型，通過模型計算得出緊急泄壓所需孔板的喉徑面積，并基于此模型研究了放空過程中系統(tǒng)壓力、溫度、流量等參數(shù)隨時間的動態(tài)響應(yīng)過程。結(jié)果表明，建立的動態(tài)模型可仿真模擬天然氣管線的實際放空過程，較為準確地離線計算出天然氣管線放空過程介質(zhì)的最低溫度和最大流量等參數(shù)，指導(dǎo)工程設(shè)計中放空系統(tǒng)孔板喉徑面積和管線材質(zhì)的選取。

天然氣管線 動態(tài)模擬 放空

HYSYS Dynamic模擬軟件可用于模擬分析石油化工裝置的工藝過程，反映實際生產(chǎn)過程中流量、溫度、壓力、產(chǎn)品組成等隨時間及其他干擾因素的響應(yīng)變化過程，指導(dǎo)生產(chǎn)裝置的正常操作和穩(wěn)定運行[1-3]，已得到國內(nèi)外研究機構(gòu)和工程公司的廣泛應(yīng)用[4-15]。

天然氣管線放空系統(tǒng)通常由放空管線、開關(guān)閥、孔板、火炬等組成，一方面可用于有計劃放空檢維修期間的高壓天然氣，另一方面可用于緊急放空火災(zāi)、超壓等工況的高壓天然氣，降低對周邊環(huán)境的潛在危害[16-18]。劉英男、劉杰和劉革偉等建立了天然氣管道放空時間的計算模型，計算了天然氣管道放空過程的放空時間[17-19]；梁俊奕列舉了用于管線放空系統(tǒng)的計算軟件、方法及其使用范圍[20]。上述研究均基于放空過程中天然氣管道內(nèi)溫度不變這一假設(shè)條件進行，然而該假設(shè)與天然氣管線實際放空過程完全不符。在天然氣管線實際放空過程中，隨著天然氣管線壓力的降低，管線內(nèi)天然氣的溫度也明顯降低，而管線內(nèi)溫度變化會影響泄放流量、氣體流速、壓力、壓縮因子、絕熱指數(shù)等物性。因此，在分析天然氣管線放空過程時需考慮系統(tǒng)內(nèi)溫度的變化。

采用HYSYS Dynamic流程模擬軟件對LNG接收站項目中天然氣外輸管線放空過程進行動態(tài)模擬，實時模擬放空過程中管道內(nèi)壓力、溫度、流體流量等參數(shù)隨時間的變化，確定放空系統(tǒng)的最大放空量及放空系統(tǒng)的最低操作溫度，指導(dǎo)工程設(shè)計中放空系統(tǒng)的材質(zhì)和孔板喉徑面積的選取。

1 天然氣管線放空過程動態(tài)模型

1.1 天然氣管線參數(shù)

天然氣外輸管線的主要操作參數(shù)見表1和表2。

表1 天然氣組成Table1 Naturalgascomposition組成y/%CH495C2H65

表2 天然氣外輸管道的主要參數(shù)Table2 Mainparametersofnaturalgasoutputpipeline操作壓力(G)/kPa9000操作溫度/℃3管道公稱直徑/mm700管道長度/m700管道容積(20℃，101．325kPa)/m331430是否保溫否

1.2 管線放空動態(tài)模型

采用HYSYS Dynamic中的管段、孔板等模塊建立模型，利用趨勢圖研究管線絕熱放空過程壓力、溫度、流體流量等參數(shù)的動態(tài)變化趨勢。由于在模擬過程中需多次輸入放空時間、喉徑面積等參數(shù)，軟件操作繁瑣，為了提高輸入不同工況參數(shù)的操作效率，在動態(tài)模型中增加了流量控制閥、壓力控制閥、流量控制器、壓力控制器、電子表格等模塊工具，動態(tài)模型見圖1。

2 動態(tài)模擬結(jié)果及分析

API 521-2014《Pressure-relieving and Depressuring Systems》給出了緊急放空時間的推薦值：在泄漏、失效或火災(zāi)等緊急情況下，緊急放空系統(tǒng)可按照在15 min內(nèi)將系統(tǒng)壓力(G)降至690 kPa為基礎(chǔ)進行設(shè)計。針對表2中天然氣管線，其設(shè)計壓力和放空終態(tài)壓力確定后，放空時間是決定天然氣放空流量、放空閥(如截止閥、限流孔板、開關(guān)閥等)、喉徑面積等系統(tǒng)設(shè)計的主要因素。計算了表2中天然氣管線分別在10 min、15 min、30 min、60 min內(nèi)壓力(G)降至690 kPa在3種工況下所需的放空閥喉徑面積，并研究了管線在15 min內(nèi)壓力(G)降至690 kPa時放空氣質(zhì)量流量、體積流量、天然氣溫度和壓力的變化趨勢。

2.1 放空時間對放空閥喉徑面積和放空量的影響

首先利用HYSYS Dynamic模塊搭建管線放空的動態(tài)模型(見圖1)，運行并維持管線放空前的穩(wěn)定狀態(tài)(表壓9 000 kPa，溫度3 ℃)；在動態(tài)模型中賦予放空閥門喉徑面積的初值，計算規(guī)定放空時間內(nèi)管線系統(tǒng)的終態(tài)壓力，不斷對喉徑面積進行試差，直至終態(tài)壓力(G)等于690 kPa，此時閥門喉徑面積即為所需的最小喉徑面積。當放空時間分別為10 min、15 min、30 min和60 min時，放空系統(tǒng)所需的喉徑面積和放空量如圖2所示。

當放空時間為10 min時，放空閥喉徑面積為3 500 mm2，最大放空氣體質(zhì)量流量為264 t/h；當放空時間為15 min時，放空閥喉徑面積為3 300 mm2，最大放空氣體質(zhì)量流量為248 t/h；當放空時間為60 min時，放空閥喉徑面積為850 mm2，最大放空氣體質(zhì)量流量為64 t/h。因此，不同的放空時間對所需的最大放空質(zhì)量流量和喉徑面積影響較大。放空時間越短，所需放空閥喉徑面積越大，最大放空氣體質(zhì)量流量也越大，因而放空系統(tǒng)的投資也就越高。延長放空時間可明顯降低放空質(zhì)量流量和放空閥喉徑面積，故對于非緊急放空狀態(tài)(如計劃性檢維修期間)，在可控范圍內(nèi)可適當延長放空時間，尋求合理的放空時間，進而降低放空系統(tǒng)的投資；對于緊急放空狀態(tài)(如火災(zāi)和緊急情況)，如無特殊要求，可參照API 521的建議，放空時間取15 min。

2.2 放空閥喉徑面積確定

當放空時間為15 min時，考察不同喉徑面積對系統(tǒng)終態(tài)壓力的影響，如圖3所示。

當放空閥的喉徑面積分別為2 800 mm2、2 900 mm2、3 000 mm2、3 100 mm2、3 200 mm2和3 300 mm2時，管線放空15 min后操作壓力(G)分別為992 kPa、915 kPa、844 kPa、777 kPa、715 kPa和690 kPa。根據(jù)API 521的放空準則，放空后管線內(nèi)的操作壓力為690 kPa時對應(yīng)的喉徑面積為放空閥所需要的最小喉徑面積，此處應(yīng)為3 300 mm2。

2.3 放空過程壓力、溫度、流量的變化趨勢

選定喉徑面積為3 300 mm2的放空管線和閥門，經(jīng)動態(tài)模擬得到放空過程中管線壓力、管線內(nèi)溫度、放空質(zhì)量流量和放空體積流量等隨時間的變化曲線，如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，隨著放空過程的進行，管線內(nèi)壓力逐步降低，壓力變化速率也是逐步降低，直至在15 min時壓力(G)達到690 kPa，反映了放空過程管線壓力變化的實際情況；管線放空開始階段，由于放空閥前后壓差最大，對應(yīng)的放空量最大，隨著時間的推移，放空速率逐步降低。管線內(nèi)溫度由初始溫度3 ℃逐步降低，最終降至-47.05 ℃，管線進行管材選擇時應(yīng)考慮此低溫工況。

3 結(jié) 論

應(yīng)用HYSYS Dynamic流程模擬軟件，建立天然氣管線放空系統(tǒng)的動態(tài)模型，研究放空過程中系統(tǒng)壓力、溫度、流量等參數(shù)隨時間變化的動態(tài)響應(yīng)過程，結(jié)論如下：(1) 放空時間是決定最大放空氣體流量、放空管線、閥門、放空筒或火炬系統(tǒng)能力、噪音及投資費用的主要因素。對于緊急放空狀態(tài)(如火災(zāi)和緊急情況)，放空時間應(yīng)按15 min考慮。

(2) 動態(tài)模擬軟件可模擬放空過程的流體物性、放空流量等變化，能夠克服傳統(tǒng)計算方法的局限性，最大程度地仿真模擬天然氣的實際放空過程。

(3) 動態(tài)模擬軟件可計算天然氣管線緊急放空所需放空閥的喉徑面積，計算放空過程介質(zhì)的最低溫度和最大流量等參數(shù)，指導(dǎo)工程設(shè)計中放空系統(tǒng)的材質(zhì)和尺寸的選取。

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Dynamic simulation and analysis of natural gas pipeline blowdown process

Jia Baoyin, Wang Hong, Lin Chang

(ChinaHuanqiuContracting&EngineeringCorp.,Beijing100012,China)

A dynamic blowdown model of natural gas venting system were developed using the process simulation software HYSYS Dynamic based on the natural gas pipeline of a real specified LNG terminal. The required orifice areas during the emergent blow down scenario were calculated and chosen. In addition, the dynamic response process of main variable parameters including pressure, temperature and actual relieving capacity with the time were discussed and researched. The analysis results showed that dynamic simulation could clearly reflect the main parameters of dynamic response during the blowdown process, predict the lowest temperature and maximum capacity of the medium accurately, and instruct the selection of the orifice areas and the pipeline material of natural gas blowdown system.

natural gas pipeline, dynamic simulation, blowdown

賈保印(1983-)，男，山東聊城人，工程師，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工藝專業(yè)，研究生學(xué)歷(工學(xué)碩士)，現(xiàn)就職于中國寰球工程公司，從事天然氣液化和LNG接收站的工程設(shè)計、研究工作，發(fā)表論文近10篇，多次獲司局級科技獎勵。E-mail：jiabaoyin@hqcec.com

賈保印 王 紅 林 暢

中國寰球工程公司

TE88

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.06.005

2016-07-29；編輯：溫冬云