天然气管线放空过程的动态模拟与分析①

贾保印 王 红 林 畅

中国寰球工程公司



天然气管线放空过程的动态模拟与分析①

针对某LNG接收站天然气外输管线系统，应用HYSYS Dynamic流程模拟软件，建立了天然气管线放空系统的动态模型，通过模型计算得出紧急泄压所需孔板的喉径面积，并基于此模型研究了放空过程中系统压力、温度、流量等参数随时间的动态响应过程。结果表明，建立的动态模型可仿真模拟天然气管线的实际放空过程，较为准确地离线计算出天然气管线放空过程介质的最低温度和最大流量等参数，指导工程设计中放空系统孔板喉径面积和管线材质的选取。

天然气管线 动态模拟 放空

HYSYS Dynamic模拟软件可用于模拟分析石油化工装置的工艺过程，反映实际生产过程中流量、温度、压力、产品组成等随时间及其他干扰因素的响应变化过程，指导生产装置的正常操作和稳定运行[1-3]，已得到国内外研究机构和工程公司的广泛应用[4-15]。

天然气管线放空系统通常由放空管线、开关阀、孔板、火炬等组成，一方面可用于有计划放空检维修期间的高压天然气，另一方面可用于紧急放空火灾、超压等工况的高压天然气，降低对周边环境的潜在危害[16-18]。刘英男、刘杰和刘革伟等建立了天然气管道放空时间的计算模型，计算了天然气管道放空过程的放空时间[17-19]；梁俊奕列举了用于管线放空系统的计算软件、方法及其使用范围[20]。上述研究均基于放空过程中天然气管道内温度不变这一假设条件进行，然而该假设与天然气管线实际放空过程完全不符。在天然气管线实际放空过程中，随着天然气管线压力的降低，管线内天然气的温度也明显降低，而管线内温度变化会影响泄放流量、气体流速、压力、压缩因子、绝热指数等物性。因此，在分析天然气管线放空过程时需考虑系统内温度的变化。

采用HYSYS Dynamic流程模拟软件对LNG接收站项目中天然气外输管线放空过程进行动态模拟，实时模拟放空过程中管道内压力、温度、流体流量等参数随时间的变化，确定放空系统的最大放空量及放空系统的最低操作温度，指导工程设计中放空系统的材质和孔板喉径面积的选取。

1 天然气管线放空过程动态模型

1.1 天然气管线参数

天然气外输管线的主要操作参数见表1和表2。

表1 天然气组成Table1 Naturalgascomposition组成y/%CH495C2H65

表2 天然气外输管道的主要参数Table2 Mainparametersofnaturalgasoutputpipeline操作压力(G)/kPa9000操作温度/℃3管道公称直径/mm700管道长度/m700管道容积(20℃，101．325kPa)/m331430是否保温否

1.2 管线放空动态模型

采用HYSYS Dynamic中的管段、孔板等模块建立模型，利用趋势图研究管线绝热放空过程压力、温度、流体流量等参数的动态变化趋势。由于在模拟过程中需多次输入放空时间、喉径面积等参数，软件操作繁琐，为了提高输入不同工况参数的操作效率，在动态模型中增加了流量控制阀、压力控制阀、流量控制器、压力控制器、电子表格等模块工具，动态模型见图1。

2 动态模拟结果及分析

API 521-2014《Pressure-relieving and Depressuring Systems》给出了紧急放空时间的推荐值：在泄漏、失效或火灾等紧急情况下，紧急放空系统可按照在15 min内将系统压力(G)降至690 kPa为基础进行设计。针对表2中天然气管线，其设计压力和放空终态压力确定后，放空时间是决定天然气放空流量、放空阀(如截止阀、限流孔板、开关阀等)、喉径面积等系统设计的主要因素。计算了表2中天然气管线分别在10 min、15 min、30 min、60 min内压力(G)降至690 kPa在3种工况下所需的放空阀喉径面积，并研究了管线在15 min内压力(G)降至690 kPa时放空气质量流量、体积流量、天然气温度和压力的变化趋势。

2.1 放空时间对放空阀喉径面积和放空量的影响

首先利用HYSYS Dynamic模块搭建管线放空的动态模型(见图1)，运行并维持管线放空前的稳定状态(表压9 000 kPa，温度3 ℃)；在动态模型中赋予放空阀门喉径面积的初值，计算规定放空时间内管线系统的终态压力，不断对喉径面积进行试差，直至终态压力(G)等于690 kPa，此时阀门喉径面积即为所需的最小喉径面积。当放空时间分别为10 min、15 min、30 min和60 min时，放空系统所需的喉径面积和放空量如图2所示。

当放空时间为10 min时，放空阀喉径面积为3 500 mm2，最大放空气体质量流量为264 t/h；当放空时间为15 min时，放空阀喉径面积为3 300 mm2，最大放空气体质量流量为248 t/h；当放空时间为60 min时，放空阀喉径面积为850 mm2，最大放空气体质量流量为64 t/h。因此，不同的放空时间对所需的最大放空质量流量和喉径面积影响较大。放空时间越短，所需放空阀喉径面积越大，最大放空气体质量流量也越大，因而放空系统的投资也就越高。延长放空时间可明显降低放空质量流量和放空阀喉径面积，故对于非紧急放空状态(如计划性检维修期间)，在可控范围内可适当延长放空时间，寻求合理的放空时间，进而降低放空系统的投资；对于紧急放空状态(如火灾和紧急情况)，如无特殊要求，可参照API 521的建议，放空时间取15 min。

2.2 放空阀喉径面积确定

当放空时间为15 min时，考察不同喉径面积对系统终态压力的影响，如图3所示。

当放空阀的喉径面积分别为2 800 mm2、2 900 mm2、3 000 mm2、3 100 mm2、3 200 mm2和3 300 mm2时，管线放空15 min后操作压力(G)分别为992 kPa、915 kPa、844 kPa、777 kPa、715 kPa和690 kPa。根据API 521的放空准则，放空后管线内的操作压力为690 kPa时对应的喉径面积为放空阀所需要的最小喉径面积，此处应为3 300 mm2。

2.3 放空过程压力、温度、流量的变化趋势

选定喉径面积为3 300 mm2的放空管线和阀门，经动态模拟得到放空过程中管线压力、管线内温度、放空质量流量和放空体积流量等随时间的变化曲线，如图4和图5所示。

由图4和图5可知，随着放空过程的进行，管线内压力逐步降低，压力变化速率也是逐步降低，直至在15 min时压力(G)达到690 kPa，反映了放空过程管线压力变化的实际情况；管线放空开始阶段，由于放空阀前后压差最大，对应的放空量最大，随着时间的推移，放空速率逐步降低。管线内温度由初始温度3 ℃逐步降低，最终降至-47.05 ℃，管线进行管材选择时应考虑此低温工况。

3 结 论

应用HYSYS Dynamic流程模拟软件，建立天然气管线放空系统的动态模型，研究放空过程中系统压力、温度、流量等参数随时间变化的动态响应过程，结论如下：(1) 放空时间是决定最大放空气体流量、放空管线、阀门、放空筒或火炬系统能力、噪音及投资费用的主要因素。对于紧急放空状态(如火灾和紧急情况)，放空时间应按15 min考虑。

(2) 动态模拟软件可模拟放空过程的流体物性、放空流量等变化，能够克服传统计算方法的局限性，最大程度地仿真模拟天然气的实际放空过程。

(3) 动态模拟软件可计算天然气管线紧急放空所需放空阀的喉径面积，计算放空过程介质的最低温度和最大流量等参数，指导工程设计中放空系统的材质和尺寸的选取。

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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

贾保印(1983-)，男，山东聊城人，工程师，2009年毕业于天津大学化工学院化学工艺专业，研究生学历(工学硕士)，现就职于中国寰球工程公司，从事天然气液化和LNG接收站的工程设计、研究工作，发表论文近10篇，多次获司局级科技奖励。E-mail：jiabaoyin@hqcec.com

贾保印 王 红 林 畅

中国寰球工程公司

TE88

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.06.005

2016-07-29；编辑：温冬云