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天然气管道放空时间的计算
文章编号:1000-8241 (2014 )××-0×××-0×
天然气管道放空时间的计算
刘英男 张鑫 单鲁维
西气东输管道公司广东管理处,广东广州 510665
摘要:天然气管道放空是压力、温度、气体流速都随时间变化的复杂过程,为准确计算长输管道天然气的放空时间,以放
空管路为研究对象,建立非稳态的偏微分方程组,利用特征线方程将偏微分方程组转化为全微分方程组,并进行数值求
解,计算出天然气管道放空所需时间。此计算方法的计算结果与工程实际中的管道放空数据吻合良好,可以较准确地计算
长输天然气管道放空所需时间。
关键词:天然气管道;放空时间;非稳态计算;特性线方程;显示差分法
中图分类号:TE832 文献标识码:A doi :
2014-07-03 19:17 /kcms/detail/13.1093.TE1917.014.html
网络出版时间: 网络出版地址:
长输天然气管道发生事故或设备检修时,需要放空管道内的天然气。准确计算管道内天然气的放空
时间和放空量,可以为生产调度决策、组织事故抢修提供科学依据,对确保管线平稳运行具有实际的指
导意义[1-3] 。管道内天然气的放空是一个复杂的非稳态流动过程,随着管道内压力不断下降,天然气的密
度、流速等参数随时间变化。通过总结已有天然气放空时间计算公式,建立非稳态数值计算模型,采用
特征线法,求解管道中天然气的放空时间,与实际天然气管道的放空数据进行对比,验证方法的准确
性。
1 计算方法
目前,国内外学者对于天然气管路放空时间的研究较少,比较有代表性的放空时间计算方法有两
种。
(1)该计算方法基于无限大的容器内气体通过收缩喷口绝热排出模型(图 1),不考虑放空管路的摩
阻影响,且认为整个放空过程中气体流动处于临界状态,即出口处气体马赫数为 1,其放空时间计算公式
为:
M
V ZRT p1
t ln (1)
k 1
F 2 k 1 p2
Kg
K 1
式中,t 为放空时间,s ;V 为放空管道容积,m3 ;M 为放空气体的相对分子质量;R 为气体常数,
R=848J/ (kg·K );K 为绝热指数,对于天然气,k=3 ;F 为放空阀全开时的截面积,m2 ;μ 为阀门开启
度;p 1 、p 2 为放空前后管道绝压,MPa ;T 为管道温度,K ;Z 为天然气压缩因数。
1
图1 天然气管路放空时间计算模型(之一)示意图
注:p 、T 为气源压力和温度,p 、T 、V (p 、T 、V )为放空管路出口端面气体压力、温度和流速,p 为放空管路出口周围环境大气压力,d 、
0 0 2 2 2 1 1 1 a
L 为放空管路的内径和长度。
由于在实际的天然气站场设计中,连接火炬和输气管道的放空管路一般大于300 m,放空管路和阀门
的摩阻对气体流动的影响不能忽略。同时,在放空过程中,随着压力降低,流速急剧下降,在很长时间
内流速低于当地音速。故该方法偏理想化,不适合在工程实际中计算天然气管道的放空时间。
(2 )考虑阀门、放空管道对气体的摩阻影响,天然气放空过程要经历3 种状态:①放空前期,气体
在出口处压力远高于大气压力,气体处于壅塞状态,马赫数为 1;②随着放空过程的进行,入口压力逐渐
下降,气体在出口处压力刚好降至大气压,马赫数仍为 1,气体处于临界流状态;③入口压力继续下降,
[4-5]
出口压力仍为大气压,马赫数小于1,此时气体处于亚音速流状态(图2 ) 。
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