摘  要：高压天然气管道放空过程产生的低温和噪声对管道本身安全和周围环境有很大的危害，利用TGNET软件建立高压天然气管道放空管路模型，模拟计算放空过程(放空阀全开、逐步开启2种工况)，分析控制温度、噪声的方法。

关键词；高压天然气管道；放空管路；TGNET软件；动态模拟；温度控制；噪声控制

Simulation Analysis on Emptying of Natural Gas Pipeline

Abstract: Low temperature and loud noise gen-erated from emptying of high--pressure natural gas pipe—-line can endanger the pipeline and surrounding envi—ronment．A model for emptying high—pressure naturalgas pipeline is set up by TGNET software to simulatethe emptying process(full opening and gradual open—ing of purge valve)and analyze methods of controllingtemperature and noise．

Key words: high—pressure natural gas pipeline；emptying pipe；TGNET software；dynamic simulation；temperature control；noise control

1  概述

    随着我国天然气行业的迅速发展，高压力、大口径管道成为天然气管道的发展趋势，社会对其安全性、环保性、高效性提出了更高的要求。作为高压天然气安全泄放措施之一的放空管路的设计，成为该行业人员非常关注的问题。由于放空过程属非稳定流动，其工况模拟和设计计算较复杂，本文根据高压天然气管道放空过程的特点，采用英国ESI公司开发的PipeLineStudio for Gas(TGNET)软件建立高压天然气管道放空管路模型，对放空管路进行动态模拟分析。

2  高压天然气管道放空管路的组成及特点

GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》3．4．1条和3．4．2条规定，输气站应在进站截断阀上游和出站截断阀下游以及输气干线截断阀上下游均设置泄压放空设施，在紧急情况下使管段尽快放空。

放空管路主要由放空阀、放空管道、放空立管组成，见图l。

    当高压天然气管道某一点出现事故需要紧急放空时，关闭事故点两侧的干管阀，打开放空阀将两干管阀之间的天然气放空。根据热力学第一定律，在工质流出设备的开口系统中，存在以下关系式：

Q=dH+(mv²)+W             (1)

式中Q——向系统输入或输出的热量，J

    dH——流体焓的增量，J

    m——流体质量，kg

    v——流体速度，m／s

    d(mv²)——流体动能的增量，J

    W——向外输出机械功，J

    在放空瞬间，天然气管道来不及与周围进行热交换或热交换量很小，放空天然气未对外做功，因此Q=0，W=0。则式(1)简化为式(2)：

    dH+d(mv²)=0              (2)

    根据式(2)，放空瞬间，由于干线管道内压力与环境压力(即大气压力)的差值大，放窄初期放空流量大，管道内天然气瞬间膨胀成高速气流，天然气的焓转化成动能，天然气温度急剧降低，可以达到-20℃以下，低于碳素钢(高压天然气管道的材质为碳素钢)的最低工作温度。

   当天然气流过放空阀时，由于焦耳一汤姆逊效应(即截流效应)，天然气温度将进一步下降。焦耳一汤姆逊效应温降见式(3)。

    △t=j△p，              (3)

式中△t——天然气流过放空阀的温降，℃

    j——焦耳一汤姆逊效应系数，℃／MPa

    △P——放空阀的节流压力降，MPa

根据以上分析可知，高压天然气放空过程会产生低温和巨大的噪声，对管道本身安全和周围环境有很大的危害。在已出版的天然气工程资料中，关于放空管路计算的论述较少。文献[1]～[3]对放空过程不同程度地进行了简化，假定了一些边界条件，其计算结果与实际放空过程有差异。

因此，需要借助计算机模拟软件建立放空模型，进行动态模拟，计算整个放空过程，分析温度、压力及流体流速的变化过程。TGNET软件是输气管道离线模拟软件，能够对输气管道中的单相流进行稳态模拟和动态模拟，对输气管道的各种工况进行分析、测试，评价输气管道的设计或操作参数的设置，最终获得优化的系统性能，在国内外得到了广泛的应用。本文利用TGNET软件建立高压天然气管道放空管路模型，对放空管路进行多工况模拟计算，分析控制温度变化和降低噪声的方法。

3  高压天然气管道放空管路模型分析实例

放空管路模型平面见图2。已知：2个截断阀门间为长16 km的ø813×13的输气干管，流量为2 476 m³／h，该段干管起点压力为6．4 MPa，天然气相对密度为0．6，温度为20℃，现需全部放空。Ø323.9×7.1的放空管路长200 m，管路中有DN 300mm的球阀(全开)和放空阀各1个，长半径90。弯头5个。计算该管道放空时间、温度、压力、流量、流速等参数。采用TGNET软件中的泄漏点模拟放空口，建立放空模型，计算两个工况：放空阀全开、逐步开启放窄阀。

  ①放空阀全开

  根据放空模型，建立动态脚本文件(球阀、90^o弯头局部阻力按当量长度计算)。在0时刻截断阀门1和截断阀门2关闭、放空阀全开，放空口直径为300 mm，计算3 h的放空状态，计算结果见表l。

    由表l可知，16 km天然气管道(￠813×13，6．4MPa)放空时间约为2．5 h。由于放空瞬时流量太大，放空阀前(即输气干管)温度降到了-51．44℃，大大低于碳素钢的最低工作温度(-20℃)，低于输气干管的最低工作温度，对输气干管十分不利。另外，放空流量大、速度快，距离放空口30 m处噪声达到130 dB以上，超出SH／T 3146—2004《石油化工噪声控制设计规范》的规定。

  ②逐步开启放空阀

   根据放空模型，建立动态脚本文件。在0时刻截断阀门l和截断阀门2关闭，逐步开启放空阀，放空口直径为300 mm。动态脚本文件见表2。输入表2的动态脚本文件，进行动态计算，计算结果见表3。

    由表3可知，逐步开启放空阀，16 km天然气管道(Ø813×13，6．4 MPa)放空时间约9．1 h。由于逐步开启放空阀，放空瞬时流量相对较小，放空阀前(即输气干管)温度只降到了-10．17℃，高于碳素钢的最低工作温度(-20℃)，处于输气干管正常工作温度范围内，放空过程对输气干管无影响。另外，放空量小、速度较慢，距离放空口30m处噪声在110dB以下，基本符合SH／T 3146—2004《石油化工噪声控制设计规范》的规定。

根据表1，高压天然气放空流量太大时，会造成天然气干管处于低温状态，并在放空口产生巨大的噪声，因此应控制放空速度，在放空管上设置具有节流功能的放空阀，并在放空阀前设置温度计，将放空阀前温度(即干管温度)控制在-20℃以上，同时选取合适的放空管管径，将放空管出口流速控制在200 m／s以下。根据表3，即使控制放空速度，放空阀后温度还是低于-20℃，因此放空阀后的放空管应选取耐低温合金钢管。

4  结论

  ①在高压天然气管道放空过程中，放空速度趱陕，温降越大，噪声越大，故需控制放空速度，逐步开启放空阀，以控制放空阀前的温度及放空噪声。

   ②在放空管上设置具有节流功能的放空阀，并在阀前设置温度计，控制放空速度并防止放空阀前温度低于干管最低工作温度，放空阀材质应耐低温。

  ③放空管采用耐低温合金钢管，其使用温度应低于放空阀后温度。

   ④在高压天然气管道放空系统设计中，应根据管道设计压力、管径、干管阀间距等数据建立计算模型，模拟计算放空时间、温度降、放空流速等参数，为设计、运营管理、维抢修提供依据。

参考文献：

[1]  叶学礼．天然气放空管路水力计算[J]．天然气工业，1999，19(3)：77-81．

[2]  孙吉民．对管线内天然气放空时间及放空量的探讨[J]．石油化工应用，2005(4)：18-20．

[3]  苏杰飞．天然气管道放散时间的研究[J]．上海煤气，2006(2)：1-4．

本文作者：乔正凡  郭启华 安建锋

作者单位：中国市政工程中南设计研究总院有限公司 荆州市天然气发展有限责任公司