CN110348112B - 一种计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法，属于天然气管道设计技术领域。该方法包括以下步骤：步骤一，收集放空管道的基础数据；步骤二，计算放空管道最大流速所需的流体热物性参数；步骤三，建立放空管路水力、热力参数计算模型；步骤四，求解水力、热力参数计算模型，得到放空管道出口最大流速V_max；步骤五，计算放空天然气的声速V_s，当V_max>V_s时，引入放空管道最大流速约束方程，调整放空管道出口流量或压力约束值，直到0.999≤V_max/V_s≤1.0时停止。本发明能够限制天然气放空管道最大流速不超过当地声速，从而避免了常规天然气放空管道流速计算方法中出现的超声速流动情况，为天然气放空管道的设计提供了可靠的依据。

Description

一种计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法

技术领域

本发明属于天然气管道设计技术领域，尤其涉及一种计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法。

背景技术

天然气放空管道是设置在天然气井场、输气站场、输气管道干线上用于短时间内泄放大量天然气的安全设施。当天然气管道发生泄漏、超压等紧急事故通常需要快速地将管线或容器内的天然气放出，以便降低事故后果，保障天然气管道的本体安全。此外，当天然气集输站场、输气管线在进行日常检修时同样需要进行天然气放空操作，以保障检修作业安全。因此，放空管道作为天然气管网放空系统的关键部分，对于保障天然气的安全生产、储运具有十分重要的作用。

天然气放空管道属于等直径管道，在天然气放空时，由于气流与管壁存在摩擦，放空管出口的流速不会超过当地声速，气流处于亚声速状态。即便放空管道进出口之间存在很大的压力差时，管道出口末端的气流流速最大也只能达到声速，形成声速流。然而，现有的天然气放空管道水力计算模型缺乏对放空流速的约束条件和机制，经常出现放空管道流速计算值大于当地声速的情况，这既不符合放空管流速的实际情况，还会直接导致计算的放空量、放空管出口压力、放空管直径等关键放空工艺参数偏离实际情况，以致于放空系统不能完成预定放空任务，甚至带来严重的安全隐患。为了对放空管道系统进行合理的设计和计算，需要将天然气放空管道的最大流速限制在当地声速以内。为此，需要一种天然气放空管道最大流速的自适应约束方法，以解决现有天然气放空管道流速计算方法无法限制放空管道出口流速不超过当地声速的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有天然气放空管道流速计算方法无法限制放空管道最大流速不超过当地声速的问题，而提出一种能够根据当地声速、放空管道出口流速自适应调整放空管道出口流量或压力值，从而限制放空管道出口流速不超过当地声速的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的一种计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法，包括以下步骤：

步骤一，收集放空管道的基础数据，包括放空管道直径、放空管道长度、放空天然气的组成、放空管道出口流量或压力约束值、环境温度；

步骤二，根据步骤一中的基础数据，计算放空管道最大流速所需的流体热物性参数，包括密度、比热容、压缩因子、焦耳-汤姆逊系数；

步骤三，建立放空管路水力、热力参数计算模型；

步骤四，将步骤一、步骤二中的基础数据和天然气热物性参数代入步骤三中的水力、热力参数计算模型，计算得到放空管道最大流速；

步骤五，计算放空天然气的声速、马赫数；当放空管道出口最大流速小于或等于声速时，不进行流速约束；当放空管道出口最大流速大于声速时，引入放空管道最大流速约束方程，并按照以下(A)或(B)的方式调整放空管道出口流量约束值或压力约束值：

(A)如果放空管出口约束值为流量，根据下式自适应调整流量约束值：

式(1)中，G为放空管道出口质量流量，单位为kg/s；k为模型求解时的迭代次数；V_s为当地声速，单位为m/s；V_max为放空管道流体最大流速，单位为m/s；

(B)如果放空管出口约束值为压力，根据下式自适应调整压力约束值：

式(2)中，p为放空管道出口压力，单位为Pa；

将根据(A)或(B)调整的约束值代入步骤二，并依次执行步骤二～步骤五，直到0.999≤V_max/V_s≤1.0时，停止放空管道最大流速的调整过程。

本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：

在放空管道的水力模型和热力学模型的基础上引入了放空管道最大流速自适应约束方程，能够限制天然气放空管道最大流速不超过当地声速，从而避免了常规天然气放空管道流速计算方法中出现的超声速流动情况。本发明方法计算流程清晰、操作方便、计算速度快，计算结果符合实际情况，为天然气放空管道的设计提供了可靠的依据。

附图说明

图1为本发明计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法步骤图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供一种计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，收集放空管道的基础数据，包括放空管道直径、放空管道长度、放空天然气的组成、放空管道的出口流量或压力约束值、环境温度；

步骤二，根据步骤一中的基础数据，计算放空管道最大流速所需的密度、比热容、压缩因子等流体热物性参数；

步骤三，建立放空管路水力、热力参数计算模型；

步骤四，将步骤一、步骤二中的基础数据和天然气热物性参数代入步骤三中的水力、热力参数计算模型，计算得到放空管道最大流速。

步骤五，计算放空天然气的声速、马赫数；当放空管道出口最大流速大于声速时，引入放空管道最大流速约束方程，调整放空管道出口流量约束值或压力约束值；当放空管道出口最大流速小于或等于声速时，不进行流速约束。

步骤一中，所述的放空管道基础数据根据其应用需求采用不同方式获取，在设计阶段，放空管道基础数据可通过天然气井场、集输站场、输气管道的可研资料获得；对于已投产的放空管道，其基础数据可根据设计资料以及现场的压力、温度测量仪表、流量计获得。

步骤二中，所述的天然气热物性参数通过石油天然气行业常用的状态方程计算获得。

步骤三中，所述的水力计算模型用于计算放空管道的压力和流量，采用连续性方程和动量方程计算。其中，连续性方程为：

式中，x为管道长度；ρ_m为放空管道内的混合物密度，单位为kg/m³；V_m为放空管道内的混合物速度，单位为m/s；A为放空管道横截面面积，单位为m²。

其中，动量方程方程为：

式中，τ_m为流体与管壁之间的剪切应力，单位为Pa；S为放空管道湿周长，单位为m；G_v为质量流速，单位为kg/(m²·s)；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为放空管道的倾斜角，单位为rad。

步骤三中，所述的热力计算模型用于预测放空管道的沿程温度。

步骤四中，所述的模型可写为非线性方程组，采用阻尼牛顿-拉斐逊方法求解。

步骤五中，所述的当地声速由石油天然气行业常用的状态方程计算，基于SRK状态方程的声速计算公式为：

式中，C_p为恒定压力比热容，单位为J/(kg·K)；C_v为恒定体积比热容，单位为J/(kg·K)；a、b为SRK状态方程参数；R为气体常数；v为流体摩尔体积，单位为m³/mol。

步骤五中，所述的马赫数Ma定义为流体的流速与其本身的声速之比，当Ma>1时，管道内流动为超声速流；当Ma<1时，管道内流动为亚声速流；当Ma＝1时，管道内流动为声速流。下面结合具体实例对本发明的应用原理作进一步描述。

例：X1管道的天然气的成分为甲烷，放空管道长度为100m，内径为0.3m，壁厚7mm；天然气的组成为CH₄；放空管道入口压力100MPa、入口温度为313.15K，出口压力为0.102MPa，环境温度为293.15K。以本发明所给出的方法，计算放空管道出口的最大流速。

步骤一，收集X1管道的基础数据：放空管道长度为100m，内径为0.3m，壁厚7mm；天然气的组成为CH₄；放空管道入口压力100MPa、入口温度为313.15K，出口压力为0.102MPa，环境温度为293.15K；

步骤二，根据步骤一中的基础数据，采用SRK状态方程计算放空管道内天然气的物性参数。在放空管道入口的压力、温度条件下(P₁＝100MPa、T₁＝313.15K)，计算得到天然气的密度为341.86kg/m³、恒定压力比热容为3085.69J/(kg·K)、恒定体积比热容为2107.86J/(kg·K)、压缩因子为1.8023、焦耳-汤姆逊系数为-4.01×10^-4K/kPa；流体与环境总传热系数为5W/(m²·K)。步骤三，建立放空管路水力、热力参数计算模型，其中连续性方程如下式：

动量方程如下式:

步骤四，根据步骤二和步骤三中的基础数据和天然气热物性参数，基于牛顿-拉斐逊方法求解水力、热力参数计算模型，计算得到放空管道最大流速V_max＝486.72m/s。

步骤五，基于SRK状态方程计算流体声速，计算式如下：

在管道出口压力0.102MPa时计算得到放空天然气的声速V_s＝344.70m/s，Ma为1.412。由于V_max>V_s，且出口约束值为压力，应引入放空管道最大流速约束方程如下：

将上式调整的压力约束值，代入步骤二，重新执行步骤二～步骤五，本实施例中放空管道最大流速共经过12次自适应约束，其中放空管道出口的最大流速，Ma随管道出口压力的变化关系如下表所示：

自适应约束次数	出口压力，kPa	V<sub>max</sub>，m/s	V<sub>s</sub>，m/s	Ma
					1	102	486.72	344.70	1.412
2	568	485.56	345.10	1.407
					3	799	484.97	345.17	1.405
4	3082	479.16	345.22	1.388
					5	8075	465.00	344.70	1.349
6	18742	434.00	344.99	1.258
					7	23582	418.00	344.60	1.213
8	28619	402.00	345.06	1.165
					9	33355	385.00	344.36	1.118
10	37319	372.17	345.24	1.078
					11	41051	258.00	247.60	1.042
12	45156	343.92	344.26	0.999

结合上表可知，放空管道最大流速自适应约束停止时V_max为343.92m/s，V_s为344.26m/s，满足0.999≤V_max/V_s≤1.0。放空管道最大流速V_max由最初的486.72m/s降低至343.92m/s，马赫数Ma由最初的1.412降减小到0.999，管道出口压力由最初的0.102MPa增加至45.156MPa，给出的最终结果符合放空管道最大流速不超过当地声速的实际情况。需要注意的是，传统的放空管道计算方法则会给出放空管道出口流速为486.72m/s的超声速流动结果，不符合实际情况。因此，本发明提出的计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法有效地解决了常规天然气放空管道流速计算方法中出现的超声速流动的问题，具有计算流程清晰、操作方便、计算速度快的特点，能够为天然气放空管道的设计提供可靠的依据。

Claims (1)

1.一种计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，收集放空管道的基础数据，包括放空管道直径、放空管道长度、放空天然气的组成、放空管道出口流量或压力约束值、环境温度；

步骤二，根据步骤一中的基础数据，计算放空管道最大流速所需的流体热物性参数，包括密度、比热容、压缩因子、焦耳-汤姆逊系数；

步骤三，建立放空管路水力、热力参数计算模型；所述的水力计算模型采用连续性方程和动量方程计算放空管道的压力和流量，其中连续性方程为：

式(1)中，x为管道长度；ρ_m为放空管道内的混合物密度，单位为kg/m³；V_m为放空管道内的混合物速度，单位为m/s；A为放空管道横截面面积，单位为m²；

其中，动量方程为：

式(2)中，τ_m为流体与管壁之间的剪切应力，单位为Pa；S为放空管道湿周长，单位为m；G_v为质量流速，单位为kg/(m²·s)；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为放空管道的倾斜角，单位为rad；

步骤四，将步骤一、步骤二中的基础数据和天然气热物性参数代入步骤三中的水力、热力参数计算模型，计算得到放空管道最大流速；

步骤五，计算放空天然气的声速、马赫数；当放空管道出口最大流速小于或等于声速时，不进行流速约束；当放空管道出口最大流速大于声速时，引入放空管道最大流速约束方程，并按照以下(A)或(B)的方式调整放空管道出口流量约束值或压力约束值：

(A)如果放空管出口约束值为流量，根据下式自适应调整流量约束值：

式(3)中，G为放空管道出口质量流量，单位为kg/s；k为模型求解时的迭代次数；V_s为当地声速，单位为m/s；V_max为放空管道流体最大流速，单位为m/s；

(B)如果放空管出口约束值为压力，根据下式自适应调整压力约束值：

式(4)中，p为放空管道出口压力，单位为Pa；

将根据(A)或(B)调整的约束值代入步骤二，并依次执行步骤二～步骤五，直到0.999≤V_max/V_s≤1.0时，停止放空管道最大流速的调整过程。

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