白 雪 李自力 姜海斌 王愛玲 翁浩銘

1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580；2.中國石油西南管道昆明輸油氣分公司， 云南 昆明 650000

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輸氣干線放空系統(tǒng)放空量計算軟件開發(fā)

白 雪1李自力1姜海斌2王愛玲2翁浩銘1

1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580；2.中國石油西南管道昆明輸油氣分公司， 云南 昆明 650000

在進(jìn)行放空系統(tǒng)設(shè)計時需要了解瞬時放空量，但輸氣干線放空系統(tǒng)中沒有相應(yīng)流量計對放空量進(jìn)行計量，且目前關(guān)于放空量計算的公式大多沒有依據(jù)。以范諾方程、輸氣管路流動理論為基礎(chǔ)，同時考慮閥門開度對放空時間以及瞬時放空量的影響，通過程序語言對放空系統(tǒng)瞬時放空量計算進(jìn)行編寫，輸入輸氣干線內(nèi)氣源壓力、放空管規(guī)格和閥門開度等參數(shù)，即可求解出瞬時放空量，將程序計算結(jié)果與SPS軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比，誤差較小。對比不同閥門開度下的瞬時放空量和放空壓力，分析了閥門開度的影響，可為放空系統(tǒng)設(shè)計及現(xiàn)場放空提供理論指導(dǎo)。

輸氣干線；放空系統(tǒng)；瞬時放空量；閥門開度；軟件開發(fā)

0 前言

在進(jìn)行放空系統(tǒng)設(shè)計時，常常需要了解瞬時放空量，根據(jù)瞬時放空量大小來確定放空系統(tǒng)是否設(shè)置放空火炬以及放空系統(tǒng)天然氣擴(kuò)散及熱輻射范圍，當(dāng)瞬時放空量超過4×104m3/h時，需要設(shè)置放空火炬[1]。目前對放空系統(tǒng)瞬時放空量的求解大多采用計算公式或圖解法，其中具有代表性的是四川石油管理局勘察設(shè)計研究院編寫的《輸氣干線手冊》中放空量計算公式[2]，但這些計算公式的計算結(jié)果與工程實際有偏差，圖解法也只能對放空量大小進(jìn)行估算[3]，因此有必要對放空系統(tǒng)瞬時放空量進(jìn)行研究，提出一種更符合工程實際的放空系統(tǒng)瞬時放空量計算方法。

1 天然氣放空管路放空過程描述

輸氣干線放空系統(tǒng)包括氣源、放空管道和大氣環(huán)境三部分[3]，高壓天然氣放空系統(tǒng)見圖1。由于高壓天然氣放空系統(tǒng)放空管路距離短，壓降大，放空管段沿途氣體流動參數(shù)：溫度T、密度ρ、流速V、壓力p、氣體馬赫數(shù)Mach等均隨時間變化，且差異較大，該過程屬于非定常流動[4-5]。

圖1 高壓天然氣放空系統(tǒng)示意圖

放空過程需要經(jīng)歷臨界流和亞臨界流兩種流態(tài)：

1)臨界流狀態(tài)：放空初始時刻，輸氣干線內(nèi)氣源壓力p0較高，使得放空管路入口截面壓力p1也較高，出口截面壓力p2遠(yuǎn)大于環(huán)境大氣壓力pa，出口截面氣體流速達(dá)到臨界流速，出口截面氣體馬赫數(shù)Mach2等于1，此時放空過程將達(dá)到最大瞬時放空量。出口截面的氣體依靠剩余壓力差(p2-pa)進(jìn)行膨脹，直至p2降至pa。隨著放空過程時間推移，p0、p1、p2均逐漸減小，但在p2降至pa之前，放空過程均處于臨界流狀態(tài)，在新的壓力條件下放空過程達(dá)到新的最大瞬時放空量[3，6-7]。

2)亞臨界流狀態(tài)：當(dāng)放空過程越過臨界流繼續(xù)泄壓時，氣體進(jìn)入亞臨界流狀態(tài)，p1繼續(xù)下降，p2保持不變(仍等于pa)，出口流速逐漸減小，Mach2<1，瞬時放空量也隨之下降，在p0降至pa之前，該流態(tài)將持續(xù)進(jìn)行，直至天然氣放空系統(tǒng)內(nèi)各壓力值相等p0=p1=p2=pa，放空過程結(jié)束[3，6-7]。

2 放空系統(tǒng)放空量計算軟件開發(fā)

2.1 天然氣放空系統(tǒng)基本方程

輸氣干線放空系統(tǒng)放空量計算，以可壓縮流體摩擦絕熱一維流動的范諾方程和輸氣管路流動理論為基礎(chǔ)進(jìn)行求解。

2.1.1 放空管路摩阻系數(shù)

接下來玉敏要做的，是幫姑媽買鉆戒。玉敏找了老總，想打個大折。老總說既然是你姑父，就打個大折，三十萬吧。玉敏噘著嘴說，這還叫大折啊，那款鉆戒是我進(jìn)的，進(jìn)價才二十二萬。老總說房租水電工資費(fèi)用不都得攤點(diǎn)么。玉敏說攤?cè)f可以了吧，二十五萬行么？我姑父是稅務(wù)局長，就管我們這片的。老總聽說是稅務(wù)局長，馬上說，那就二十六萬吧，羅蘭可從沒賣過利潤率這么低的鉆戒呢。玉敏說謝謝老總，我會轉(zhuǎn)告姑父的。

放空管路摩阻系數(shù)f與雷諾數(shù)Re及管內(nèi)壁絕對粗糙度e有關(guān)，計算公式如式(1)。天然氣放空系統(tǒng)進(jìn)行放空時，氣流速度較高，雷諾數(shù)Re較大，對放空管路摩阻系數(shù)影響很小，因此一般在計算時可忽略Re的影響[8]。

然而，傳統(tǒng)的維修思想會造成不恰當(dāng)維修、絕大多數(shù)部件未被充分利用、設(shè)備利用率較低等現(xiàn)象。從這個層面來講，汽車的過度維修增加了維修后的人為故障，降低了汽車的可靠性水平；維修工時和備件過多，增加了汽車的使用成本和維修費(fèi)用；單位時間內(nèi)汽車停駛時間過長，降低了利用率。許多類型的故障的發(fā)生是偶然的，用簡單的定時拆卸方式，并不能防止和減少類似故障的發(fā)生；使用定期翻修的方式維修一些重要部件時，并不能達(dá)到預(yù)期維修效果。因此，實踐證明，汽車的可靠性水平與定時維修并無必然關(guān)系，傳統(tǒng)的維修思想不能很好地恢復(fù)和保持汽車固有可靠性。

(1)

式中：f為放空管路摩阻系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；e為管內(nèi)壁絕對粗糙度，m；d為放空管路內(nèi)徑，m。

2.1.2 氣體馬赫數(shù)

氣體馬赫數(shù)需要采用迭代方法進(jìn)行求解[6]，迭代式如式(2)。入口截面氣體馬赫數(shù)Mach1和出口截面氣體馬赫數(shù)Mach2的大小均未知，需要單獨(dú)進(jìn)行求解：

1)Mach1求解：將該迭代式轉(zhuǎn)化為關(guān)于Mach1的迭代計算式，假設(shè)Mach2為定值，通過迭代求解出Mach1。

2)Mach2求解：將該方程式轉(zhuǎn)化為關(guān)于Mach2的迭代計算式，將上面求得Mach1作為已知值代入，通過迭代求解出Mach2。

使用編制軟件對事故狀態(tài)下輸氣干線兩端閥室截斷時放空量進(jìn)行計算，放空系統(tǒng)基本參數(shù)見表1，程序計算結(jié)果見表2。將計算結(jié)果與SPS軟件模擬瞬時放空量[14]進(jìn)行對比，檢驗計算軟件結(jié)果的準(zhǔn)確性。

FA16-T設(shè)備使用MPLS包交換網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)空管甚高頻業(yè)務(wù)的透傳功能。極大降低了語音業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r延 （具體時延約在16ms左右），在空管管制席位可接受的時延范圍內(nèi)，保證了甚高頻業(yè)務(wù)的正常傳輸[4]。

式中：Mach1為入口截面氣體馬赫數(shù)；Mach2為出口截面氣體馬赫數(shù)；L為放空管路等效總長度，m；γ=CP/CV為氣體等熵指數(shù)，其中CP為定壓比熱，J/(kg·K),CV為定容比熱，J/(kg·K)。

2.1.4 放空管路阻力因子

天然氣壓縮因子Z通?？梢酝ㄟ^通用圖、經(jīng)驗公式以及狀態(tài)方程進(jìn)行求解，為了應(yīng)用于計算機(jī)求解以及得到較高精度的結(jié)果，而采用狀態(tài)方程進(jìn)行迭代求解，本文采用PR方程[10]，迭代式為：

Z3-(1-B)Z2+(A-2B-3B2)Z-(AB-B2-B3)=0

(3)

2.2.1 臨界流狀態(tài)下瞬時放空量

2.1.3 氣體壓縮因子

氣體馬赫數(shù)迭代計算式(2)左側(cè)項fL/d為放空管路阻力因子，包括放空管路入口阻力因子、放空管路阻力因子以及放空管路出口阻力因子。放空管路入口、出口阻力因子可通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得[6]，而放空管路阻力因子需要通過計算進(jìn)行求解，首先需要計算出放空管路等效總長度L以及放空管路摩阻系數(shù)f，其中放空管路等效總長度L包括彎頭、三通、閥門等效長度以及放空管段本身管長，然后根據(jù)fL/d即可求得放空管路阻力因子[3]。

2.1.5 放空閥入口截面參數(shù)

放空氣體通過輸氣干線管道進(jìn)入放空管路(p0T0→p1T1)的過程可視為一個典型的等熵?zé)崤蛎涍^程[4，6]，因此根據(jù)熱力學(xué)基本公式可以得出輸氣干線內(nèi)氣源壓力與放空閥入口截面壓力、輸氣干線內(nèi)氣源溫度與放空閥入口截面溫度計算關(guān)系式(4)、(5)，結(jié)合流體流動基本方程和基本熱力學(xué)方程，可以得出放空閥入口截面壓力與出口截面壓力、入口截面溫度與出口截面溫度計算關(guān)系式[4](6)、(7)：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：p0為輸氣干線內(nèi)氣體壓力，MPa；p1為放空閥入口截面壓力，MPa；T0為輸氣干線內(nèi)氣源溫度，K；T1為放空閥入口截面溫度，K；p2為放空閥出口截面壓力，MPa；T2為放空閥出口截面溫度，K。

2.1.6 瞬時放空量

上世紀(jì)六七十年代，罐頭是稀罕之物，除口味鮮美、食用方便外，還可以長期存放。但尋常人家是不會購買消費(fèi)的，那絕對是奢侈品。只有誰家老人患病，才會上供銷社買上兩瓶拎著去看望，表示一下心意。一般不會購買重樣的，要考慮顏色、形狀都有所區(qū)別。大部分購買的是蘋果、山楂、橘子、黃桃、楊梅、菠蘿等用玻璃瓶盛裝的罐頭。

對UPS的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測管理，但不對UPS進(jìn)行控制。通過UPS自帶的智能通訊接口和相應(yīng)的通訊協(xié)議內(nèi)容，實時顯示并保存UPS的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)，儲能電池soc參數(shù)及報警信息進(jìn)行實時監(jiān)測；能用直觀的圖形來指示UPS的運(yùn)行狀態(tài)。實時判斷UPS的部件是否發(fā)生報警，當(dāng)UPS的某部件發(fā)生故障或越限時，監(jiān)控主系統(tǒng)發(fā)出報警。

(8)

式中：W為瞬時放空量，kg/s；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；Z1為截面處天然氣壓縮因子。

2.3 實例計算

2.1.7 累計放空時間

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理，計量資料以表示，先做方差齊性檢驗，若方差齊性，則采用SNK法比較組間差異，不服從齊性分配采用friedman M檢驗，相關(guān)性分析采用person線性檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

放空時間受閥門開度、輸氣干線內(nèi)氣源壓力等影響，需要通過調(diào)節(jié)放空閥開度來控制放空時間，緊急情況下輸氣干線2個閥室之間線路放空時，需要在10～12h內(nèi)完成[12]。目前國內(nèi)外關(guān)于放空時間計算方法較少[7]，對于管徑較大的輸氣干線在事故狀態(tài)下兩端閥室截斷進(jìn)行放空時，放空時間的計算可采用式(9)進(jìn)行計算[13]：

(9)

式中：t為累計放空時間，s；p01、p02為放空前、后管道內(nèi)氣體絕對壓力，MPa;V為放空管段容量，m3；μ為閥門開啟度；F為放空閥全開時截面積，m2；g為重力加速度，N/kg，取9.8；T為管道溫度，K。

夏國忠趴在戰(zhàn)壕邊，盯著山坡上躬腰撅臀向上爬的鬼子，在心里默默地計算著距離。五百米，三百米，兩百米，一百米?！按?。”隨著一聲吼叫，夏國忠手里的沖鋒槍一陣掃射，沖在最前面的幾個鬼子應(yīng)聲倒了下去。

2.2 軟件程序計算流程

首先根據(jù)式(1)確定放空管路摩阻系數(shù)以及放空管路等效總長度，從而得出放空管路阻力因子fL/d，用于氣體馬赫數(shù)迭代計算，然后根據(jù)氣體所處的不同流態(tài)進(jìn)行瞬時放空量的計算。

4．動物感染試驗。結(jié)果小白鼠注射病原菌的第四天開始死亡，死亡的小白鼠皮膚發(fā)紺，剖檢肝、脾、肺、心出血，呈敗血癥，剖檢發(fā)現(xiàn)注射部位有直徑0.9～1.1 cm的膿腫，濃汁呈黃綠色。而對照組作的均未見死亡，從死亡的小白鼠的肝臟、重新分離到革蘭氏陽性單在、呈雙或鏈狀排列的球菌。試驗表明，分離的菌株對小白鼠有致病性。

隨著p2逐漸減小，當(dāng)p2降至pa時，臨界流結(jié)束，此時根據(jù)式(4)求得臨界氣源壓力p0c，即當(dāng)氣源壓力降至臨界氣源壓力之前放空氣體均處于臨界流狀態(tài)。臨界流狀態(tài)下放空管出口截面氣體流速達(dá)到臨界流速，Mach2=1，根據(jù)式(2)迭代計算出Mach1，將其代入式(4)、(5)，即得放空管入口截面壓力p1以及入口截面溫度T1，再根據(jù)式(8)計算求得臨界流狀態(tài)下瞬時放空量。

2.2.2 亞臨界流狀態(tài)下瞬時放空量

亞臨界流狀態(tài)下Mach2大小未知，需先假設(shè)Mach2=1，根據(jù)式(2)迭代計算出Mach1、Mach2，將其代入式(4)、(5)，即得放空管入口截面壓力p1以及入口截面溫度T1，再根據(jù)式(8)計算求得亞臨界流下瞬時放空量。

具體程序計算流程見圖2，根據(jù)該計算流程編制放空量計算軟件，可實現(xiàn)通過在該窗體中“輸入?yún)?shù)”中輸入基本參數(shù)以及閥門開度、輸氣干線氣源壓力等參數(shù)，即可計算得到不同流態(tài)下氣源壓力對應(yīng)的入口截面壓力、入口截面溫度、瞬時放空量以及累計放空時間的功能。

圖2 程序計算流程圖

管理方式改革穩(wěn)步推進(jìn)。借著“互聯(lián)網(wǎng)+”的東風(fēng)，珠航局積極促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與珠江航運(yùn)融合，打破信息孤島，實現(xiàn)政府部門、管理機(jī)關(guān)、港航企業(yè)間的信息互聯(lián)互通，全流域航運(yùn)信息資源共享。今年11月，珠江航運(yùn)綜合信息服務(wù)系統(tǒng)珠航局項目正式上線試運(yùn)行，該項目實現(xiàn)了部水運(yùn)局、海事局和廣東省交通運(yùn)輸廳數(shù)據(jù)的共享，與廣西交通運(yùn)輸主管部門的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)也已連通并實施數(shù)據(jù)交換，標(biāo)志著“數(shù)字珠江、智慧珠航”建設(shè)邁出新步伐。

(2)根據(jù)權(quán)數(shù)(3,1,3,1,3,1,3,1,3,1,3,1)確定的校驗碼，對“相鄰數(shù)字寫顛倒”的錯誤檢驗絕對有效嗎？請給予說明．

重復(fù)1)、2)過程，當(dāng)求得的Mach1及Mach2均達(dá)到穩(wěn)定收斂時，穩(wěn)定收斂迭代值即為所求的Mach1和Mach2[6，9]。

通過對計算結(jié)果分析可知：

1)在放空過程中瞬時放空量與放空壓力值呈線性遞減變化關(guān)系，與放空氣體所處流態(tài)無關(guān)，見圖3。

放空系統(tǒng)設(shè)計時需要根據(jù)瞬時放空量大小確定放空系統(tǒng)是否設(shè)置放空火炬，放空量大小通過調(diào)節(jié)閥門開度控制，控制的瞬時放空量越小，放空系統(tǒng)設(shè)計處理量越小[11]。瞬時放空量計算公式[3]為：

2)輸氣干線內(nèi)氣體壓力值p0及放空管路入口截面壓力p1均隨放空時間的增大而逐漸降低，其降低速率也逐漸減小，在臨界流區(qū)域急速下降，壓降變化值較大，而在亞臨界流區(qū)域下降幅度平緩，壓降變化值較小，見圖4。

3)利用SPS軟件對算例瞬時放空量進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)程序計算結(jié)果與模擬得到的結(jié)果誤差較小，驗證了軟件的準(zhǔn)確性。

一出門，丁香就給權(quán)箏打電話避開一切與自殺相關(guān)的敏感話題，直接切入“結(jié)婚”。她要求權(quán)箏別人說什么都別想，就問問自己對何東的感覺，他是不是比較接近你條件的男人？權(quán)箏想了一下說是，我長的不美，傻博一個，還不會持家，能找到他這樣的，很滿意。丁香就說，那還等什么？女人是性別上的弱勢群體，八十歲的男人還能傳種接代呢，八十歲的女人你試試？

表1 放空系統(tǒng)程序計算實例基本參數(shù)

表2 放空系統(tǒng)部分計算結(jié)果匯總表

圖3 瞬時放空量與輸氣干線內(nèi)氣體壓力變化關(guān)系曲線

2.4 閥門開度影響分析

閥門開度不同所對應(yīng)的放空管路阻力因子也不同，由式(2)可知，放空管路阻力因子影響氣體馬赫數(shù)，進(jìn)而影響閥門入口截面壓力以及放空量大小。由式(9)可知，閥門開度影響氣源壓力，進(jìn)而影響管道內(nèi)氣體臨界流動狀態(tài)。因此，放空系統(tǒng)中放空閥與管道流動的關(guān)系與相互影響是通過閥門開度影響氣體馬赫數(shù)以及氣源壓力而建立的。天然氣放空過程中常需要通過調(diào)節(jié)閥門開度來控制放空壓力、放空量以及放空時間，有必要對閥門開度的影響進(jìn)行分析，使用編制軟件對表1算例在不同閥門開度下進(jìn)行計算，得出輸氣干線氣體壓力與放空時間關(guān)系以及放空初始時刻最大瞬時放空量與閥門開度的關(guān)系見圖4～5，由此可知：

1)閥門開度對放空過程中輸氣干線內(nèi)氣體壓降及放空時間有較大影響，隨著閥門開度的增大，壓降將顯著增大，因此一般在放空開始時，為避免壓降過大導(dǎo)致溫度急劇降低，造成冰堵，放空閥的開度應(yīng)較小。

內(nèi)在因素是影響職前數(shù)學(xué)教師認(rèn)知發(fā)展的個人因素，其中最重要的是他們中學(xué)時代的經(jīng)歷．在訪談中，不少職前教師表達(dá)了自己在中學(xué)成長經(jīng)歷中教師教學(xué)對自己的影響，譬如“以往中學(xué)時數(shù)學(xué)做題多，較少關(guān)注概念的本質(zhì)理解．如對‘平均數(shù)’概念，我首先想到的就是它的除法意義，很少去思考它的統(tǒng)計意義”，“對于‘空氣質(zhì)量問題’，盡管很容易通過不同方法做出判斷，如從得出烏魯木齊空氣質(zhì)量好，以及從得出昆明空氣質(zhì)量好等判斷，但很少去思考這兩個不同判斷所蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計意義”，等等．

2)隨著閥門開度的增大，最大瞬時放空量逐漸增大，當(dāng)閥門開度增大至0.4后，最大瞬時放空量與閥門開度成線性遞增變化關(guān)系，變化幅度較小，由此可見在放空過程中通過調(diào)節(jié)閥門開度控制放空量時，閥門開度在0.4以下時能夠更有效調(diào)節(jié)放空量大小。

圖4 不同閥門開度下輸氣干線內(nèi)氣體壓力隨放空時間變化

圖5 瞬時放空量隨閥門開度變化

3 結(jié)論

1)基于程序語言編寫天然氣放空系統(tǒng)放空量計算軟件，可實現(xiàn)輸入氣源壓力、放空管規(guī)格和閥門開度等參數(shù)，求解出不同氣源壓力對應(yīng)的瞬時放空量，根據(jù)計算得到的最大瞬時放空量來確定是否設(shè)置放空火炬，為放空系統(tǒng)設(shè)計提供參照。

2)瞬時放空量與放空壓力值呈線性遞減變化關(guān)系，與放空氣體所處流態(tài)無關(guān)。隨著閥門開度的增大，最大瞬時放空量逐漸增大，當(dāng)閥門達(dá)到一定開度后瞬時放空量增大幅度較小，該閥門開度以下能夠更有效地調(diào)節(jié)放空量大小。

3)臨界流區(qū)域壓降速度快，壓降變化值較大；而亞臨界流區(qū)域壓降速度緩慢，壓降變化值較小。閥門開度對放空過程中氣體的壓降影響較大，隨著閥門開度增大，壓降將顯著增大。在放空開始時，為避免壓降過大導(dǎo)致溫度急劇降低，造成冰堵，放空閥的開度應(yīng)較小。

輸入層有200個處理單元，它們分別從富利哀譜中接受譜位輸入。隱層由10個處理單元組成。輸出層的三個處理單元分別代表結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三種損壞狀態(tài)。

4)軟件計算結(jié)果與SPS軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比，誤差較小，符合現(xiàn)場工程實際。

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2015-06-15

國家科技重大專項大型油氣田及煤層氣開發(fā)(2008ZX05017-04-01)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助(15CX06071A)

白 雪(1991-)，女(蒙古族)，內(nèi)蒙古通遼人，碩士研究生，主要從事油氣儲運(yùn)系統(tǒng)安全工程技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.003