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

本发明专利技术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Vmax；步骤五，计算放空天然气的声速Vs，当Vmax>Vs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≤Vmax/Vs≤1.0时停止。本发明专利技术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。

An adaptive constraint method for calculating the maximum velocity of natural gas vent pipeline

【技术实现步骤摘要】
一种计算天然气放空管道最大流速的自适应约束方法
本专利技术属于天然气管道设计
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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；(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；Vs为当地声速，单位为m/s；Vmax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≤Vmax/Vs≤1.0时，停止放空管道最大流速的调整过程。本专利技术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。本专利技术方法计算流程清晰、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为本专利技术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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不局限于以下实施例。本专利技术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，可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；ρm为放空管道内的混合物密度，单位为kg/m3；Vm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，τm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；Gv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，Cp为恒定压力比热容，单位为J/(kg·K)；Cv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专利技术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。以本专利技术所给出的方法，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、本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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。

【技术特征摘要】
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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾文龙，杨帆，李长俊，吴瑕，王博，班久庆，邹宇，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51