天然气管道泄压设计计算书

概述1.1工程背景天然气长输管道分输站承担接收干线来气、调压计量后向城镇燃气用户或工业用户供气的功能。站内调压橇上游为高压管道系统，下游为中（低）压管道及汇管系统。当调压（控制）阀发生故障全开、安全切断联锁失效、站场管道遭遇外部火灾或管道内介质受热膨胀时，调压橇下游中（低）压系统存在超压风险，可能导致管道、法兰、阀门、过滤器及计量设备破裂，进而引发天然气大量泄漏、火灾爆炸等次生事故。依据《输气管道工程设计规范》GB50251-2015第3.4.3条强制性条文的规定，存在超压的管道、设备和容器，必须设置安全阀或压力控制设施。为保证调压橇下游中压系统在任何单一支路故障及外部灾害工况下不超过其允许承压限度，需设置独立的安全泄放系统，并对其泄放能力、泄放管网背压进行系统计算与核验。1.2计算目的与范围本计算书的计算目的为：（1）辨识调压橇出口中压管道及汇管系统的全部合理超压工况，确定各工况下的安全泄放量；（2）依据临界流理论计算安全阀所需最小泄放面积，选定安全阀的喉径规格、型式及公称尺寸；（3）计算安全阀出口泄放支管及放空立管在最大泄放工况下产生的动背压，复核背压限值、流动状态及管内马赫数；（4）对安全阀入口管道压力损失、出口反力等进行安全核验，提出施工、运行与维护要求。本计算书的计算范围为：××天然气分输站调压橇出口中压管道、出站汇管、安全阀及其入口管道、泄放支管、放空立管。站外干线管道及站内高压系统的泄压设计不在本计算书范围之内。1.3设计原则（1）安全泄放系统按”先联锁切断、后安全泄放”的多级保护原则设置，安全阀为防止系统超压的最终机械保护设施；（2）超压工况及泄放量的确定遵循单一故障准则，并考虑火灾等外部灾害工况，取各工况泄放量的最大值作为安全阀选型依据；（3）安全阀定压不大于被保护系统的设计压力；泄放时系统内任何点的压力不超过规范允许的超压限度；（4）泄放管网按背压不影响安全阀正常动作和额定泄放能力设计，泄放气体经放空立管安全排入大气；（5）计算所采用的公式、系数及物性参数均有明确来源，全部数值可追溯、可复算。2设计基础条件2.1被保护系统概况被保护系统为调压橇出口至出站截断阀之间的中压天然气管道、出站汇管及附属设备，其主要参数见表2-1。表2-1被保护系统主要参数序号项目参数单位备注1管道规格Φ323.9×6.3mmL360M直缝/无缝钢管2管道内径311.3mm按名义壁厚计3管道设计压力1.6MPa（表）中压系统4最大允许操作压力1.4MPa（表）调压橇出口设定5管道设计温度-10～+60℃—6汇管规格DN300，L=10m含排污、放空接口7系统计算容积8.0m³含汇管、过滤器及站内管道8管道腐蚀裕量1.5mm—9高压侧设计压力6.3MPa（表）调压橇入口10高压侧最大操作压力5.9MPa（表）绝压按6.0MPa计2.2天然气物性参数管输天然气以甲烷为主，其典型组成（摩尔分数）为：甲烷95.2%、乙烷2.6%、丙烷0.6%、氮气1.1%、二氧化碳0.5%。据此计算并结合工程经验取值，物性参数见表2-2。表2-2天然气物性参数序号物性符号数值单位1平均摩尔质量M17.0kg/kmol2相对密度（对空气）Sg0.587—3绝热指数（比热比）k1.31—4定压比热Cp2.067kJ/(kg·K)5高压侧压缩因子（6.0MPa绝，313K）Zh0.88—6泄放条件压缩因子（1.84MPa绝，313K）Z0.93—7泄放管网压缩因子（低压）Zb0.98～1.00—8标态密度（101.325kPa，293.15K）ρn0.707kg/m³9动力黏度μ1.2×10⁻⁵Pa·s10爆炸极限（体积分数）—5.0～15.0%2.3设计压力与温度条件（1）高压侧：设计压力6.3MPa（表），最大操作压力5.9MPa（表），计算按绝压6.0MPa计；（2）中压侧（被保护系统）：设计压力1.6MPa（表），最大允许操作压力1.4MPa（表）；（3）计算温度：操作及泄放计算温度统一取最不利环境温度313.15K（40℃）；火灾工况的热输入按规范规定的火焰热通量计；（4）大气压按0.101325MPa计。除特别注明外，本计算书中公式所用压力均为绝对压力。3标准规范引用本计算书编制所依据的主要标准、规范及技术文件见表3-1。当引用标准之间存在差异时，按较严格者执行。表3-1引用标准规范一览表序号标准名称标准编号版本/年份1输气管道工程设计规范GB5025120152石油天然气工程设计防火规范GB5018320043气田集输设计规范GB5034920154安全阀一般要求GB/T1224120215弹簧直接载荷式安全阀GB/T1224320216过压保护安全装置通用数据GB/T3658820187压力释放阀第1部分：安全阀GB/T24921.120108安全阀的设置和选用HG/T20570.219959固定式压力容器安全技术监察规程TSG2120164泄压系统方案4.1超压工况辨识依据APIRP521、HG/T20570.2及本工程工艺流程特点，对被保护系统可能出现的超压工况进行辨识，结果见表4-1。表4-1超压工况辨识表工况编号超压工况工况描述发生可能性是否需定量计算C-1调压（控制）阀故障全开调压器失效全开且安全切断阀联锁失效，高压气窜入中压系统中是C-2站场管道外部火灾装置区池火/喷射火使管道内气体受热膨胀低是C-3紧急放空ESD触发后系统须在15min内降至设计压力的50%中是C-4出口阀门误关闭出站阀误关而调压器继续供气中分析（不控制）C-5管道破裂中压管道全尺寸断裂极低分析（不控制）C-6满管液体热膨胀管道内无游离液，设分离器及排污极低不适用4.2泄压系统组成本工程泄压系统由以下部分组成：（1）安全阀（PSV）：安装于调压橇出口出站汇管上，为全启式先导安全阀，入口设检修闸阀（铅封开启）；（2）入口管道：自汇管顶部引出，经异径管、检修闸阀接至安全阀入口；（3）出口泄放支管：自安全阀出口经异径管、闸阀接至放空立管；（4）放空立管：直立安装，顶端不设弯管，出口平口，底部设排液阀及加固措施；（5）紧急放空阀（BDV）：设于汇管，与ESD系统联锁，可限流孔板控制泄放速率。4.3安全阀型式比选常用全启式安全阀包括弹簧直接载荷式、波纹管背压平衡式及先导式三种，其比选见表4-2。表4-2安全阀型式比选表比选项目弹簧直接载荷式波纹管背压平衡式先导式允许总背压（占定压）≤10%≤30%～50%≤60%～80%背压对定压影响显著波纹管隔离基本无影响密封性（接近定压时）一般一般优动作可靠性较好波纹管易疲劳导阀失效时主阀仍可开启适应高压差工况一般一般优造价低中较高适用性结论背压要求过严可作备选推荐选用经比选，本工程选用全启式先导安全阀，其动作性能基本不受背压影响、密封性好、适应天然气高压差泄放；同时泄放管网仍按GB50251第3.4.5条规定的背压不大于泄放压力10%的要求从严设计。5泄放量计算5.1工况C-1：调压（控制）阀故障全开调压橇入口高压侧最大操作压力为5.9MPa（表），按绝压Ph=6.0 MPa计。当工作调压器故障全开、监控调压器及安全切断阀均失效时，高压天然气经故障阀窜入中压系统，安全阀所需泄放量按HG/T20570.2式（W式中：W——质量泄放流量，kg/h；Cv1——故障阀全开时的流量系数，取42Cv2——故障阀最小流量位置的流量系数，取7Ph——高压侧工作绝对压力，MPa，取6.0Sg——天然气相对密度（对空气），取0.587T——泄放温度，K，取313.15。代入计算：W折合标态体积流量：Q高压侧操作密度按式（5-2）校核：ρ5.2工况C-2：站场管道外部火灾5.2.1湿表面积装置区内可能受火的中压管道按当量长度L=30 m计，管道外径DA5.2.2火焰热输入无消防水喷淋、无保温时，火焰对管道的热通量取q=82 kW/m²（APIRP521及HG/T20570.2Q5.2.3火灾泄放量对仅含气体的管道，在安全阀开启、系统压力基本恒定的条件下，由开口系统能量平衡可得火灾泄放量按式（5-5）计算，取初始温度时泄放量最大，偏于安全。W折合标态体积流量约1.97×5.3工况C-3：紧急放空5.3.1管存质量被保护系统计算容积V=8.0 m³。紧急放空初始压力按最大操作压力P1=1.5 MPa（绝）计，目标终压为设计压力的50%m代入得：mm需泄放质量Δm=5.3.2泄放能力与放空时间紧急放空阀取DN50，其初始临界泄放能力按孔口临界流公式（5-7）估算：W取孔口直径d=50 mm、A=1963 mm²、C临界泄放时管内压力随时间按指数规律衰减，放空时间按式（5-8）计算：t代入得时间常数τ=t故紧急放空系统满足GB50251第3.4.7条第3款关于15min内将系统压力降至设计压力50%的要求。实际工程中通过限流孔板控制泄放速率，以降低噪声、振动及出口反力。5.4其他工况分析（1）工况C-4（出口阀门误关闭）：出站阀误关时调压器继续供气，其泄放量等于调压器最大供气量，即工况C-1的流量构成之一，已被C-1覆盖，不另控制；（2）工况C-5（管道破裂）：中压管道全尺寸断裂时，裂口泄放能力远大于安全阀，安全阀不能也不必控制该工况，应由ESD联锁关闭进站安全切断阀控制泄漏量；（3）工况C-6（满管液体热膨胀）：本系统介质为干天然气，管道无游离液积存，不设液体热膨胀泄放；（4）经分析，无其他未被覆盖的独立超压工况。5.5泄放量汇总各工况泄放量计算结果汇总于表5-1。表5-1各工况泄放量汇总表工况编号超压工况质量泄放量（kg/h）标态泄放量（Nm³/h）是否控制工况C-1调压阀故障全开288334.08×10⁴是C-2外部火灾139241.97×10⁴否C-3紧急放空瞬时约18342—否C-4出口阀误关被C-1覆盖—否C-5管道破裂ESD联锁控制—否由表5-1，安全阀设计泄放量取控制工况C-1，即W=6安全阀泄放面积计算6.1安全阀定压中压系统最大允许操作压力P=1.4 MPa，因P≤1.8 MPa，按GB50251第3.4.4条第P规范另规定：当1.8 MPa<P≤7.5 MPa时按式（6-2），当PP本工程取定压P0=1.58 6.2泄放压力气体安全阀超压取10%，泄放压力（绝压）为：P对应表压1.738MPa。6.3临界流动判断安全阀出口为临界流的判据见式（6-4）：P临界压力比：r即临界流动压力Pcf=1.83936.4气体特性系数气体特性系数按式（6-5）计算：X代入得：X6.5临界流泄放面积临界流动条件下，安全阀最小泄放面积按HG/T20570.2式（8.0.3-2）即式（6-6）计算：a式中：a——最小泄放面积，mm²；W——质量泄放流量，kg/h，取28833；C0——流量系数（额定泄放系数），无制造厂数据时取0.975Kb——背压修正系数，先导式安全阀取1.0Z——泄放条件压缩因子，取0.93。代入计算：a计算喉径按式（6-7）：d6.6亚临界流计算方法当背压大于临界流动压力时为亚临界流动，其最小泄放面积按HG/T20570.2式（8.0.3-4）即式（6-8）计算：a式中Kf为亚临界流动系数，由背压比及绝热指数查规范曲线图确定。本工程经第7章计算，阀出口背压远小于临界流动压力，流动处于临界状态，故式（6-86.7安全阀选定依据APIStd526标准喉径面积系列（表6-1），按计算最小泄放面积向上圆整选取。表6-1APIStd526标准喉径面积（节选）喉径代号喉径面积（mm²）喉径代号喉径面积（mm²）H506L1840J830M2322K1185N2800计算面积a=2517 mm²，介于M（2322mm²）与N（2800mm²）之间，向上选取N口径，喉径面积aN=2800 mm²6.8额定泄放能力核验所选N口径安全阀在本工程泄放条件下的额定泄放能力按式（6-9）核验：W代入得：W额定能力Wcap=32073 kg/h大于设计泄放量28833kg/h，裕量约7背压计算与泄放管网设计7.1背压组成与限值安全阀背压分为静背压与动背压。静背压为安全阀未起跳时出口处的压力，本系统泄放管网经放空立管直通大气，静背压为大气压；动背压为安全阀起跳后流体流经泄放管网产生的摩擦及局部阻力压降。依据GB50251第3.4.5条，单个安全阀泄放管按背压不大于泄放压力（表压）的10%确定：P7.2泄放管网参数泄放管网由出口泄放支管（DN200）和放空立管（DN300）组成，参数见表7-1。表7-1泄放管网参数表管段规格内径（mm）长度（m）备注泄放支管Φ219.3×6.3（DN200）206.710阀出口异径后接出放空立管Φ323.9×7.1（DN300）309.715顶端平口、不设弯管7.3质量流速与摩擦系数管段质量流速按式（7-1）计算：G按额定泄放量W=32073 GG雷诺数按式（7-2）计算：Re支管Re2=4.57×106，立管Re1因雷诺数很大，可只取粗糙度项，得支管λ2=0.0182，立管7.4局部阻力系数泄放管网局部阻力系数取值见表7-2。表7-2局部阻力系数表管件数量单个K小计90°标准弯头（支管）20.300.60闸阀（全开，支管）10.170.17突然扩大（DN200入DN300）10.3080.308立管出口（排入大气）11.001.00突然扩大阻力系数按式（7-4）计算：K7.5放空立管段压降泄放管网内气体压力较低、流动接近等温，采用可压缩流体等温流动方程（7-5），由立管出口（大气压）向上逐段反算：P式中Rs=8314/17=PP7.6泄放支管段压降（动背压）支管段Zb=0.98PP总背压折合表压Pb7.7背压汇总与临界流复核背压计算结果汇总及复核见表7-3。表7-3背压汇总与复核表项目计算值限值/判据结论立管底部压力（绝）0.1189MPa——阀出口总背压（绝/表）0.1867/0.0853MPa——背压占泄放压力（表）比例4.91%≤10%满足背压与泄放压力（绝）之比0.1015≤0.5439临界流背压与临界流动压力比较0.1867MPa≤1.000MPa临界流故安全阀在额定泄放工况下保持临界流动，背压不影响其动作及额定泄放能力，满足GB50251第3.4.5条要求。7.8入口管道压力损失核验安全阀入口管取DN100（内径105.3mm），长度1.5m，含1个90°弯头及1个闸阀。管内质量流速G1=1023.0 kg/(m²·s)，摩擦系数λ1Δ代入得：Δ占定压比例ΔPin/P07.9管内马赫数核验马赫数按式（7-7）计算，声速按式（7-8）计算：MaU泄放支管起点密度ρ2=1.244 kg/m³M支管马赫数0.481，满足排入密闭泄放系统管道马赫数取0.5～0.7的下限要求且接近直接排大气0.5的控制值；立管出口马赫数约0.49，均在允许范围内。7.10出口反力放空立管出口流速U3=G3/F出口静压接近大气压，第二项可忽略：F设计应对放空立管底部及根部焊缝按该反力进行锚固和加强，立管设置稳管加固措施，排放期间划定警戒范围，避免人员靠近。8安全核验汇总本工程泄压系统各项安全核验结果汇总于表8-1。表8-1安全核验汇总表序号核验项目计算/设计值标准要求结论1安全阀定压1.58MPa（表）≤设计压力1.6MPa满足2设计泄放量28833kg/h覆盖全部工况最大值满足3计算最小泄放面积2517mm²——4选定喉径面积N口径2800mm²≥2517mm²满足5额定泄放能力32073kg/h≥28833kg/h满足6流动状态临界流背压比≤0.5439满足7总背压（表）0.0853MPa≤0.1738MPa满足8背压占泄放压力比例4.91%≤10%满足9入口管压力损失1.99%定压≤3%满足10支管马赫数0.481≤0.5～0.7满足11紧急放空时间8.45s≤15min满足12出口反力1593N锚固加强满足13泄放管管径DN200/DN300不小于阀出口、不缩径满足9结果分析与工程指导意义9.1结果分析（1）控制工况为调压（控制）阀故障全开，其泄放量28833kg/h明显大于外部火灾工况的13924kg/h，约为火灾工况的2.07倍。这表明对于分输站调压橇下游中压系统，高压气窜入是超压风险的主要矛盾，安全阀设计及联锁保护应重点围绕该工况；（2）选用N口径先导安全阀（DN80×DN100），额定能力较设计泄放量留有约11.2%的裕量，既保证泄放可靠，又避免了选过大口径造成的投资浪费及小工况下的频繁启闭；（3）泄放管网按DN200支管、DN300放空立管设计时，总背压仅占泄放压力（表）的4.91%，低于规范10%的限值，且流动保持临界状态，说明所选管径留有充分余量；若受投资限制，先导式安全阀本身可承受更高背压，但仍建议维持本设计管径，以降低噪声、振动及反力；（4）入口管压力损失控制在定压的1.99%，支管马赫数0.481，均处于规范允许范围，系统不会发生阀瓣颤振、管道声振等问题。9.2工程指导意义（1）本计算书确定的安全阀定压、喉径规格、泄放管网管径及锚固要求，可直接作为安全阀采购、管道安装及放空立管基础设计的依据；（2）计算表明多级保护（安全切断阀＋监控调压器＋安全阀）对分输站中压系统必不可少，工程中应确保安全切断阀联锁可靠、定期试验，从源头降低安全阀动作概率；（3）临界流判据、气体特性系数及等温流背压计算方法可用于本工程其他压力等级支路的泄压设计，具有推广价值；（4）设计中对火灾热通量、当量受火长度、压缩因子等参数的取值原则，为后续运行阶段的超压复核和变更管理提供了基准。9.3施工与运行维护要求（1）安全阀应竖直安装于汇管顶部，入口管短而直，不允许出现袋形积液；进出口检修阀应铅封在全开状态，并设明显标识；（2）泄放支管应顺流向以45°角接入放空立管，避免袋形弯，低点设排液阀；放空立管顶端不设弯管，出口平口，底部按1593N反力锚固；（3）安全阀投入使