CN116205013A - 一种天然气放散量及放散时间计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种天然气放散量及放散时间计算方法及装置。所述方法包括：基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型；根据所述模型计算天然气放散量；将天然气管道放散过程中的气体流动划分为临界状态和亚临界状态，基于能量守恒定律和气体方程分别建立临界状态和亚临界状态下的放散时间计算模型；通过利用所述模型分别计算临界状态和亚临界状态下的放散时间并求和，得到天然气放散时间。本发明采用实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型，能够更加符合实际环境，计算结果更加准确；本发明把整个天然气管道气体流动分成临界状态和亚临界状态，将复杂的放散时间计算过程简单化，同时计算结果的精确度能够满足工程要求。
Description
技术领域
本发明属于天然气放散量计算技术领域，具体涉及一种天然气放散量及放散时间计算方法及装置。
背景技术
21世纪以来，世界天然气工业快速发展，天然气行业也愈来愈生机盎然，天然气管线也因此得到空前的发展。作为铁路、公路、航空、水运、管道5大运输方法之一的管道运输，已然成为目前天然气运输体系的重要组成部分，承担着我国98％的天然气运输任务，天然气运输管线如同生命线一般，连接着上游气源和下游用户，时刻关系着国家经济与人民的幸福生活，对天然气行业发展与国家经济腾飞的重要性不言而喻。
1996年06月中石化齐鲁石化火炬管网超压密封罐堵塞，导致放空火炬气无法及时排出，罐内压力超出设计压力。管道***的正常操作受到严重破坏。2000年8月罗门哈斯工厂放空***回火失效，引起***热空气窜入火炬***，导致火炬***中温度升高瞬间升至300℃，引起***内负压，混合气剧烈燃烧。放空***水封破坏，造成少数人员伤亡。放空***设计和运行可能会导致不同类型的事故发生，造成诸多严重的安全问题。因此，深入研究天然气管道放空过程的流动状态、管道压降与安全泄放装置的泄放量之间的关系，对于判断放空火炬***的设计是否合理具有重要的现实意义。同时，现场的放空数据只有放空时间，无具体的放空流动过程以及放空过程的各流动参数变化；并且目前现场放空只是不间断的调节阀门开度，并无固定的放空操作步骤。因此，构建天然气管道放散模型，掌握天然气放散规律，可减少天然气管道操作事故率、降低天然气泄漏造成的损失，提高天然气管道安全运行的能力。
由于天然气放散量计算比较复杂，现有天然气放散量计算方法，在工程上一般采用估算方法，虽然计算简便，然而常用的质量级估算方法计算的结果精确度不高。误差较大时，对工程的施工时间、后续进程影响较大，尤其在出现天然气泄漏时，对于削弱、阻断和消除风险来说，计算结果的精确度尤为重要。现有天然气放散时间计算模型中一般是基于连续性方程、动量方程和能量方程，建立非线性偏微分方程组，再通过图解法、解析法和数值法等进行求解，整个计算过程复杂度较高，虽然精度高，仅适合于理论仿真研究，难以满足实际工程要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种天然气放散量及放散时间计算方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
第一方面，本发明提供一种天然气放散量及放散时间计算方法，包括以下步骤：
基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型；
根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量；
将天然气管道放散过程中的气体流动划分为临界状态和亚临界状态，基于能量守恒定律和气体方程分别建立临界状态和亚临界状态下的放散时间计算模型；
通过利用所述模型分别计算临界状态和亚临界状态下的放散时间并求和，得到天然气放散时间。
进一步地，所述基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型，包括：
标准状态下实际气体状态方程为：
式中，p0＝0.101325MPa，为标准状态下的绝对压力；T0＝293.15K，为标准状态下的温度；pap为管道内气体平均绝对压力；Tat为管道内气体平均温度；Z0为标准状态下的压缩因子；Z1为实际环境下的压缩因子；D、L分别为管道直径和长度；
由(1)式得到放散量：
更进一步地，所述根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量，包括：
计算管道内气体平均绝对压力：
式中，p1、p2分别为压力管道起点和终点的气体压力；px为距管道起点x处的气体压力；
计算管道内气体平均温度：
式中，T1、T2分别为压力管道起点和终点的气体温度；
计算实际环境下的压缩因子：
式中，Δ为气体的相对密度；
将(4)、(5)、(6)式代入(3)式，得到天然气放散量。
更进一步地，放散时间计算模型的建立方法包括：
根据质量守恒定律得：
Vdρ＝-vmdt (7)
式中，V为管道容积；ρ为天然气密度；vm为质量流量；t为放散时间；R为天然气的气体常数；
根据环境气压pa与管道内气体平均气压pap的比pa/pap的大小，将管道内整个气体流动过程划分为两个状态：pa/pap≤α时为临界状态，pa/pap>α时为亚临界状态，α为临界压力比；
分别计算临界状态和亚临界状态下的质量流量vm1、vm2：
式中，μ为放散管道开启度；d为放散管道内直径；K为绝热指数，pc为临界压力；
分别将(9)、(10)式代入(7)式，并求积分可得临界状态和亚临界状态的放散时间t1和t2：
式中，pf为放散前气体的绝对压力，pb为放散后气体的绝对压力；
计算总的放散时间：t＝t1+t2。
更进一步地，α＝0.55。
第二方面，本发明提供一种天然气放散量及放散时间计算装置，包括：
第一建模模块，用于基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型；
第一计算模块，用于根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量；
第二建模模块，用于将天然气管道放散过程中的气体流动划分为临界状态和亚临界状态，基于能量守恒定律和气体方程分别建立临界状态和亚临界状态下的放散时间计算模型；
第二计算模块，通过利用所述模型分别计算临界状态和亚临界状态下的放散时间并求和，得到天然气放散时间。
进一步地，所述基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型，包括：
标准状态下实际气体状态方程为：
式中，p0＝0.101325MPa，为标准状态下的绝对压力；T0＝293.15K，为标准状态下的温度；pap为管道内气体平均绝对压力；Tat为管道内气体平均温度；Z0为标准状态下的压缩因子；Z1为实际环境下的压缩因子；D、L分别为管道直径和长度；
由(1)式得到放散量：
更进一步地，所述根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量，包括：
计算管道内气体平均绝对压力：
式中，p1、p2分别为压力管道起点和终点的气体压力；px为距管道起点x处的气体压力；
计算管道内气体平均温度：
式中，T1、T2分别为压力管道起点和终点的气体温度；
计算实际环境下的压缩因子：
式中，Δ为气体的相对密度；
将(4)、(5)、(6)式代入(3)式，得到天然气放散量。
更进一步地，放散时间计算模型的建立方法包括：
根据质量守恒定律得：
Vdρ＝-vmdt (7)
式中，V为管道容积；ρ为天然气密度；vm为质量流量；t为放散时间；R为天然气的气体常数；
根据环境气压pa与管道内气体平均气压pap的比pa/pap的大小，将管道内整个气体流动过程划分为两个状态：pa/pap≤α时为临界状态，pa/pap>α时为亚临界状态，α为临界压力比；
分别计算临界状态和亚临界状态下的质量流量vm1、vm2：
式中，μ为放散管道开启度；d为放散管道内直径；K为绝热指数，pc为临界压力；
分别将(9)、(10)式代入(7)式，并求积分可得临界状态和亚临界状态的放散时间t1和t2：
式中，pf为放散前气体的绝对压力，pb为放散后气体的绝对压力；
计算总的放散时间：t＝t1+t2。
更进一步地，α＝0.55。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
(1)由于理想状态下气体状态方程忽略了气体分子自身大小和分子之间的相互作用力，不符合实际工程情况。本发明采用实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型，能够更加符合实际环境，计算结果更加准确；
(2)由于天然气放散过程中管道内压力随放散时间不断下降，且规律复杂，其气体性质随时间不断变化，准确计算放散时间比较困难。本发明把整个天然气管道气体流动分成临界状态和亚临界状态，不考虑放散管摩擦力，将复杂的放散时间计算过程简单化，同时计算结果的精确度能够满足工程要求。
附图说明
图1为本发明实施例一种天然气放散量及放散时间计算方法的流程图。
图2为天然气管道放散量及放散时间计算示意图。
图3为天然气管道平均压力计算示意图。
图4为本发明实施例一种一种天然气放散量及放散时间计算装置的方框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一种天然气放散量及放散时间计算方法的流程图，包括以下步骤：
步骤101，基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型；
步骤102，根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量；
步骤103，将天然气管道放散过程中的气体流动划分为临界状态和亚临界状态，基于能量守恒定律和气体方程分别建立临界状态和亚临界状态下的放散时间计算模型；
步骤104，通过利用所述模型分别计算临界状态和亚临界状态下的放散时间并求和，得到天然气放散时间。
本实施例中，步骤101主要用于建立天然气放散量计算模型。本实施例基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量的计算模型，能够得到计算方便和准确的天然气放散量，同时满足实际工程要求。后面的实施例将给出一种具体的计算模型。
本实施例中，步骤102主要用于计算天然气放散量。本实施例利用建好的放散量计算模型，将模型中包含的相关常量、管道参数以及实测变量值代入模型中进行计算便可得到天然气放散量。相关常量包括标准状态下气压、温度和压缩因子等，管道参数包括管道直径和长度等，实测变量值包括管道起点和终端的气压和温度等。
本实施例中，步骤103主要用于建立放散时间计算模型。为了简化计算，本实施例将天然气管道放散过程中的气体流动划分为临界状态和亚临界状态，并基于能量守恒定律和气体方程分别建立临界状态的放散时间计算模型和亚临界状态的放散时间计算模型。两个模型求和就得到总的放散时间计算模型。
本实施例中，步骤104主要用于计算天然气放散时间。本实施例利用建好的放散时间计算模型，将模型中包含的相关参数变量值代入模型中，分别计算临界状态下的放散时间和亚临界状态下的放散时间，求和后得到天然气总的放散时间。
作为一可选实施例，所述基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型，包括：
标准状态下实际气体状态方程为：
式中，p0＝0.101325MPa，为标准状态下的绝对压力；T0＝293.15K，为标准状态下的温度；pap为管道内气体平均绝对压力；Tat为管道内气体平均温度；Z0为标准状态下的压缩因子；Z1为实际环境下的压缩因子；D、L分别为管道直径和长度；
由(1)式得到放散量：
本实施例给出了建立天然气放散量计算模型的一种技术方案。首先列出标准状态下实际气体状态方程，如(1)式。(1)式左边对应放散气体状态，本实施例设定为标准状态，(1)式右边对应管道内气体状态，由于实际情况中放散管道较长，起点和终点压差和温差都较大，故需要求平均绝对压力pap和平均温度Tat，如图2所示。然后由(1)式求出放散量V1的表达式，得到天然气放散量计算模型，如(3)式。
作为一可选实施例，所述根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量，包括：
计算管道内气体平均绝对压力：
式中，p1、p2分别为压力管道起点和终点的气体压力；px为距管道起点x处的气体压力；
计算管道内气体平均温度：
式中，T1、T2分别为压力管道起点和终点的气体温度；
计算实际环境下的压缩因子：
式中，Δ为气体的相对密度；
将(4)、(5)、(6)式代入(3)式，得到天然气放散量。
本实施例给出了根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量的一种技术方案。放散量计算模型如(3)式，其中，pap、Tat、Z1为未知量，需逐一求解后代入(3)式。
当输气管道停输时，会出现压力平衡现象，输气管道内的压力并不像输油管道那样立刻消失，而是仍处于压力状态下，高压端的气体逐渐流向低压端。这样，起点压力p1就逐渐下降；而低压端因有高压气体流入，终点压力p2逐渐上升，最后两端压力都达到某个平均值，即平均压力，天然气管道平均压力计算模型如图3所示。管道平均压力pap可通过按管道全长对压力下降函数积分求出，如(4)式。进而得到平均气温Tat，如(5)式。
实际环境下的压缩因子Z1的求解，本实施例采用美国加利福尼亚天然气协会(CNGA)公式，其适用于气体相对密度为0.55-0.70，气体压力为0-6.89MPa,气体温度为272.2-333.3K的天然气，符合我国燃气管道的实际情况。具体如(6)式。
作为一可选实施例，放散时间计算模型的建立方法包括：
根据质量守恒定律得：
Vdρ＝-vmdt (7)
式中，V为管道容积；ρ为天然气密度；vm为质量流量；t为放散时间；R为天然气的气体常数；
根据环境气压pa与管道内气体平均气压pap的比pa/pap的大小，将管道内整个气体流动过程划分为两个状态：pa/pap≤α时为临界状态，pa/pap>α时为亚临界状态，α为临界压力比；
分别计算临界状态和亚临界状态下的质量流量vm1、vm2：
式中，μ为放散管道开启度；d为放散管道内直径；K为绝热指数，pc为临界压力；
分别将(9)、(10)式代入(7)式，并求积分可得临界状态和亚临界状态的放散时间t1和t2：
式中，pf为放散前气体的绝对压力，pb为放散后气体的绝对压力；
计算总的放散时间：t＝t1+t2。
本实施例给出了建立放散时间计算模型的一种技术方案。首先根据质量守恒定律列出(7)式所示的微分方程；然后根据环境气压pa与管道内气体平均气压pap的比pa/pap是否超过临界压力比α，将管道内整个气体流动过程划分为临界状态和亚临界状态，先分别计算临界状态和亚临界状态下的质量流量vm1、vm2，如(9)、(10)式；再进一步计算临界状态和亚临界状态下的放散时间t1、t2，如(12)、(13)式。(13)式的积分计算比较复杂，可通过python编程的方式计算求解，从而得到亚临界状态天然气放散时间t2；最后求和t＝t1+t2，得到总的放散时间计算模型。
作为一可选实施例，α＝0.55。
本实施例给出了临界压力比α的一种具体值。临界压力比是绝热指数K的函数，如(11)式。绝热指数K是温度的函数，在常温下K可近似当作定值，对于由多原子分子组成的天然气等气体，通常K取1.3。将K＝1.3代入(11)式得到α＝0.55。
下面给出应用本发明实施例进行放散量和放散时间计算的2个实例。
实例1
管道及气体参数为：
管道长L＝30km，管道内径D＝0.411m，放散管内径d＝0.098m，放散管开启度μ＝1，放散管初始管平均压力4MPa，放散管结束管平均压力0MPa，平均气体温度200C。
计算结果为：
实际放散量：169563m3，计算放散量：172000m3；
实际放散时间137分：计算放散时间：140分。
实例2
管道及气体参数为：
管道长L＝10km，管道内径D＝0.4m，放散管内径d＝0.1m，放散管开启度μ＝0.8，放散管初始管平均压力2.5MPa，放散管结束管平均压力0MPa，平均气体温度200C。
计算结果为：
实际放散量：32421m3，计算放散量：32769m3；
实际放散时间48分：计算放散时间：49分。
2个计算实例结果表明，计算结果与实际数据非常接近。
图4为本发明实施例一种天然气放散量及放散时间计算装置的组成示意图，所述装置包括：
第一建模模块11，用于基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型；
第一计算模块12，用于根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量；
第二建模模块13，用于将天然气管道放散过程中的气体流动划分为临界状态和亚临界状态，基于能量守恒定律和气体方程分别建立临界状态和亚临界状态下的放散时间计算模型；
第二计算模块14，通过利用所述模型分别计算临界状态和亚临界状态下的放散时间并求和，得到天然气放散时间。
本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。
作为一可选实施例，所述基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型，包括：
标准状态下实际气体状态方程为：
式中，p0＝0.101325MPa，为标准状态下的绝对压力；T0＝293.15K，为标准状态下的温度；pap为管道内气体平均绝对压力；Tat为管道内气体平均温度；Z0为标准状态下的压缩因子；Z1为实际环境下的压缩因子；D、L分别为管道直径和长度；
由(1)式得到放散量：
作为一可选实施例，所述根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量，包括：
计算管道内气体平均绝对压力：
式中，p1、p2分别为压力管道起点和终点的气体压力；px为距管道起点x处的气体压力；
计算管道内气体平均温度：
式中，T1、T2分别为压力管道起点和终点的气体温度；
计算实际环境下的压缩因子：
式中，Δ为气体的相对密度；
将(4)、(5)、(6)式代入(3)式，得到天然气放散量。
作为一可选实施例，放散时间计算模型的建立方法包括：
根据质量守恒定律得：
Vdρ＝-vmdt (7)
式中，V为管道容积；ρ为天然气密度；vm为质量流量；t为放散时间；R为天然气的气体常数；
根据环境气压pa与管道内气体平均气压pap的比pa/pap的大小，将管道内整个气体流动过程划分为两个状态：pa/pap≤α时为临界状态，pa/pap>α时为亚临界状态，α为临界压力比；
分别计算临界状态和亚临界状态下的质量流量vm1、vm2：
式中，μ为放散管道开启度；d为放散管道内直径；K为绝热指数，pc为临界压力；
分别将(9)、(10)式代入(7)式，并求积分可得临界状态和亚临界状态的放散时间t1和t2：
式中，pf为放散前气体的绝对压力，pb为放散后气体的绝对压力；
计算总的放散时间：t＝t1+t2。
作为一可选实施例，α＝0.55。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种天然气放散量及放散时间计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型；
根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量；
将天然气管道放散过程中的气体流动划分为临界状态和亚临界状态，基于能量守恒定律和气体方程分别建立临界状态和亚临界状态下的放散时间计算模型；
通过利用所述模型分别计算临界状态和亚临界状态下的放散时间并求和，得到天然气放散时间。
2.根据权利要求1所述的天然气放散量及放散时间计算方法，其特征在于，所述基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型，包括：
标准状态下实际气体状态方程为：
式中，p0＝0.101325MPa，为标准状态下的绝对压力；T0＝293.15K，为标准状态下的温度；pap为管道内气体平均绝对压力；Tat为管道内气体平均温度；Z0为标准状态下的压缩因子；Z1为实际环境下的压缩因子；D、L分别为管道直径和长度；
由(1)式得到放散量：
3.根据权利要求2所述的天然气放散量及放散时间计算方法，其特征在于，所述根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量，包括：
计算管道内气体平均绝对压力：
式中，p1、p2分别为压力管道起点和终点的气体压力；px为距管道起点x处的气体压力；
计算管道内气体平均温度：
式中，T1、T2分别为压力管道起点和终点的气体温度；
计算实际环境下的压缩因子：
式中，Δ为气体的相对密度；
将(4)、(5)、(6)式代入(3)式，得到天然气放散量。
4.根据权利要求3所述的天然气放散量及放散时间计算方法，其特征在于，放散时间计算模型的建立方法包括：
根据质量守恒定律得：
Vdρ＝-vmdt (7)
式中，V为管道容积；ρ为天然气密度；vm为质量流量；t为放散时间；R为天然气的气体常数；
根据环境气压pa与管道内气体平均气压pap的比pa/pap的大小，将管道内整个气体流动过程划分为两个状态：pa/pap≤α时为临界状态，pa/pap>α时为亚临界状态，α为临界压力比；
分别计算临界状态和亚临界状态下的质量流量vm1、vm2：
式中，μ为放散管道开启度；d为放散管道内直径；K为绝热指数，pc为临界压力；
分别将(9)、(10)式代入(7)式，并求积分可得临界状态和亚临界状态的放散时间t1和t2：
式中，pf为放散前气体的绝对压力，pb为放散后气体的绝对压力；
计算总的放散时间：t＝t1+t2。
5.根据权利要求4所述的天然气放散量及放散时间计算方法，其特征在于，α＝0.55。
6.一种天然气放散量及放散时间计算装置，其特征在于，包括：
第一建模模块，用于基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型；
第一计算模块，用于根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量；
第二建模模块，用于将天然气管道放散过程中的气体流动划分为临界状态和亚临界状态，基于能量守恒定律和气体方程分别建立临界状态和亚临界状态下的放散时间计算模型；
第二计算模块，通过利用所述模型分别计算临界状态和亚临界状态下的放散时间并求和，得到天然气放散时间。
7.根据权利要求6所述的天然气放散量及放散时间计算装置，其特征在于，所述基于标准状态下实际气体状态方程建立天然气放散量计算模型，包括：
标准状态下实际气体状态方程为：
式中，p0＝0.101325MPa，为标准状态下的绝对压力；T0＝293.15K，为标准状态下的温度；pap为管道内气体平均绝对压力；Tat为管道内气体平均温度；Z0为标准状态下的压缩因子；Z1为实际环境下的压缩因子；D、L分别为管道直径和长度；
由(1)式得到放散量：
8.根据权利要求7所述的天然气放散量及放散时间计算装置，其特征在于，所述根据所述天然气放散量计算模型计算天然气放散量，包括：
计算管道内气体平均绝对压力：
式中，p1、p2分别为压力管道起点和终点的气体压力；px为距管道起点x处的气体压力；
计算管道内气体平均温度：
式中，T1、T2分别为压力管道起点和终点的气体温度；
计算实际环境下的压缩因子：
式中，Δ为气体的相对密度；
将(4)、(5)、(6)式代入(3)式，得到天然气放散量。
9.根据权利要求8所述的天然气放散量及放散时间计算装置，其特征在于，放散时间计算模型的建立方法包括：
根据质量守恒定律得：
Vdρ＝-vmdt (7)
式中，V为管道容积；ρ为天然气密度；vm为质量流量；t为放散时间；R为天然气的气体常数；
根据环境气压pa与管道内气体平均气压pap的比pa/pap的大小，将管道内整个气体流动过程划分为两个状态：pa/pap≤α时为临界状态，pa/pap>α时为亚临界状态，α为临界压力比；
分别计算临界状态和亚临界状态下的质量流量vm1、vm2：
式中，μ为放散管道开启度；d为放散管道内直径；K为绝热指数，pc为临界压力；
分别将(9)、(10)式代入(7)式，并求积分可得临界状态和亚临界状态的放散时间t1和t2：
式中，pf为放散前气体的绝对压力，pb为放散后气体的绝对压力；
计算总的放散时间：t＝t1+t2。
10.根据权利要求9所述的天然气放散量及放散时间计算装置，其特征在于，α＝0.55。
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|---|---|---|---|
| CN202211655891.5A CN116205013A (zh) | 2022-12-22 | 2022-12-22 | 一种天然气放散量及放散时间计算方法及装置 |
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| CN202211655891.5A CN116205013A (zh) | 2022-12-22 | 2022-12-22 | 一种天然气放散量及放散时间计算方法及装置 |
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