限流孔板孔径计算优化
2013-12-13黄翼翔陈俊文陈庆中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司
黄翼翔 陈俊文 陈庆（中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司）
一、前言
随着天然气开发技术的发展， 高压生产系统已逐渐成为天然气站场的主要特征[1,2,3]。 高压系统决定了有限的系统容积内，将存在更大的天然气体积。 在下游故障或站场发生火灾时，必须采取及时的放空措施，以保证站场或集气站安全，防止进一步的破坏和损失。 限流孔板作为天然气放空系统的压力等级控制元件，逐渐受到国内外天然气站场设计的重视。 其稳定的泄放速度、固定的流通面积，对放空系统的平稳运行起到了关键的作用。SY /T 10043[4]明确要求“在设备的尺寸及其容量很重要的地方, 在控制火灾处 另一种选择是对所有处理轻烃的设备在15 min 内进行降压, 并设定降压速率, 把压力降到690 kPa·g 或降到容器设计压力的50%（取其中的较低的压力）”因此，准确的限流孔板孔径计算，对放空系统设计、站场安全运行保障，意义重大。 本文将对目前使用的限流孔板计算方法进行优化，提高其计算精度，为天然气设计人员提供可靠的计算工具。
二、限流孔板工作机理
限流元件设置在管道中， 用于限制流体的流量或降低流体的压力[5]。 天然气站场放空系统中广泛使用限流孔板，保证泄放工况平稳、泄放时间精准。 限流孔板主要形式如图1 所示。
限流孔板工作机理可简述为：当孔板前后存在一定压差，流体流经孔板，对于一定的孔径，流经孔板的流量随着压差增大而增大。 但当压差超过某一数值（临界压差）时，流体通过孔板缩孔处的流速达到音速。 这时，无论压差如何增加，只要孔板上游的压力保持一定，流经孔板的流量将维持在一定数值而不再增加。限流孔板就是根据这一原理来限定流体的流量和降低压力的。
由此可见，限流孔板可有效地调节放空系统压力，控制泄放量。
三、常用限流孔板计算公式
（1）Gas Conditioning and processing 计算方法[6]
计算公式如下：
式中，
t—— 放空时间，s
B—— 系数，取0.09
V—— 系统容积，m3
Cd—— 泄放系数，0.85；
Av—— 泄放阀泄放面积，m2
Rd—— 气体比重；
Z—— 气体压缩因子；
T—— 操作温度，K；
P1—— 泄放前压力，kPa.a；
P2—— 泄放后压力，kPa.a。
该公式通过确定泄放体积和泄放介质， 可以估算设定孔板尺寸下的泄放时间。 然而，该公式忽略了定容泄放下，温度将随泄放时间增加而降低的规律；同时，限流孔板不仅可以用于定容泄放，也可以存在于安全阀旁通，作为检修放空限流使用，因此，该公式存在局限性。
（2）HG/T 20570.15-95 气体、蒸汽单孔孔板计算[7]
计算公式如下：
式中，
W—— 流体的质量流量，kg/h；
C—— 孔板流量系数；
d—— 孔板孔径，m；
D—— 管道内径；
Z—— 气体压缩因子；
P1—— 泄放前压力，Pa.a；
P2—— 泄放后压力或临界限流压力（取较大值），Pa.a。
M—— 分子量。
Z—— 压缩系数；
T——孔板前流体温度，K；
K——绝热指数
该公式提供了一种计算限流孔板尺寸的方法， 但其要求限流孔板的前后压力差不能大于临界压力差， 即限流降压过程需设置多级孔板，这与天然气站场限流孔板要求存在差别，故不适用于本文所述工况。
（3）《炼油装置工艺管道安装设计手册下册》孔板计算[5]
计算公式如下：
式中，
q—— 流体的质量流量，kg/h；
α—— 流量系数；
ε—— 膨胀系数；
d—— 锐孔直径；
ρ—— 操作条件下流体重度，kg/m3；
△P—— 孔板前后压力降，kgf/cm2
该公式通过输入泄放流量、物流密度和前后压差，可以确定限流孔板孔径。 相比方法（1），该公式不仅可以计算定容放空时最大泄放量对应的孔径， 也可以计算定量放空时， 泄放流通面积。 因此，推荐该式作为天然气站场流体泄放所用限流孔板的计算方法。
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四、计算与分析
本文将借助四川金秋气田和国外某气田的的天然气组分，通过人为设定放空工况，计算限流孔板所需流通面积。 计算结果将于HYSYS V7.2 所得结果进行对比，并利用数学方法优化。
以下7 种工况为BDV 放空计算工况， 要求系统压力在15 min 内降至0.69 MPa。 具体工况列于表1：
由于泄放介质均为天然气， 因此流量系数α 和膨胀系数ε分别取值0.519 和1。
根据输入结果，利用公式（3）和HYSYS V7.2 计算满足工况条件的限流孔板尺寸，其计算结果列于表2。
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由此可见，实际计算的孔板孔径与HYSYS 相同工况的模拟结果存在一些差别。 其原因主要包括：1）公式（3）为经验公式，其部分参数的确定可能存在问题；2）HYSYS 模拟基于动力学和热力学理论，其计算公式极为复杂，因此精度相对较高；3）实际放空气体包含气－水两相，HYSYS 可以通过大量变量参数解析两相组成，而公式（3）较为简单和快捷，并未过多考虑两相关系。
然而，从计算结果对比也可看出，两种方法差别不大。 公式（3）计算方便，所需参数易得，而HYSYS 计算过程较为耗时。 因此，如果可引入修正系数，将公式（3）进行优化，进一步提高其预测精度，则其在实际工程中，具备快速评价和计算的条件。
五、公式优化
根据表2 所列结果，可将实际计算值和HYSYS 计算值进行对比，探寻其内在联系（图3）。
由此可见，计算孔径与模拟孔径几乎线性相关，这也为优化经验公式（3）提供了可能。 根据线性拟合结果，计算孔径和模拟孔径存在以下关系：
式中，
dsim——模拟孔径，mm
dcal——计算孔径，mm
6.案例检验
四川F 区块的气田开发工程中， 也存在限流孔板计算与选型。 该区块中限流孔板计算工况如下（表3）：
根据修正公式， 可计算其对应工况下限流孔板尺寸， 同时HYSYS 也提供了计算结果。 根据结果，对比分析其绝对误差（表5）。
由此可见，修正以后的计算公式，其计算结果与HYSYS 模拟结果非常接近。 这进一步证实了修正公式的可靠性。
六、结论
通过分析限流孔板计算公式适用范围， 选定了符合气田开发中井场与集气站的限流孔板计算方法。 通过与HYSYS 模拟结果对比，分析误差产生原因，引入修正因子并优化了经验公式。优化后的经验公式， 其计算结果与软件模拟误差在1%左右，证实了其可靠性，为设计人员选择限流孔板，提供了快速且有效的计算工具。
[1] 王天祥, 朱忠谦, 李汝勇, 陈朝晖, 吴 震. 大型整装异常高压气田开发初期开采技术研究——以克拉2 气田为例[J]. 天然气与地球科学, 2006, 17(4)∶439－444.
[2] 余洋, 黄静, 陈杰, 昝林峰. 天然气站场放空系统有关标准的解读及应用[J]. 天然气与石油, 2011, 29(5)∶11－14.
[3] 刘熔, 李峰, 盛炳林. 天然气净化厂超压自动放空系统设置[J]. 天然气与石油, 2006, 24(5)∶37－40.
[4] SY/T 10043, 泄压和减压系统指南[S].
[5] HG/T 20570.15－1995, 管路限流孔板的设置[S].
[6] Campbell JM. Gas Conditioning and Processing (Volume2)[M] . 7th edition, USA∶Campbell publishing series, 2004∶28－29.
[7] 炼油装置工艺管道安装设计手册下册[M]. 石油工业出版社, 1976∶7－8.
