枝狀火炬管網(wǎng)流動模型的研究

枝狀火炬管網(wǎng)流動模型的研究

0火炬管網(wǎng)計算模型的改進(jìn)火炬系統(tǒng)主要由安全傳輸裝置、火炬管道和火氣處理裝置組成。它是原油和焦炭等大型工程裝置的重要安全保護(hù)裝置。一旦裝置在運行過程中出現(xiàn)超壓情況,易燃、易爆或有毒的超壓物料將通過連接于安全泄放裝置的出口尾管快速排放到火炬管網(wǎng)中,并輸送到火炬氣處理裝置進(jìn)行安全處理關(guān)于安全泄放裝置和火炬氣處理裝置的設(shè)置及其在超壓工況下排放量的計算,目前國內(nèi)外已有相應(yīng)的規(guī)范和許多相關(guān)資料文中針對傳統(tǒng)管道計算模型的不足之處,從三個方面對計算模型進(jìn)行改進(jìn)。首先,對傳統(tǒng)模型加上氣速限制條件,以保證模型適用于火炬管道計算;其次,在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,加上安全泄放裝置的出口尾管上游壓力限制條件,以保證火炬氣的正常泄放;最后,采用Dranchuk-PurvisRobinson方法1基于火炬網(wǎng)絡(luò)負(fù)壓計算模型的構(gòu)建火炬管網(wǎng)包括安全泄放裝置的出口尾管、排放支管以及全廠的排放總管,各管道之間按相關(guān)配管規(guī)范1.1以關(guān)聯(lián)矩陣的確定為例根據(jù)火炬管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點,將排放總管出口定義為基準(zhǔn)節(jié)點;將各安全泄放裝置出口定義為邊界節(jié)點;將管段與管段的交匯點定義為中間節(jié)點;將節(jié)點之間的管段、管件及設(shè)備等效成一定長度的管段并定義為分支,再結(jié)合管網(wǎng)內(nèi)各管段的氣流方向,將管網(wǎng)簡化為具有節(jié)點、分支和流動方向的矢量圖。具體簡化規(guī)則如下:(1)對于2條管段直徑相同的串聯(lián)管段,將2條管段長度疊加,串聯(lián)接頭處產(chǎn)生的局部阻力損失按當(dāng)量長度方法合并到與其相連的管段上;(2)將管網(wǎng)中的氣源點、管件、節(jié)流元件、液封罐等設(shè)備均看成一個節(jié)點,不考慮其內(nèi)部流動狀態(tài),并將其局部阻力損失按當(dāng)量長度方法疊加到與其相連的管段上。當(dāng)火炬管網(wǎng)規(guī)模較大,排放點較多時,人工求解各管段流量將變得費時且容易出錯。采用矩陣的數(shù)學(xué)知識,將管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)表達(dá)成便于計算機(jī)存儲和管網(wǎng)模擬計算的信息。矩陣是表示管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最簡單、最有效的方法,任意管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)都能用一組關(guān)聯(lián)矩陣來描述。枝狀火炬管網(wǎng)的節(jié)點個數(shù)a與管段個數(shù)b之間的關(guān)系為:以圖1所示的一個典型枝狀火炬管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖來說明關(guān)聯(lián)矩陣的獲得方法。圖1中,編號1~8為邊界節(jié)點,編號9~15為中間節(jié)點,編號16為基準(zhǔn)節(jié)點,w根據(jù)克?；舴虻谝欢?每個節(jié)點上各個流量的代數(shù)和等于零,則可得矩陣方程:式中G———關(guān)聯(lián)矩陣表1,2分別列出關(guān)聯(lián)矩陣G以及節(jié)點-分支的對應(yīng)關(guān)系矩陣B。通過對比表1,2,可以找出以下規(guī)律:(1)在關(guān)聯(lián)矩陣G中,以表2中的起點號為行號,以該起點號對應(yīng)的管段號為列號的值為-1;(2)在關(guān)聯(lián)矩陣G中,以表2中的終點號為行號,以該終點號對應(yīng)的管段號為列號的值為1,其余都為0。相對應(yīng)的算法這樣,對管網(wǎng)編號并確認(rèn)管段、節(jié)點對應(yīng)關(guān)系,通過此算法可以獲得關(guān)聯(lián)矩陣,再結(jié)合已知的各泄放點的泄放量,利用方程(2)可解出流經(jīng)各管段的氣體質(zhì)量流量。1.2e模型的建立當(dāng)管道氣體流速沒有接近聲速時,對管道模型添加等溫、穩(wěn)定流動等假設(shè)條件,在一定程度上既能降低模型求解復(fù)雜度又能保證模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確度連續(xù)性方程:式中w———管道內(nèi)氣體質(zhì)量流量,kg/sρ———管道內(nèi)介質(zhì)密度,kg/mA———管道橫截面積,m式中p———管道內(nèi)氣體壓力,Pax———管道內(nèi)氣流的位移λ———管道的摩擦阻力系數(shù)D———管道的直徑,mg———重力加速度,m/s火炬管網(wǎng)的管道走向由各泄放裝置的布局以及相應(yīng)管道布置規(guī)范決定一般情況下,火炬管網(wǎng)的流速較高,管道內(nèi)氣流一直處于湍流狀態(tài)。文中采用計算精度和計算速度都非常高的3E模型其中:式中ε———管壁的絕對粗糙度,mmRe———雷諾數(shù)式(6)中的雷諾數(shù)表示為:式中μ———氣體的動力粘度,Pa·s氣體的動力粘度是求解雷諾數(shù)的主要參數(shù),受氣體的溫度影響較大。文中采用文獻(xiàn)[16]中提供的天然氣動力粘度的近似計算方法,即:式中μμm式中μc———混合氣體的無因次實驗系數(shù)T———氣體溫度,K在高溫、高壓的流動狀態(tài)下,不能忽略氣體的壓縮性,因此對模型添加帶有氣體壓縮因子的修正的理想狀態(tài)方程,即:式中MZ———氣體壓縮因子R———理想氣體常數(shù),J/(kmol·K),R=8314J/(kmol·K)采用計算精度高、壓力適用范圍廣的Dranchuk-Purvis-Robinson方法其中:式中ρp將式(3),(10)代入式(5),積分并整理后得到管道單元模型,即:式中ppl———管道長度,m根據(jù)火炬管網(wǎng)自身的特點可知,安全泄放裝置的最大允許背壓(MABP)必須高于與其相連處的出口尾管壓力,否則會降低其正常啟閉性能,甚至出現(xiàn)達(dá)到安全泄放裝置排放壓力卻無法開啟的危險工況。因此,文中對模型添加管道入口壓力限制條件,即:此外,一旦管道中氣速過高,就會引起噪聲和管道振動。根據(jù)火炬管網(wǎng)設(shè)計準(zhǔn)則1.3等溫假設(shè)由于在管件處的壓力、流速變化很大,氣體與外界來不及進(jìn)行熱交換,可以近似為絕熱流動,然而在工程實際中采用等溫假設(shè)更方便計算,相關(guān)學(xué)者也已證明適當(dāng)高壓下的管道絕熱流動可以用等溫假設(shè)近似代替按當(dāng)量長度法,將管件等價為具有當(dāng)量長度的管道,其壓降表示為:式中Δp———管件進(jìn)、出口兩端的壓力差,PaL———管件的當(dāng)量長度管件的當(dāng)量長度L與管件的阻力系數(shù)K的關(guān)系:由技術(shù)手冊2管網(wǎng)壓力大小的確定通過對所建立的管段模型和管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行聯(lián)合求解,獲得火炬管網(wǎng)各安全泄放裝置出口的計算背壓值。具體計算步驟如下:(1)考察所要計算的火炬管網(wǎng)對象,對其進(jìn)行節(jié)點、管段編號,進(jìn)而獲得其管網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息;(2)確定各安全泄放裝置的氣體泄放量;(3)以火炬排放總管出口為基準(zhǔn)節(jié)點,確定其壓力大小;(4)確定管網(wǎng)內(nèi)各管段信息,包括管長、管徑、管壁粗糙度、介質(zhì)溫度、介質(zhì)分子量、介質(zhì)相對密度、絕熱指數(shù)等參數(shù);(5)調(diào)用管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?求出流經(jīng)各管段的氣體質(zhì)量流量;(6)調(diào)用管段模型,按照管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系,分別計算各管段的入口壓力,最后獲得各排放點出口處的計算背壓值。上述計算模型的計算步驟如圖2所示。基于上述管網(wǎng)背壓計算的程序框圖,通過編程工具M(jìn)ATLAB開發(fā)了火炬管網(wǎng)系統(tǒng)背壓計算軟件BackpressureFlare(簡稱為BP-Flare),并可以實現(xiàn)以下功能:(1)限定了各個管段的流速,當(dāng)流速達(dá)到0.7倍聲速時,計算結(jié)果出現(xiàn)警示,建議擴(kuò)大管徑來預(yù)防或減弱噪聲、振動的影響;(2)限定了各泄放點處的最大允許壓力,當(dāng)計算壓力超過該值,計算結(jié)果出現(xiàn)警示,建議增大管徑來消除“憋壓”事故工況。3計算結(jié)果比較API521—2008文中采用文獻(xiàn)[18]中某石化裝置火炬排放管網(wǎng)水力計算實例的設(shè)計數(shù)據(jù),分別根據(jù)AP1521—2008提供的計算方法、上述3個軟件的建模以及文中提出的模型(BP-Flare),計算了實例中A,B,C,D,E五個泄放點的背壓,結(jié)果如表3所示。以API521—2008的計算值為基準(zhǔn),分別求出其他模型計算結(jié)果的絕對誤差和相對誤差,如表4,5所示。對比表3中各列數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),通過以上各種方法計算獲得的結(jié)果比較一致,各泄放點的壓力值變化趨勢也基本相同。對比分析表4,5的各列數(shù)據(jù)可以看出,包括BP-Flare在內(nèi)的所有方法的計算結(jié)果的偏差都不超過±5%,在工程設(shè)計的允許范圍之內(nèi)。4管網(wǎng)模型的建立根據(jù)火炬管道流動的限制條件以及火炬管網(wǎng)的設(shè)計準(zhǔn)則,對傳統(tǒng)的氣體泄放管道模型添加了壓力限制條件和速度限制條件,并采用更精確的計算公式對模型中的壓縮因子和摩擦阻力項進(jìn)行求解,進(jìn)而實現(xiàn)了對傳統(tǒng)的氣體泄放管道模型的改進(jìn),建立管網(wǎng)單元流動模型?；趫D論的思想,文中針對枝狀火炬管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點,建立了符合火炬管網(wǎng)特征的拓?fù)淠Ｐ?。通過將管網(wǎng)單元流動模型與管網(wǎng)