火炬排放管網壓力降

火炬排放管網壓力降的簡便計算法1引言化工、石油化工及煉油等大型工藝裝置都需要一個龐大的火炬排放系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設計計算是化工設計的重要內容，它不僅僅是一個經濟問題(火炬排放系統(tǒng)投資約占裝置總投資的2%一3%)，更重要的是一個安全與環(huán)保問題。因此，對火炬排放系統(tǒng)的設計與計算，已形成了一些規(guī)定的方法與導則。排放管網的壓力降計算，是確定管網管道直徑的依據。由于排放介質(工藝氣體)的可壓縮性，其密度在管道流動過程中不斷變化，因而流速也在不斷改變；流速的變化又影響到管道中的壓力降；管道中的壓力降又影響到介質密度；介質密度反過來再影響流速。這種相互影響、相互交錯的管道流動特性，使得實際計算工作需要大量的反復試湊才能完成。雖已有一些大型商業(yè)軟件，可解決管網的模擬計算問題，但工程師們更希望有一種簡捷直觀的工程方法，來進行快速估算。尤其在裝置的初步設計階段，或者對現有裝置的安全性進行分析評價時，這種簡捷的工程計算方法，更受到工程師們的青睞；基于等溫及絕熱流動方程，對可壓縮氣體在管道中流動所產生的壓力降，提出了一些簡化計算方法.這些方法大都適用于管道入口壓力為已知的情況。但對于大型煉油裝置，同時泄放的物流往往可達10股之多。此時，流股交匯處必須滿足相交匯的流股壓力相等的條件。若仍以管道入口處(即泄放裝置的出口處)作為計算壓降的起點，沿流動方向進行計算，會使本來就很繁瑣的試差計算，變得更加困難，甚至無法進行。本文針對火炬排放管網計算的這一特點，提出了一種新的簡捷計算方法。2計算原理對于可壓縮流體在管道中的流動，LappLe基于等溫流動方程，推導出了如下關系式：r2=M：(lnr2—fL/D)十1 (1)式中：f為摩擦系數，D為管道內徑，m、L為管道當量長度，m；M1為管道人口處的馬赫數；r為壓力P2與P］的比值，Pi和匕分別為管道人口和出口處的絕對壓力，Pa。 注意到M1=rM2，代人式(1)得：r2=r2M22(1nr2—fL/D)十1(2)式(2)中的M2^管道出口處的馬赫數，其余符號同式(1) 將式(2)作進一步改寫：fL/D=(1—r2)/r2M2十lnr2(3)2式(3)便是管網壓降計算的基礎。為簡化試差計算，將式(3)按r對(fL/D)作圖，如圖1所示。馬赫數M定義為泄放介質的流速u(m/s)與當地音速uc(m/s)之比。泄放介質的流速為：u=W/pA式中：W為泄放介質的質量流量，kg/s;p為泄放介質的密度，kg/m3；A為管道橫截面積，m2。

| v.jnhkw2d| v.jnhkw2dj.d*n??Hi辛融電以占疝根據氣怵狀態(tài)方程町算出p：k翳 ⑸式中/為泄放氣體壓力（絕壓）J*a；Z為哉放氣體的氏霜因予，由于泄放氣體的壓力一般不很高，通常取2ER為通用氣悻常敝，R=83l4J/《kTwlI，K"T為泄放氣體的溫度，K；Ms為世戒氣作的分子量,kg/knuJL當眥放氣伸為不同溫度F的多流股混合氣體府?T與」虬分別由式（6）和式（7）確定］T=y>WiTi/ZWr （6）TOC\o"1-5"\h\z功.=萬叫/笠（/；/.".「｝ （7）式〔6）和式〔7）中的F新E表示第「般泄放氣體的特性參數?其余符號同前u泄放氣體的當地音速嘰可由下式求得I",.產々P/p （S）式中"胃泄放氣體的艷熱指數；其命符號同前、 ^當泄故氣體為多流股沮合氣體時用由下式確定：式中，下標i哀示第F股泄放氣體的特怪參數，其命符號同前，結合式〔4）.式⑸及式⑻,得泄放氣作的馬婷數*泄放氣體在排放管網中流動時，由于管網管段間管道內徑可能變化(例如管道內徑突然擴大)，在該處可能達到臨界流動。此時，泄放氣體的流速可能達到當地音速，流量達到最大值(有時稱為阻塞流動)。達到臨界流動時的壓力稱為臨界壓力。由式(8)和式(5)可得出計算臨界壓力Pc的表達式：式中各符號意義同前。當達到或接近臨界流動時，劇烈湍動會消耗大量能量，從而引起管道振動和流動噪音。因此，一般限制管段出口處的泄放氣體流速不超過當地音速的0.7倍，亦即出口處的臨界壓力Pc與管段出口壓力P2之比，不應超過0.7；3計算步騾排放管網的壓降計算可按下列步驟進行:(1)初定管網中各管段的管道內徑D，計算出各管段的當量長度L(將管件引起的局部阻力當量成管道阻力)。(2)計算各管段管道內流量W(=EWi)、泄放氣體溫度T［式(6)］、分子量Mg［式(7)］及絕熱指數k［式(9)］。從火炬裝置出口處開始，根據式(10)計算火炬裝置出口處的馬赫數:根據fL/D和M2，由圖1查得r,從而求得P1(P1=P2/r)。這樣，從火炬裝置出口處開始，將下游管段的入口壓力作為上游管段的出口壓力，逐管段從下游向上游進行計算。一直進行到泄放裝置處(安全閥)為止。計算所得安全閥處的管道入口壓力P1即為安全閥實際所承受的背壓.將P1與安全閥的最大允許背壓Pb進行比較，要求P1接近但不超過Pb(絕壓)。安全閥的最大允許背壓Pb決定于安全閥的型式，其值一般由安全閥制造廠提供。對于普通彈簧式安全閥，Pb(表壓)一般取其整定壓力Pz(表壓)的10%；對于背壓平衡式安全閥(例如波紋管式安全閥)，Pb(表壓)一般取其整定壓力P2(表壓)的40%。計算出每一管段出口處的臨界壓力P［式(11)］，并與該管段的出口壓力P2進行比較，要求Pc/P2<0.7。倘計算出的P1和P2不能滿足第(5)和第(6)步驟中的要求，則需重新設定各管段管道內徑.重復上述各步，直至滿足為止。

應該指出，在設定各管段管道內徑時，有一個經濟權衡問題。一般地，對于較長的主管道，應盡量減小其內徑，以降低投資。在計算時，對不同管段可設定不同管道內徑，提出多種可行方案，從中選出投資最小的作為最終結果。4計算實例 現有一火炬排放管網如圖2所示。A為火炬裝置，高76m，內徑0.75m。該系統(tǒng)有4個泄放點，分別為E、F、G和H，各泄放點泄放裝置的泄放量和其它泄放條件見表1。管網各管段的長度與初定管道內徑及其它泄放條件見表2。求該管網的壓力降(為簡化計算，假定泄放氣體的絕熱指數k=1，壓縮系數Z=1)。素1各旭故點的重旌條件冊敏點15.1搟定壓力表床)對，2搟定壓力表床)對，2J4X U-54*Ilf07GXl<f<陟322泄哉相匱T/K322豪2客管段的茂放箱件管網管毆雷* DFDEHCCHCG制定內兢QFm J.?50.45l>.30020020045U-250.15普逍當鼠長匪L/m 懷3CU60 55 30M知45摩擦眼歌fC.011伉1>口0,0130頑4也[1J4U.U13O.U135[f.lHS解(1)初定管段管道內徑與管段的當量長度已在表2中給出。各管段管道流量W，由式(6)求得的泄放氣體溫度T及由式(7)求得的泄放氣體的分子量MR列入表3。

⑶由式(12)求得火炬裝置出口處的馬赫數:⑶由式(12)求得火炬裝置出口處的馬赫數:t.118.0(1Z.603.S52. .014.K61.51)0.230.650.2^0.230.34*】〔L26OJy01械12W02稅LiK枝Wi塑0旦5o(03a.ij?■掀8.扼n.叫3i.n.z則。.逍t.118.0(1Z.603.S52. .014.K61.51)0.230.650.2^0.230.34*】〔L26OJy01械12W02稅LiK枝Wi塑0旦5o(03a.ij?■掀8.扼n.叫3i.n.z則。.逍表3告管段汁?蜻彝管料甘團翠著 初WDCfiCOJCGg管段疏蛀叫做苗￥it甌平均溫虞T/Kn.耳［4-1曾株旅，一曲＜}IVI土1賢初Q.OIH44144122.77615.121-i口.6HB56S&的帑翱 46 40邰35935* 4443甜331WK122/L/P值出口進的島就數出口壓力巧將各泄放點計算得出的相應管段入口壓力P1(見表3)與最大允許背壓Pb，(見表1)進行比較(見表4)。由表4可見，計算所得出的各泄放點的管段入口壓力P1較接近各泄放點的最大允許背壓Pb，說明計算時所假定的各管段內徑是較合理的；衰&答泄繾點篷大允并背H與計算解得鉉段入口壓力之比找世放點FFGH計算人口壓力必(絕壓J/.VIP日L韁。中址大允評背壓(蟾壓)'MP日0爆土珈yJilt?0.940.91U.84(1,96由式(1)計算各管段出口處的臨界壓力Pc并與其出口壓力P2進行比較、見表5；由表5可見，Pc/P2均小于0.7.紊s考管IS出口處的晚界壓力與出口住力的比較瞥網秘園裝置ABB口OFDEBf：CH3臨.界壓方pr〔筆壓）■/皿0Illi頃頃E0.IU5出ns力0.10W02550.4L（匏壓）fl230.220,130,240.350IJ0295討論上述計算方法是基于泄放介質在各管段中作等溫流動的假設，實際上.泄放介質的狀態(tài)處于等溫和絕熱（等土商）流動之間：Crocker指出.應用等溫流動方程會高估管道壓降，應用等墻流動方程會低估管道壓降.Lapple應用等溫和等商流動方程對管道壓降分別進行了大量的計算和分析比較，結果表明，當fL/D>0.1時，對于亞臨界流動狀態(tài)（流速u小于當地音速Uc），二者之間的差別不大于8%；對于臨界流動狀態(tài).二者的差別不大于20%。當fL/D>10時，無論是臨界流動還是亞臨界流動狀態(tài)二者的差別都不大于4%。對于金屬管道，摩擦系數f一般大于0.01，也就是說.當L/D>=10時（排放管網通常均能滿足這一條件）.按等溫和等商流動方程對管道進行壓降計算，其結果的差別已經很小了；再考慮到實際流動介于等溫和等商流動之間，故知應用本文方法對排放管網的壓降進行計算，其結果的誤差不會很大.6結語本文提出的火炬排放管網壓力降的簡捷計算方法，簡便實用。求得的管道壓力降偏于保守（安全），但誤差不大；該方法特別適用于對現有的火炬排放管網的安全泄放特性進行快速評價（例如管網壓降能否對安全泄放裝置的動作造成影響等），或對火炬排放管網系統(tǒng)進行初步設計計算和投資估算確定火炬系統(tǒng)管網管道尺寸的方法（一）概述 本文采用一種計算可壓縮流體的方法，將該方法用于火距系統(tǒng)的管道尺寸設計時，在管網布局確定后，可由已知的出口壓力P2反算管道入口壓力P1，進而確定備段管線的管道尺寸。在計算時，可同時得到各段管線出口處的馬赫數、摩擦因子。通過限制馬赫數及將計算的入口壓力與裝置允許最大背壓相比較，使設計參數進一步優(yōu)化，同時通過增加計算的循環(huán)次數，可方便地處理帶有支管的復雜的管網系統(tǒng)。（二） 計算方法基于入口壓力的等溫流動方程式中L一當量長度；D一內徑；M1一管道入口處馬赫數；f一達西摩擯因子；Pl一管道入口壓力；P2一管道出口壓力。令r=P1/P2，并將其代入(1)式，得：*=桔)"T辛，勺尸⑵- ' 將該式整理為r2項的迭代計算式TOC\o"1-5"\h\z+ (3)" (3)式只適用于已知P］的情況，即M1為已\o"CurrentDocument"V=M嗎+Z3+1 (4)知時，若、為已知，則用yr、，得： "式中M2一管道出口處的馬赫數。這樣無論是已知M1還是M2，通過迭代計算r，均可得到達到一定精度的r值，進而得到準0達西(Darcy)摩擦因子f是由Co1ebrook方程來的，方程表達式為：式中私一絕對組糙度； Rc一雷諾準數。用試差選代方法計算出f值。馬赫數是由實際速度與聲速之比得到rpE jrwr式中V1一聲速；gc一重力加速度；T一溫度；R一通用氣體常數；Mw一氣體分子量。實際速度的計算式為，W式中W一氣體流鼠豐p—ffi度IA一氣體通道裁面枳*對實際虹體，由氣體狀態(tài)方程?得工虬M.P將(8)式代入式十[矗糕住)式與3)式相比可求出M*.得匚m，=?聯日彼出no如計算出的Mg>0.7，出口速度是太接近聲速，則假設的管直徑太小了，這樣會導致管路過分的振動及產生難以忍受的噪音，則需假設更大的管徑重新計算，直到在管子出口處的M2<0.7時為止。至此，未知量M、f都已解決，便可進行迭代求解，大致的計算過程如下假設管徑D，計算Re.將Re代入(5)式，迭代計算f，直至要求的精度為止。據已知參數由⑹式及⑼式求、及V，進而由(10)式求得M2。由求得的M2、f值，再假定初值r2=1，代入(4)式迭代計算r值，至要求的精度為止。(5)由求得的r值得到P1=rP2，此時比較P是否合適，若不合適重新假設D值，重復上述計算；否則計算結束。CTE] GfB.—J-r—— L A口FEL幅單火炬窗"系垸械型以上就是單管的可壓縮流體流動問題的計算過程。但對于火炬系統(tǒng)來說，是由許多單對具有支管的火炬配管系統(tǒng)需作如下幾點說明：(1)設計由火炬頂端開始，出口壓力是大氣壓，然后倒著朝各設備點的方向計算。(2)假設每個管段為相同的直徑，并且計算當量長度?！?［在每個出口處，允許的最大速度的馬赫數為0.7。(4)在接口處的性質可以由下列混合關系估計(i表示第i個組分):Swi/S(W/M,): (IDT=Ew,Tl/Sw, (⑵產皿習wXMWJz/mgWj*【13)在計算每段管線的入口壓力時，可由已知上游管線的出口壓力P2和上游管線的新的入口壓力P1，計算出下游管線的入口壓力P1。重復進行操作，逐段計算，直至設備的泄放閥處。在泄放閥處，檢查計算背壓與最大允許背壓的差額，計算背壓應小于最好是接近最大允許背壓。對于常規(guī)泄放閥，最大允許背壓(MABP)是陰定壓的10%。對于平衡式泄放閥，MABP是閥定壓的40%。如果汁算背壓與MABP差額較大，就應調整尺寸，重新計算，直到計算背壓接近MABP為止。計算實例下面舉例說明該程序的使用情況。 例：確定圖2所示管網的各段管徑，該圖中O點為火炬點，其余6點為設備點，各設備點的參數在圖2中給出。

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