随着油气地面工程技术日益发展，在系统安全性不断巩固的同时，对设备、管道经济性的要求逐步提高。通常采用超压放空和紧急放空对油气站场的设备和管道进行保护[1-5]。在集气站和处理厂中，按热辐射距离和防火间距的要求，放空火炬距离主工艺设备相对较远。因此, 合理的放空管道选材可在一定程度上节约工程投资，而泄放过程中放空管道的低温工况则是管道材质选择的主要参考。泄放介质经过泄压元件（安全阀或限流孔板）大幅降压后，可能出现较低的温度，并通过与管道传热，影响管道温度。目前，对放空系统的研究已取得了较大的进展[6-9]，在放空管道选材问题上也有所突破，但有关放空后低温介质对管道温度的影响探讨还鲜有报道, 尤其对于持续时间较短的紧急放空过程，更值得深入探讨管道的极端低温问题，以合理评估管道实际温度。因此，本文将深入研究典型泄放工况下的管道温度变化规律，以期为放空管道选材提供一定参考。
本研究将基于放空系统不同特点，结合工程热力学基本规律，分析放空过程中影响放空管道温度的因素，并结合商用软件建立放空管道温度计算模型，模拟并探讨某集气站放空管道的极端低温。
油气地面工程中为防止管道和设备超压，以及在紧急工况下能够快速降低系统压力的要求，在站场内（单井站、集气站）设置了超压和紧急两类放空系统。
超压放空系统常采用安全阀作为泄放元件，当管道压力超过安全阀定压后，超压介质通过安全阀泄压后进入放空管道。在切断气源之前，一般认为超压介质以持续的速率进行排放，其速率为气源产量，且泄放时介质压力稳定（实际情况下，由于安全阀选型的影响，上游压力可能发生周期性波动）。
紧急放空系统常采用限流孔板对站场管道和设备中的高压介质进行降压排放，当启动紧急放空阀以后，密闭容器、管道中的高压气体在额定时间内被排放入放空管道，其最大泄放量为阀门刚开启时孔板前后压差最大时刻的流量，且泄放量和孔板前压力随泄放时间延长而降低。
安全阀和限流孔板泄放均可视为绝热节流过程。根据焦耳-汤姆逊定律，在常规集输系统的泄放条件下，节流前后压差越大，则介质的温度降也越高[10]。对比超压放空和紧急放空时泄压元件上游压力和泄放量特点可知，超压放空的介质在节流后将具有较为稳定的低温参数；紧急放空的介质因为上游压力持续降低，造成节流的温差减小，而上游温度一般变化不大，因此，在节流后一般呈现介质温度由低逐渐升高的趋势。
以下进一步结合管道传热规律，探讨泄放系统的放空管道低温问题。
在泄放过程中，流动介质、管道和外界环境构成热力场。由于放空介质与外界环境存在温度差，因此在放空过程中，放空介质将与放空管道、管道外环境进行热力交换。传热过程主要包括以下3种类型[11]：
（1）放空介质与管道内壁形成热对流，其传热能力用内部放热系数表示。
（2）管道径向方向导热，其传热能力用传热系数表示。
（3）管道外壁与环境的换热，其传热能力用外部放热系数表示。
在上述过程中，从定性分析来看，由于天然气在管道内的流态几乎处于紊态[12]，气体至管道内部的内部放热系数很大，故在工程中可忽略内部放热系数对总传热系数的影响[13]；钢管的传热系数也相对较大，其对总传热系数的影响也可忽略；而外部放热系数主要考虑管道外壁与外界环境的热对流和热辐射，相对较小，是影响放空管道总传热系数的主要因素。
由此可知，在放空介质-外部环境构成的温度场中，温差主要体现在管道外壁温度与环境温度的差值上；放空介质与管道内壁的温差很小。这也说明, 在相对稳定传热的超压放空工况中，管道内壁温度可近似视为介质温度。
对于紧急放空工况，其操作时间相对较短，放空介质温度、流量等参数不断变化。同时，在放空初始阶段，放空介质与放空管道内积存气体混合后的温度对管道内壁影响不可忽视，该过程示意简图如图 1所示。
由图 1可见，紧急放空下的介质进入放空管道后，迅速与管道中积存气体换热，这些积存气体在放空管道中长时间停留，其温度接近环境温度。一般情况下，放空初始阶段的泄压介质温度远低于环境温度，因此混合气体（泄放介质和积存气体）温度将高于泄压介质。同时，随着紧急放空的进行，上游介质压力逐渐降低，造成泄压压差减小，泄放介质的温度可能继续上升，因此，在持续时间较短的紧急放空过程中，管道内实际介质的最低温度可能不同于泄压介质的最低温度。另外，在放空介质温度短时间变化过程中，钢材热容对传热和管道温度也具有一定影响，故不能通过稳定的放空介质-外部环境温度场来定性分析泄放介质最低温度对管道最低温度的影响，需借助较为先进的计算软件对管道低温情况进行模拟。
鉴于前述的紧急放空快速操作、介质温度变化等特点，借助具有动态模拟功能的OLGA软件对某集气站放空管道内壁温度变化进行动态分析。OLGA是一款油气集输工程中常用的管道介质模拟软件，适用于集输管道的水力、热力计算[14]。
某集气站设计压力为10 MPa，操作温度为30 ℃，具备接收集气支线来气、测试分离并外输的功能，测试分离器尺寸为DN 1 200×5 000。站场内部设计了紧急放空系统，用于紧急工况下泄放站内设施内的积存气体，在15 min内将站内压力降至0.69 MPa。放空管道管径为DN150，露空敷设，长度约为150 m。场地所在区域冬季极端气温为3 ℃。站内截断系统容积约为7 m3。集气站放空系统主要流程如图 2所示。
图 2中绿色部分为泄放后介质流通的放空管道。当紧急放空时，切断SDV-1和SDV-2，打开BDV，站内高压介质经限流孔板泄压后进入放空管道，并由火炬焚烧。
通过前期模拟，泄放元件（限流孔板）出口处介质流量、温度随泄放时间的变化曲线如图 3、图 4所示，截断系统压力变化曲线如图 5所示。
在15 min的泄放时间内，站场设施内介质的最高泄放速率为4 500 kg/h，最低泄放温度为-29 ℃（限流孔板后）。由于上游压力不断降低，节流压差逐步减小，导致泄放温度随泄放时间增大而有所升高，最后基本与限流孔板上游介质温度一致。
以15 min内放空介质的流量和温度为输入条件，利用OLGA软件模拟放空管道起点处（考虑为最极端低温位置）的温度-时间变化情况, 模拟结果见图 6。
由图 6可见，在开始紧急放空以前（第60 min以前），放空管道内气体为静置状态，经过与外界充分换热，气体温度、管道内壁温度、管道外壁温度和环境温度几乎相等；开始泄放时（第60 min），大量低温气体进入放空管道，与管道内气体混合并换热，因此管道内实际气体温度有所下降（约-2 ℃）；随着泄放进行，后进入管道的低温泄放气体继续与放空管道内的气体换热，直至达到最低温度（-4.5 ℃）；随后，由于上游压力降低，泄放后气体温度逐渐升高，放空管道内介质温度持续增长；放空结束后，管道内介质温度逐渐趋于环境温度。
同时，对于管壁温度而言，由于紧急放空持续时间较短，而低温介质经过管道内积存气体换热后，再与管壁换热，不仅需要足够长的时间建立稳定的温差场，而且管道热容也影响了管道温度的变化速度。因此，在短时间的紧急放空中，虽然管壁温度的变化趋势基本与放空介质一致，但变化幅度远低于放空介质，管道温度与介质温度不能视为一致或视为接近一致。由此可见，若通过泄放介质最低温度判断管道温度，则可能带来较大误差（约25 ℃），影响管道材料选择的经济性。
为进一步对比说明该问题，以紧急放空中最大泄放量持续泄放来模拟超压放空的工况，放空管道入口的温度模拟结果如图 7所示。
由图 7可见，在超压等量泄放开始阶段（60~100 min），管内介质温度、管道温度持续降低，约40 min达到平衡，这也说明管内积存气体对管道介质的温度下降产生了一定的抑制作用。同时，在该段时间内，也可看到管道温度的降低速度低于介质温度，说明管材热容具有减缓管道温度下降的作用。另外，稳定流动后，介质温度约-27 ℃，管道内壁温度约-25 ℃，管道外壁温度约-24.8 ℃，说明露空管道的主要温度降发生在管道外壁与大气的热辐射和对流换热过程中，这也进一步说明了将全量、连续放空管道长度管道内壁温度近似等同于介质温度的定性分析是合理的（见第2节）。
从本节模拟来看，紧急放空系统由于放空速率快、介质物性变化较大，在放空初始阶段, 虽然介质温度较低，但与管道内积存气体换热后，混合介质温度明显升高。因此, 实际接触管道的介质温度比泄放介质高；同时，在短时间低温后，放空介质温度随放空时间逐渐上升，进一步减小了管道承受低温的可能；另外，在放空前, 管道已经与周围环境充分换热，钢管的热容延长了管道降温的时间。因此，紧急放空工况下，管道的最低温度是不能视为等同于放空介质最低温度的。与之相比，由于超压放空持续时间长、泄压介质物性参数不随放空时间而变化。因此，在足够长时间的换热后，管道的最低温度与介质的最低温度非常接近。
同时，根据紧急放空和超压放空的特点，进一步模拟了两种工况下放空管道轴向的温降变化情况，模拟结果如图 8和图 9所示。
由图 8可见，紧急放空下，放空介质在流动过程中由于与放空管道内积存气体、管壁和环境进行换热，因此管道沿线介质温度呈“前段陡增、后段平稳”的趋势，且随放空时间延长，受进管介质温度升高的影响，管道中相同位置的介质温度逐渐升高；由前所述，由于管道内壁温度受介质换热、管材热容等因素影响，虽然在相同时刻管道内壁沿程温度也呈“前段陡增、后段平稳”的规律，但温度高于流动介质，且具有温降滞后性。
相比之下，由图 9可见，在超压放空下，由于放空介质温度与流量相对恒定。因此，在一定放空时间后，管道沿程温度趋于稳定，但受沿程与环境换热的影响，整体呈“缓慢升高”的趋势。
管道轴向温度模拟表明，紧急放空过程中管道轴向温度受放空特征的影响，虽然与超压放空管道呈现了一致的“前低后平”趋势，但温度降低情况明显优于超压放空管道。这种轴向动态分析也为大规模放空系统中（例如处理厂放空系统）合理选择各类管材长度提供了技术分析手段。
在本算例的紧急放空过程中，放空管道压力沿程模拟结果如图 10所示。
由图 10可见，受紧急泄放过程的介质流量的变化影响，在管道末点压力保持不变的情况下，管道起点压力呈“先增大，后减小”的趋势，表示了放空中背压建立、起点压力升高和衰竭的过程。但总体来讲，放空管道压力水平较低，这主要是放空管道管径选择稍显保守所致。
同样地，对于超压放空情况，其模拟结果显示（见图 11）放空管道的压力变化也呈现“先增大，后减小”的趋势，其起点压力降低的原因并非泄放介质流量降低，而可理解为放空管道内泄放介质温度降低所致。
由压力分布情况可见，泄压系统中压力水平普遍较低，可为后续的“低温低应力分析”提供条件。
放空管道的最低温度确定将直接影响放空管道的选材问题，而放空管道温度与放空介质温度之间的关系应由具体工况进行具体分析。
由前文研究可知，对于紧急放空工况，模拟计算的泄放介质温度与管道内壁温度之间差距较为明显，若按照泄放最低温度确定管道的最低设计温度较为保守，可能造成选材浪费。准确确定紧急放空系统的放空管道最低温度应利用先进的模拟软件，动态分析放空时间内管道积存气体、管道泄放气体、管道热容、极端环境温度等综合作用下的管道内壁温度，以此作为选材依据。
对于全量放空管道，泄放介质的最低温度与管道的最低温度非常接近，可以按照介质的最低温度（若此温度低于最低环境温度）确定管道的最低设计温度。
另外，无论紧急放空管道还是超压放空管道，沿管道轴向的温度变化基本是趋于逼近环境温度的，但其逼近程度需通过计算软件深入分析，这也应该作为管道分段选材的一种研究方向。
本文基于放空系统特点，结合工程热力学基本规律，分析放空过程中影响管道温度的因素，并结合商用软件建立放空管道温度计算模型，探讨并模拟某集气站放空管道的极端低温, 得出如下结论。
（1）超压放空管道放空持续时间相对较长，管道最低温度可近似等同于放空介质的最低温度。
（2）紧急放空管道放空持续时间短，泄放介质物性参数不断变化，管道最低温度与放空介质的最低温度具有明显差别，应借助计算软件详细分析。
（3）放空管道轴向温度变化对于分段选材也有影响，应结合实例进一步研究。
2017, Vol. 46 Issue (3): 104-109
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