超量放空时放空立管工况分析与垂直反力计算

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1、万方数据第27卷第5期2009年IO月天然气与石油NaturalGasAndOilV01．27，No．50ct．2009超量放空日寸放空立管工况分析与垂直反力计算余汉成，陈凤，杨文川，王海兰(中国石油工程设计有限公司西南分公司，四川成都610017)摘要：在站场放空系统设计中．设计人员有可能忽略紧急放空时出现的管道系统安全问题。近年来，先导式安全阀与ESD放空阀的使用加快了放空系统的瞬间泄放速度，设计人员应认真考虑紧急放空时，放空系统管道的安全和放空立管的承受能力问题。根据德国著名流体力学专家普朗特的相关理论并结合现场实际情况，研究了紧急放空出现超量排放时放空立管的管

2、口声障和爆震激波现象，从工程应用的角度出发，提出如何确定放空立管垂直反力计算时的相关参数以及相应的简化计算方法。关键词：超量放空；管口声障；放空立管；垂直反力文章编号：1006-5539(2009)05-0010-04文献标识码：A1概述正常放空系统的设计在相关规范中均有相应的描述

3、1以J。但在放卒系统设计时，设计人员有时可能忽略紧急放空，或因设计不当，或始料未及的突发事故而可能出现的超昔放空以及超鼍放空出现的安全问题。特别是近年来，先导式安全阀的快速起跳与气动ESD放空阀的快速开启动作，加快了实际的瞬间泄放速度，使得类似的紧急放空可能对放空系统产生巨大冲力甚至破坏，

4、因而设计人员有必要对放宅系统自身的安全问题进行考虑。由于放空管网通常是个复杂的管系，故本文主要针对等直径放空立管的工况进行研究，尤其是对超鼍放空时等直径放空立管的工况进行分析，并对相关反力计算进行研究。2有关气体动力学的几个现象2．1管道文丘里喷嘴的临界流现象文丘里喷嘴进口端的流道直径逐渐收缩，出VI端的直径逐渐扩大，最小直径处称为喷嘴喉部直径。当气流以亚声速通过文丘里喷嘴时，在进口端气体流速增加，压力下降，在喉部时，流速达到最大，压力达到最低，当气流经过出口端时，由于面积扩大，流速降低，压力逐步回升(此段故称为扩压段)，此时上下游压力之间形成一定压力差。如上下游之间

5、压力差增大，使得喉部压力与上游压力之比达到临界压力比时，喉部流速增大到声速。以后，尽管下游压力进一步下降，喉部仍限于声速状态，形成阻塞现象。气流在随后的扩压段中会进一步加速为超声速气流，并形成冲激波，再使流速降为亚声速。而扩压段的形态是文丘咀形成超声速的一个重要条件旧J。文丘里喷嘴对管道气流而言是形成临界流必要的阻力件。其他阻力件如限流孔板，安全蒯阀口，节流阀件等，也可形成类似的临界流现象或气流阻塞现象，只是具体流态各不相同，状态也各不相同。2．2等直径管管口的气流阻塞现象文献一。认为，气流在等直径管道内流动时，由于磨擦的原故，速度不会超过当地声速，气流始终处于亚声速

6、状态，即使在管道的始末之间有很大的压差，在末端的气流速度也最多只能达到声速，即马赫数M=I，此时，仅在管口形成声速气流，即在管口形成r气流阻塞现象。2．3声障飞行体在空气中高速飞行并接近音速时，由于收稿日期：2009-02．21作者简介：余汉成(1940一)．男，四川省新津县人，注册石油工程师，长期从事油气储运工艺设计与研究。电话：(028)86014473。万方数据第27卷第5期余汉成，等：超量放空时放空立管工况分析与垂直反力计算11飞行体前端的空气被高度压缩而出现飞行阻力突然骤升的现象，即所谓“声障”现象。由于声障对飞行产生的巨大阻力，有人用声障“墙”来形容它，甚

7、至给它定义了厚度。当飞行体突破声障进入超音速以后，Jf古!

8、围压力陡降，并产生震波，同时产生类似爆炸声的卢爆现象。气体膨胀的同时也会产生明显的温降。在临界状态，当高速气流突破管口的阻塞气流时，和飞行体突破声障现象十分类似，也会产生不同程度的爆炸声和噪声以及温降，这一现象和现场实际情况十分相似。声障现象表明，等直径管管口的气流阻塞现象实际上是声障的另一种表现形式。3关于等直径管“管口声障”的现象及其特点3．1管口声障现象普朗特等在研究等直径管流动时，提出了“过渡层”的概念。认为在压力变化的管段部位存在有高、低压的压力变化“过渡层”，文献甚至提出过渡层的厚度小于1／100

9、0mm【4j。如上所述，可以假定，在等直径管管口形成气流阻塞现象时，如管口外压力为大气压，管Lj内压力达到或超过临界条件，即上下游压力之比大于或等于临界压力比时，管口气流速度达到声速，管口内外之间形成了有一定厚度的“过渡层”，该过渡层与上述“声障墙”或“声障”相似，故等直径放空管在上游有足够高的压力和足够大的气量时，在管口形成了类似卢障的现象，为区别阻力件如文丘里喷嘴，限流孑L板，安全阀阀口，节流阀件等阻力件形成的气流阻塞现象，该现象可以定义为等直径放空管的“管L]声障”现象。3．2等直径管“管口声障”的主要特点H】a．由管内磨擦的作用：气流卢障只能