天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法、开阀控制方法和控制系统

1.本发明涉及天然气输送技术领域，特别涉及一种天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法、天然气管道放空系统放空阀开阀控制方法和天然气管道放空系统放空阀开阀控制装置。


背景技术：

2.天然气放空系统是天然气输气管道站场和阀室的重要组成部分，是天然气输气管道管道安全可靠运行的重要保障设施。在天然气输气管道投产、事故应急、维抢修以及设备设施维修维护时，往往需要进行天然气放空作业，即通过天然气放空系统将某段管道或某个站场中的全部或部分天然气排放到大气中，并将氮气等惰性气体注入管道置换残留的天然气。放空阀为天然气放空系统中的关键元件。在放空过程中，对放空阀开度的调节方式不同，被放空管段的压降速率随时间的变化规律将会不同，放空立管出口处天然气马赫数、噪声、流速(量)等参数也会发生显著变化。在天然气放空作业过程中，通常需要通过调节放空阀的开度来控制被放空管段压降速率、放空气量以及放空时间，此外，为了降低放空过程中产生的噪音、低温、立管震动等不利影响，有必要对放空阀的开度控制进行研究。
3.目前，在实际输气管道放空工程中，通常要求放空作业在一定时间内完成，所以放空流速不能太小，同时考虑到放空时产生的噪声和对放空立管的反作用力，放空流速也不能太大，现场工作人员一般通过观察放空立管出口噪声、放空火焰高度或者立管震动等情况，凭借经验手动操作放空阀，通过控制放空阀开度来控制放空过程。该操作存在以下三点缺陷：
4.(1)工作人员通过手动操作放空阀来控制放空过程，由于其无法准确了解放空过程中气体的具体流动状态，开阀操作(调阀时刻及调阀幅度)完全依赖操作经验，开阀方案的制定缺乏准确的判断准则，开阀方案受放空阀操作人员操作经验、业务水平以及放空管周围环境等因素的影响。
5.(2)放空过程中产生的噪声和振动会对操作员的健康构成威胁，操作员无法连续控制放空阀，只能采用一段式放空或阶梯式放空，不能最大程度地降低最高泄放流量，也不能很好的避免噪声等对健康带来危害。
6.(3)放空过程中，不能对放空噪声和立管震动等有害参数进行预警，若有害参数超过标准，会对人员和环境造成危害。
7.综上所述，仅凭经验来调节放空阀存在较大局限性，因此，需要对放空过程中放空阀的开度控制进一步深入研究，制定适合不同放空作业情景的最优开度控制方案，从而实现放空阀对放空作业过程的灵活、精准调节。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法；该方法确
定的开阀曲线能够很好的指导天然气放空系统放空阀开阀作业，实现在噪声满足规定要求的情况下保持数值较大且相对稳定的放空流量，较快的完成放空作业。
9.本发明的目的在于提供一种天然气放空系统放空阀控制方法和控制装置，能够实现放空作业过程中噪声满足规定要求的情况下保持数值较大且相对稳定的放空流量，较快的完成放空作业。
10.为了实现上述目的，本发明提供了如下三方面的技术方案。
11.第一方面，本发明提供了一种天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法，其中，该方法包括：
12.1)确定初始时刻的放空阀的开度、放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级；获取各时步步长；其中，初始时刻的放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级作为第一时步下放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级；
13.2)判断是否满足当前时步下放空立管出口气体的马赫数小于额定马赫数并且放空观察点的声压级小于额定声压级；
14.若满足，则确定调阀幅度值，放空阀的开度为当前开度加上调阀幅度值；
15.若不满足，则放空阀的开度保持当前开度；
16.3)判断是否满足步骤2)得到的放空阀的开度大于100％；
17.若是，则确定当前时步的放空阀的开度为100％；
18.若否，则确定当前时步的放空阀的开度为步骤2)得到的放空阀的开度；
19.4)获取下一时步放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级，并重复步骤2-步骤3)确定下一时步的放空阀的开度，直至完成放空终了时刻的放空阀的开度确定；
20.5)根据确定得到的各个时步的放空阀的开度，得到不同放空时刻对应的放空阀的开度，从而得到放空阀开阀曲线。
21.根据第一方面提供的确定方法，优选地，放空终了时刻根据实际放空经验确定，例如根据被放空干线管段的压力来判断放空过程是否停止，当被放空管段的平均压力小于0.01mpa(表压)时放空过程结束，结束计算。
22.根据第一方面提供的确定方法，优选地，确定调阀幅度值包括：
23.当当前时步的序号大于额定时步数时，基于放空观察点的声压级的变化速率绝对值和立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值进行调阀幅度值确定；
24.更优选地，基于放空观察点的声压级的变化速率绝对值和立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值进行调阀幅度值确定的步骤包括：
25.根据放空观察点的声压级的变化速率绝对值和立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值确定第一调阀幅度值；
26.判断是否满足第一调阀幅度值大于第一额定调阀幅度值；
27.若满足，则调阀幅度值等于第一额定调阀幅度值；
28.若不满足，则调阀幅度值等于第一调阀幅度值；
29.进一步优选地，声压级的变化速率绝对值通过如下公式确定：
[0030][0031]
式中，k1为放空观察点的声压级的变化速率绝对值，无量纲；lp1、lp2分别为当前时
步和上一时步放空观察点的声压级，db；δτ为时间步长，min；
[0032]
进一步优选地，马赫数的变化速率绝对值通过如下公式确定：
[0033][0034]
式中，k2为立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值，无量纲；ma1、ma2分别为当前时步和上一时步立管出口气体的马赫数，无量纲；δτ为时间步长，min；
[0035]
进一步优选地，第一调阀幅度值根据下述公式进行确定：
[0036]
value_tf＝a
×
(k1 k2) b
[0037]
式中，value_tf为调阀幅度值，％；k1为放空观察点的声压级的变化速率绝对值；k2为立管出口马赫数的变化速率绝对值；a为系数，取值范围500-1000；b为系数，取值范围0.1-0.5。
[0038]
进一步优选地，第一额定调阀幅度值可用取值范围为0.5％-5％(以全开时的开度为100％计)。
[0039]
根据第一方面提供的确定方法，优选地，确定调阀幅度值包括：
[0040]
当当前时步的序号小于等于额定时步数时，调阀幅度值等于第二额定调阀幅度值；
[0041]
更优选地，所述第二额定调阀幅度值可用取值范围为0.1％-0.5％(以全开时的开度为100％计)。
[0042]
根据第一方面提供的确定方法，优选地，放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级的获取步骤包括：
[0043]
获取放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度；
[0044]
基于放空立管出口气体的流速确定放空立管出口气体的马赫数；
[0045]
基于放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度确定放空观察点的声压级；更优选地，放空观察点的声压级通过下述公式确定得到：
[0046]
wa＝ηwm[0047][0048]
lw＝10log
10
wa 120
[0049]
l
p
＝lw di-10log
10
(4πr2)
[0050]
其中，当放空立管出口气体为亚音速流时，当放空立管出口气体为临界音速时，根据超临界流(即壅塞流)产生噪声的声效率与声压比的关系图版进行确定，参见图2；其中，所述声压比为放空立管出口气体压力与大气压力之比；
[0051]
式中，wa为总声功率，单位w；wm为机械流功率，单位w；η为声效率，单位无量纲；u为放空立管出口气体的流速，单位m/s；m为放空立管出口气体的质量流量，单位kg/s；ρ为放空立管出口气体的密度，单位kg/m3；ρ0为大气密度，kg/m3；t为放空立管出口气体的温度，单位k；t0为大气温度，单位k；ka为声功率系数，通常取值5
×
10-5
；ma为放空立管出口气体的马赫数，单位无量纲；lw为放空立管出口气流总声功率级，单位db；l
p
为放空观察点的声压级，单
位db；di为指向性指数，单位db，通常亚声速流取值-6(马赫数小于1为亚声速流)，临界声速取值-1(马赫数≥1为临界声速)；r为放空观察点到放空立管出口的距离，单位m，通常取50m；
[0052]
进一步优选地，获取放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度包括：
[0053]
根据放空立管出口气体的流速、密度以及放空立管的内径，通过下述公式确定放空立管出口气体的质量流量：
[0054][0055]
式中，u为放空立管出口气体的流速，单位m/s；m为放空立管出口气体的质量流量，单位kg/s；ρ为放空立管出口气体的密度，单位kg/m3；d为放空立管的内径，单位m；
[0056]
进一步优选地，获取放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度包括：
[0057]
通过天然气输气管道放空过程动态仿真模拟方式确定放空立管出口气体的流速、密度；例如：
[0058]
1)建立天然气输气管道放空过程动态仿真模型；其中，
[0059]
输气管段等温稳态流动的基本微分方程为：
[0060]
连续性方程、动量方程和能量方程为：
[0061][0062][0063][0064]
其中，ρ为气体密度，kg/m3；τ为微元时间，s；a为管段流通面积，m2；m为管段内气体质量流量，kg/s；x为微元距离，m；p为气体压力，pa；d为管段内径，m；λ为摩阻系数，可根据colebrook公式计算；h为气体的焓，j/kg；s为高程，m；g为重力加速度，m/s2；k为总传热系数，w/(m2·
k)；t为气体温度，k；t0为周围环境温度，k；
[0065]
2)确定边界条件
[0066]
立管出口边界条件为：先采用出口压力等于大气压为边界条件，若计算出来的出口流速小于或等于当地声速，则说明当前时步采用压力边界条件是合理的；否则把出口边界条件切换为出口流速等于当地声速；
[0067]
输气干线封闭端的边界条件为：封闭端的质量流量为0；封闭端气体状态变化为多变过程，多变过程指数n可根据初始条件和终了条件(终了温度等于环境温度，终了压力等于大气压)确定，计算公式为：
[0068]
式中，t
ini
和t
env
分别为干线放空前气体初始温度和环境温度，k；p
ini
和p
env
分别为干线放空前气体初始压力和大气压，pa；n为多变过程指数；
[0069]
放空阀处的边界条件为：满足压降公式、温降公式和质量流量平衡公式，如下所示：
[0070][0071][0072]min-m
out
＝0
[0073]
其中，p
in
和p
out
分别表示阻力元件入口和出口气体压力，pa；kv为阀门流量系数；ρ
in
和ρ
out
分别表示阻力元件入口和出口处气体密度，kg/m3；q
in
和q
out
分别表示阻力元件入口和出口处的实际气体体积流量，m3/s；t
in
和t
out
分别表示阻力元件入口和出口气体温度，k；m
in
和m
out
分别表示阻力元件入口和出口气体质量流量，kg/s；d
in
和d
out
分别表示阻力元件入口和出口处气体j-t效应系数，k/mpa；
[0074]
3)采用隐式中心差分算法对建立的天然气输气管道放空过程动态仿真模型进行离散求解，确定放空立管出口气体的流速、密度。
[0075]
根据第一方面提供的确定方法，优选地，额定声压级范围为70-80db。
[0076]
根据第一方面提供的确定方法，优选地，额定马赫数范围为0.7-0.8。
[0077]
根据第一方面提供的确定方法，优选地，初始时刻的阀门开度范围为30％-50％。
[0078]
根据第一方面提供的确定方法，优选地，各时步的步长范围为30-120s。
[0079]
第二方面，本发明提供了一种天然气放空系统放空阀开阀控制方法，其中，该方法包括：
[0080]
根据上述天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法确定的天然气放空系统放空阀开阀曲线进行天然气放空系统放空阀开阀控制。
[0081]
根据第二方面提供的确定方法，优选地，该方法进一步包括：
[0082]
在根据上述天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法确定的天然气放空系统放空阀开阀曲线进行天然气放空系统放空阀开阀控制之前，先控制天然气放空系统放空阀开阀至初始时刻的阀门开度。
[0083]
第三方面，本发明提供了一种天然气放空系统放空阀开阀控制系统，该系统包括：
[0084]
放空阀开阀曲线确定装置：用于实现上述的天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法，确定天然气放空系统放空阀开阀曲线；
[0085]
放空阀控制器：与天然气放空系统放空阀连接，用于调整放空阀的开度，并通过线缆与自控装置连接；
[0086]
自控装置：用于操控放空阀控制器调整放空阀开度，实现上述的天然气放空系统放空阀开阀控制方法；
[0087]
通信线缆：用于实现放空阀开阀曲线确定装置与自控装置之间、自控装置与放空阀控制器之间的通信。
[0088]
根据第三方面提供的确定方法，优选地，放空阀控制器进一步用于将放空阀开度信息反馈给自控装置；自控装置进一步用于接收并储存放空阀控制器反馈的放空阀实际开度信息。
[0089]
根据第三方面提供的确定方法，优选地，天然气放空系统放空阀开阀控制系统进一步设置压力传感器、温度传感器、流量计等设备，用于采集放空立管出口的压力、温度、流量数据；自控装置进一步用于接收并储存压力传感器、温度传感器、流量计等设备采集的数据；放空阀开阀曲线确定装置进一步用于将这些数据与仿真数据对比，基于对误差的分析，不断改进已建立的天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法。
[0090]
根据第三方面提供的确定方法，优选地，天然气放空系统放空阀开阀控制系统还包括电源，用于给天然气放空系统放空阀开阀控制系统中的需要电力供给的装置提供电力保障。
[0091]
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具备如下技术效果：
[0092]
(1)本发明提供的技术方案使放空过程在噪声满足规定要求的情况下、放空流量保持在一个数值较大且相对稳定的范围内，缩短了放空时间，从而减少了放空作业对管道向用户供气的影响，降低了放空作业对管道运营方和下游用户造成的经济损失。
[0093]
(2)本发明提供的技术方案通过多次调节放空阀开度，能够有效控制放空过程中产生的噪声避免噪声过大对环境产生的不利影响，能够实现近均匀流量放空降低了最高泄放流量，能够较好的保障放空全程气体流动状态为亚音速流，能够有效避免或减少放空管振动、冰堵等现象的产生保护了放空管路和相关设备。
[0094]
(3)本发明提供的技术方案适用于不同放空情形(不同被放空管段初始条件、管段参数等)和放空作业类型(如单管段单侧放空、双管段中间放空等)下放空阀的开阀曲线确定、开阀控制。
[0095]
(4)本发明提供的技术方案能够实现在放空过程中，通过自控控制系统自动调节阀门开度，无需操作人员手动操作，避免了放空过程中产生的噪声和振动等对操作员的健康构成威胁。
[0096]
(5)本发明提供的技术方案根据放空过程中的气体流动状态来确定放空阀开度进而根据确定的放空阀开度曲线进行放空阀开度控制，不受放空管周围环境等因素的影响。
附图说明
[0097]
图1为本发明一实施例提供的天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法的流程图。
[0098]
图2为超临界流(即壅塞流)产生噪声的声效率与声压比的关系图版。
[0099]
图3为本发明一实施例提供的天然气放空系统放空阀开阀控制系统示意图。
[0100]
图4为本发明实施例1中天然气放空系统示意图。
[0101]
图5为本发明实施例1中确定各个时步的放空阀的开度步骤的流程图。
[0102]
图6为本发明实施例1中确定调阀幅度值的流程图。
[0103]
图7为实施例1、对比例1、对比例2的放空阀开阀曲线图。
[0104]
图8为实施例1、对比例1、对比例2中各放空时刻的调阀幅度值图。
[0105]
图9为实施例1、对比例1、对比例2各放空时刻的立管出口气体的流速图。
[0106]
图10为实施例1、对比例1、对比例2各放空时刻的立管出口气体的马赫数图。
[0107]
图11为实施例1、对比例1、对比例2各放空时刻的立管出口气体的声压级图。
[0108]
图12为实施例1、对比例1、对比例2各放空时刻的立管出口气体的质量流量图。
[0109]
图13为实施例1、对比例1、对比例2各放空时刻的被放空干线压力图。
具体实施方式
[0110]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0111]
参见图1，本发明一具体实施方式提供了一种天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法，其中，该方法包括：
[0112]
步骤a1：确定初始时刻的放空阀的开度、放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级；获取各时步步长；其中，初始时刻的放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级作为第一时步下放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级；
[0113]
步骤a2：判断是否满足当前时步下放空立管出口气体的马赫数小于额定马赫数并且放空观察点的声压级小于额定声压级；
[0114]
若满足，则确定调阀幅度值，放空阀的开度为当前开度加上调阀幅度值；
[0115]
若不满足，则放空阀的开度保持当前开度；
[0116]
步骤a3：判断是否满足步骤a2得到的放空阀的开度大于100％；
[0117]
若是，则确定当前时步的放空阀的开度为100％；
[0118]
若否，则确定当前时步的放空阀的开度为步骤a2得到的放空阀的开度；
[0119]
步骤a4：获取下一时步放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级，并重复步骤a2-步骤a3确定下一时步的放空阀的开度，直至完成放空终了时刻的放空阀的开度确定；
[0120]
步骤a5：根据确定得到的各个时步的放空阀的开度，得到不同放空时刻对应的放空阀的开度，从而得到放空阀开阀曲线。
[0121]
进行天然气放空系统放空阀开阀曲线确定过程中，在程序的每个时间层递推时找到阀门开度的一个平衡点，使放空作业在满足噪声规定要求的情况下尽可能地缩短放空时间保证安全平稳地放空。
[0122]
进一步地，放空终了时刻根据实际放空经验确定，例如根据被放空干线管段的压力来判断放空过程是否停止，当被放空管段的平均压力小于0.01mpa(表压)时放空过程结束，结束计算。
[0123]
进一步地，步骤a2中，确定调阀幅度值包括：
[0124]
当当前时步的序号大于额定时步数时，基于放空观察点的声压级的变化速率绝对值和立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值进行调阀幅度值确定；
[0125]
更进一步地，基于放空观察点的声压级的变化速率绝对值和立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值进行调阀幅度值确定的步骤包括：
[0126]
根据放空观察点的声压级的变化速率绝对值和立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值确定第一调阀幅度值；
[0127]
判断是否满足第一调阀幅度值大于第一额定调阀幅度值；
[0128]
若满足，则调阀幅度值等于第一额定调阀幅度值；
[0129]
若不满足，则调阀幅度值等于第一调阀幅度值；
[0130]
再进一步地，声压级的变化速率绝对值通过如下公式确定：
[0131][0132]
式中，k1为放空观察点的声压级的变化速率绝对值，无量纲；lp1、lp2分别为当前时步和上一时步放空观察点的声压级，db；δτ为时间步长，min；
[0133]
再进一步地，马赫数的变化速率绝对值通过如下公式确定：
[0134][0135]
式中，k2为立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值，无量纲；ma1、ma2分别为当前时步和上一时步立管出口气体的马赫数，无量纲；δτ为时间步长，min；
[0136]
再进一步地，第一调阀幅度值根据下述公式进行确定：
[0137]
value_tf＝a
×
(k1 k2) b
[0138]
式中，value_tf为调阀幅度值；k1为放空观察点的声压级的变化速率绝对值；k2为立管出口马赫数的变化速率绝对值；a为系数，可用取值范围500-1000(在一具体实施方式中取值1000)；b为系数，可用取值范围0.1-0.5(在一具体实施方式中取值0.5)。
[0139]
再进一步地，第一额定调阀幅度值可用取值范围为0.5％-5％(以全开时的开度为100％计)；在一具体实施方式中取值5％；
[0140]
观察放空过程中立管出口总声压(噪音)和马赫数的变化规律可知，若在放空过程中不进行阀门开度调节，立管出口总声压(噪音)和马赫数的变化规律为：在放空初始时刻会立即增大，之后便逐渐减小；通过对该规律的分析，提出了上述放空过程调阀幅度值根据放空过程中立管出口总声压(噪音)和马赫数的变化速率来确定的优选技术方案；当立管出口总声压(噪音)、马赫数的变化速率的绝对值较大时调阀幅度取较大值能更好的对冲噪音和马赫数的快速下降的趋势，当变化速率的绝对值较小时调阀幅度值取较小值才能更好的保证在阀门开度调节过程中噪音和马赫数的值不至于超过规范要求值；为了尽可能的避免由于阀门开度过度调节而出现流动参数的剧烈变化，设定阀门的最大调节幅度。
[0141]
进一步地，步骤a2中，确定调阀幅度值包括：
[0142]
当当前时步的序号小于等于额定时步数时，调阀幅度值等于第二额定调阀幅度值；
[0143]
放空初始时刻立管出口总声压(噪音)和马赫数的变化速率较大，且其数值处于剧烈波动状态，不便根据放空过程中立管出口总声压(噪音)和马赫数的变化速率来确定调阀幅度值；基于此，提出了将调阀幅度值设定为定值的优选实际方案；
[0144]
更进一步地，所述第二额定调阀幅度值可用取值范围为0.1％-0.5％(以全开时的开度为100％计)。
[0145]
进一步地，放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级的获取步骤包括：
[0146]
获取放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度；
[0147]
基于放空立管出口气体的流速确定放空立管出口气体的马赫数；
[0148]
基于放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度确定放空观察点的声压级；更进一步地，放空观察点的声压级通过下述公式确定得到：
[0149]
wa＝ηwm[0150][0151]
lw＝10log
10
wa 120
[0152]
l
p
＝lw di-10log
10
(4πr2)
[0153]
其中，当放空立管出口气体为亚音速流时，当放空立管出口气体为临界音速时，根据超临界流(即壅塞流)产生噪声的声效率与声压比的关系图版进行确定，参见图2；其中，所述声压比为放空立管出口气体压力与大气压力之比；
[0154]
式中，wa为总声功率，单位w；wm为机械流功率，单位w；η为声效率，单位无量纲；u为放空立管出口气体的流速，单位m/s；m为放空立管出口气体的质量流量，单位kg/s；ρ为放空立管出口气体的密度，单位kg/m3；ρ0为大气密度，kg/m3；t为放空立管出口气体的温度，单位k；t0为大气温度，单位k；ka为声功率系数，通常取值5
×
10-5
；ma为放空立管出口气体的马赫数，单位无量纲；lw为放空立管出口气流总声功率级，单位db；l
p
为放空观察点的声压级，单位db；di为指向性指数，单位db，通常亚声速流取值-6(马赫数小于1为亚声速流)，临界声速取值-1(马赫数≥1为临界声速)；r为放空观察点到放空立管出口的距离，单位m，通常取50m；
[0155]
在一具体实施方式中，获取放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度包括：
[0156]
根据放空立管出口气体的流速、密度以及放空立管的内径，通过下述公式确定放空立管出口气体的质量流量：
[0157][0158]
式中，u为放空立管出口气体的流速，单位m/s；m为放空立管出口气体的质量流量，单位kg/s；ρ为放空立管出口气体的密度，单位kg/m3；d为放空立管的内径，单位m；
[0159]
在一具体实施方式中，获取放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度包括：
[0160]
通过天然气输气管道放空过程动态仿真模拟方式确定放空立管出口气体的流速、密度；例如：
[0161]
1)建立天然气输气管道放空过程动态仿真模型；其中，
[0162]
输气管段等温稳态流动的基本微分方程为：
[0163]
连续性方程、动量方程和能量方程为：
[0164][0165][0166]
[0167]
其中，ρ为气体密度，kg/m3；τ为微元时间，s；a为管段流通面积，m2；m为管段内气体质量流量，kg/s；x为微元距离，m；p为气体压力，pa；d为管段内径，m；λ为摩阻系数，可根据colebrook公式计算；h为气体的焓，j/kg；s为高程，m；g为重力加速度，m/s2；k为总传热系数，w/(m2·
k)；t为气体温度，k；t0为周围环境温度，k；
[0168]
输气管段等温稳态流动的基本微分方程中，管段压降由三部分组成：摩阻压降、位差压降和动能变化引起的压降；放空管路中气体流速很快，气体动能变化较大(立管底部与立管出口对应的气体流速最大差值达200m/s)，为了更准确地计算气体流动参数，在模型中考虑了动能变化引起的压降；
[0169]
2)确定边界条件
[0170]
立管出口边界条件为：先采用出口压力等于大气压为边界条件，若计算出来的出口流速小于或等于当地声速，则说明当前时步采用压力边界条件是合理的；否则把出口边界条件切换为出口流速等于当地声速；
[0171]
在等直径放空立管中气体流速不会高于当地声速，基于此本发发明提出上述立管出口边界条件，该边界条件考虑了放空立管出口的压力边界条件和流速边界条件的切换，其气体流速结果更准确；
[0172]
输气干线封闭端的边界条件为：封闭端的质量流量为0；封闭端气体状态变化为多变过程，多变过程指数n可根据初始条件和终了条件(终了温度等于环境温度，终了压力等于大气压)确定，计算公式为：
[0173]
式中，t
ini
和t
env
分别为干线放空前气体初始温度和环境温度，k；p
ini
和p
env
分别为干线放空前气体初始压力和大气压，pa；n为多变过程指数；
[0174]
放空阀处的边界条件为：满足压降公式、温降公式和质量流量平衡公式，如下所示：
[0175][0176][0177]min-m
out
＝0
[0178]
其中，p
in
和p
out
分别表示阻力元件入口和出口气体压力，pa；kv为阀门流量系数；ρ
in
和ρ
out
分别表示阻力元件入口和出口处气体密度，kg/m3；q
in
和q
out
分别表示阻力元件入口和出口处的实际气体体积流量，m3/s；t
in
和t
out
分别表示阻力元件入口和出口气体温度，k；m
in
和m
out
分别表示阻力元件入口和出口气体质量流量，kg/s；d
in
和d
out
分别表示阻力元件入口和出口处气体j-t效应系数，k/mpa；
[0179]
3)采用隐式中心差分算法对建立的天然气输气管道放空过程动态仿真模型进行离散求解，确定放空立管出口气体的流速、密度；
[0180]
采用隐式中心差分法对放空过程动态仿真模型进行求解，同时适用于干线管段和放空系统的短管段，且无条件满足计算稳定性，时间步长的选取不受限制，计算效率高。
[0181]
进一步地，额定声压级为70-80db。
[0182]
进一步地，额定马赫数为0.7-0.8。
[0183]
进一步的，初始时刻的阀门开度为30％-50％。
[0184]
进一步的，各时步的步长为30-120s。
[0185]
进一步的，马赫数通过如下公式确定：
[0186][0187]
式中，ma为马赫数，无量纲；v为气体流速，m/s；a当地声速，m/s。
[0188]
本发明一具体实施方式提供了一种天然气放空系统放空阀开阀控制方法，其中，该方法包括：
[0189]
根据上述天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法实施例确定的天然气放空系统放空阀开阀曲线进行天然气放空系统放空阀开阀控制。
[0190]
进一步地，该方法进一步包括：
[0191]
在根据上述天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法实施例确定的天然气放空系统放空阀开阀曲线进行天然气放空系统放空阀开阀控制之前，先控制天然气放空系统放空阀开阀至初始时刻的阀门开度。
[0192]
如图3所示，本发明实施例还提供了天然气放空系统放空阀开阀控制系统，该系统包括：
[0193]
放空阀开阀曲线确定装置31：用于实现各方法实施例所述的天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法，确定天然气放空系统放空阀开阀曲线；
[0194]
放空阀控制器32：与天然气放空系统放空阀连接，用于调整放空阀的开度，并通过线缆与自控装置连接；
[0195]
自控装置33：用于操控放空阀控制器31调整放空阀开度，实现各方法实施例所述的天然气放空系统放空阀开阀控制方法；
[0196]
通信线缆34：用于实现放空阀开阀曲线确定装置31与自控装置33之间、自控装置33与放空阀控制器32之间的通信。
[0197]
其中，放空阀开阀曲线确定装置31(可以选用能够实现各方法实施例所述的天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法的计算机)在放空前进行仿真模拟确定天然气放空系统放空阀开阀曲线并利用通信线缆34将放空阀开阀曲线传输给自控装置33。放空阀控制器32是天然气放空系统放空阀开阀控制系统的执行机构，其安装在天然气放空系统放空阀上，并通过通信线缆34与自控装置33连接，放空过程中，放空阀控制器42根据自控装置43的指令调整放空阀开度。自控装置43是天然气放空系统放空阀开阀控制系统的核心，在放空过程中自控装置43在天然气放空系统放空阀开阀曲线的基础上形成放空阀控制器42控制指令操控放空阀控制器42调整放空阀的开度，使放空阀开度按照各方法实施例所述的天然气放空系统放空阀开阀控制方法进行控制。
[0198]
进一步地，放空阀控制器32进一步用于将放空阀开度信息反馈给自控装置33；自控装置33进一步用于接收并储存放空阀控制器32反馈的放空阀实际开度信息。
[0199]
进一步地，天然气放空系统放空阀开阀控制系统进一步设置压力传感器、温度传感器、流量计等设备，用于采集放空立管出口的压力、温度、流量数据；自控装置33进一步用
于接收并储存压力传感器、温度传感器、流量计等设备采集的数据；放空阀开阀曲线确定装置31进一步用于将这些数据与仿真数据对比，基于对误差的分析，不断改进已建立的天然气放空系统放空阀开阀曲线确定方法。
[0200]
进一步地，天然气放空系统放空阀开阀控制系统还包括电源，用于给天然气放空系统放空阀开阀控制系统中的需要电力供给的装置提供电力保障。
[0201]
实施例1
[0202]
一种天然气放空系统放空阀开阀控制方法，该方法用于控制如图4所示的单管段单侧放空系统放空阀的开阀过程。
[0203]
干线和放空系统管线的基本参数如表1所示，气体组分如表2所示，干线管段放空前的气体初始压力和初始温度分别为2mpa和286k，管道总传热系数为1.1w/(m2
·
k)，环境温度取大气温度，假定为278k，放空阀流量系数随开度的变化关系如表3所示。
[0204]
表1干线和放空系统管线参数
[0205] 放空干线放空管线放空立管长度(m)8000620管径(mm)660200200壁厚(mm)10.37.57.5粗糙度(mm)0.010.460.46
[0206]
表2放空气源的天然气组分
[0207]
天然气组分摩尔分数(％)甲烷(c1)97.5乙烷(c2)0.2丙烷(c3)0.2氮气(n2)1.6二氧化碳(co2)0.5
[0208]
表3阀门流量系数与开度的变化关系
[0209]
开度1009080706050403020105流量系数k_v100076050035022015011080402010
[0210]
该方法包括：
[0211]
1、确定各个时步的放空阀的开度；如图5所示，具体通过下述方式实现：
[0212]
1.1、构建放空过程动态仿真模型；确定初始时刻的放空阀的开度；确定第一时步下放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级；
[0213]
具体而言，本实施例构建的放空过程动态仿真模型中，
[0214]
1)仿真模型为：
[0215]
输气管段等温稳态流动的基本微分方程为：
[0216]
连续性方程、动量方程和能量方程为：
[0217]
[0218][0219][0220]
其中，ρ为气体密度，kg/m3；τ为微元时间，s；a为管段流通面积，m2；m为管段内气体质量流量，kg/s；x为微元距离，m；p为气体压力，pa；d为管段内径，m；λ为摩阻系数，可根据colebrook公式计算；h为气体的焓，j/kg；s为高程，m；g为重力加速度，m/s2；k为总传热系数，w/(m2·
k)；t为气体温度，k；t0为周围环境温度，k；
[0221]
2)边界条件为：
[0222]
立管出口边界条件为：先采用出口压力等于大气压为边界条件，若计算出来的出口流速小于或等于当地声速，则说明当前时步采用压力边界条件是合理的；否则把出口边界条件切换为出口流速等于当地声速；
[0223]
输气干线封闭端的边界条件为：封闭端的质量流量为0；封闭端气体状态变化为多变过程，多变过程指数n可根据初始条件和终了条件(终了温度等于环境温度，终了压力等于大气压)确定，计算公式为：
[0224]
式中，t
ini
和t
env
分别为干线放空前气体初始温度和环境温度，k；p
ini
和p
env
分别为干线放空前气体初始压力和大气压，pa；n为多变过程指数；
[0225]
放空阀处的边界条件为：满足压降公式、温降公式和质量流量平衡公式，如下所示：
[0226][0227][0228]min-m
out
＝0
[0229]
其中，p
in
和p
out
分别表示阻力元件入口和出口气体压力，pa；kv为阀门流量系数；ρ
in
和ρ
out
分别表示阻力元件入口和出口处气体密度，kg/m3；q
in
和q
out
分别表示阻力元件入口和出口处的实际气体体积流量，m3/s；t
in
和t
out
分别表示阻力元件入口和出口气体温度，k；m
in
和m
out
分别表示阻力元件入口和出口气体质量流量，kg/s；d
in
和d
out
分别表示阻力元件入口和出口处气体j-t效应系数，k/mpa；
[0230]
具体而言，本实施例中初始时刻的放空阀的开度为50％；
[0231]
具体而言，采用隐式中心差分算法对建立的天然气输气管道放空过程动态仿真模型进行离散求解，确定第一时步下放空立管出口气体的流速、密度；获取放空立管出口气体的质量流量和温度；基于放空立管出口气体的流速确定放空立管出口气体的马赫数；基于放空立管出口气体的流速、质量流量、密度、温度确定放空观察点的声压级；其中，放空观察点的声压级通过下述公式确定得到：
[0232]
wa＝ηwm[0233][0234]
lw＝10log
10
wa 120
[0235]
l
p
＝lw di-10log
10
(4πr2)
[0236]
其中，当放空立管出口气体为亚音速流时，当放空立管出口气体为临界音速时，根据超临界流(即壅塞流)产生噪声的声效率与声压比的关系图版进行确定，参见图2；
[0237]
式中，wa为总声功率，单位w；wm为机械流功率，单位w；η为声效率，单位无量纲；u为放空立管出口气体的流速，单位m/s；m为放空立管出口气体的质量流量，单位kg/s；ρ为放空立管出口气体的密度，单位kg/m3；ρ0为大气密度，kg/m3；t为放空立管出口气体的温度，单位k；t0为大气温度，单位k；ka为声功率系数，取值5
×
10-5；ma为放空立管出口气体的马赫数，单位无量纲；lw为放空立管出口气流总声功率级，单位db；lp为放空观察点的声压级，单位db；di为指向性指数，单位db，通常亚声速流取值-6(马赫数小于1为亚声速流)，临界声速取值-1(马赫数≥1为临界声速)；r为放空观察点到放空立管出口的距离，单位m，取50m。
[0238]
1.2、判断是否满足当前时步下放空立管出口气体的马赫数小于0.8并且放空观察点的声压级小于80db；若满足，则执行步骤1.3；若不满足，则执行步骤1.4。
[0239]
1.3、确定调阀幅度值，放空阀的开度为当前开度加上调阀幅度值；
[0240]
具体而言，确定调阀幅度值的过程如图6所示，包括：
[0241]
1.3.1、判断是否满足当前时步的序号大于10；若否，则执行步骤1.3.2，若是则执行步骤1.3.2；
[0242]
1.3.2、调阀幅度值等于0.5％(以全开时的开度为100％计)；
[0243]
1.3.3、确定第一调阀幅度值value_tf；其中，第一调阀幅度值基于放空观察点的声压级的变化速率绝对值和立管出口气体的马赫数的变化速率绝对值进行调阀幅度值，通过下述公式进行确定：
[0244]
value_tf＝a
×
(k1 k2) b
[0245]
式中，value_tf为调阀幅度值；k1为放空观察点的声压级的变化速率绝对值；k2为立管出口马赫数的变化速率绝对值；a为系数，取值1000；b为系数，取值0.5。
[0246]
1.3.4、判断是否满足第一调阀幅度值大于5％；若是，则执行步骤1.3.5；若否则执行步骤1.3.6；
[0247]
步骤1.3.5、调阀幅度值等于5％；
[0248]
步骤1.3.6、调阀幅度值等于第一额定调阀幅度值。
[0249]
1.4、放空阀的开度保持当前开度。
[0250]
1.5、判断是否满足放空阀的开度大于100％；若是，则执行步骤1.6；若不是则执行步骤1.7。
[0251]
1.6、确定当前时步的放空阀的开度为100％。
[0252]
1.7、确定当前时步的放空阀的开度为此时放空阀的开度。
[0253]
1.8、进入下一时步放空阀的开度确定；
[0254]
具体而言，采用与步骤1.1相同的方式确定第一时步下放空立管出口气体的马赫数和放空观察点的声压级相同的方式确定下一时步的放空立管出口气体的流速、密度；并重复步骤1.2-步骤1.7确定下一时步的放空阀的开度，直至完成放空终了时刻的放空阀的开度确定；其中，当被放空管段的平均压力小于0.01mpa(表压)时为放空终了时刻。
[0255]
2、根据确定得到的各个时步的放空阀的开度，得到不同放空时刻对应的放空阀的开度，从而得到放空阀开阀曲线；
[0256]
本实施例中，确定的放空阀开阀曲线如图7所示，各放空时刻的调阀幅度值如图8所示。
[0257]
3、控制天然气放空系统放空阀开阀迅速开至初始时刻的阀门开度，然后根据天然气放空系统放空阀开阀曲线进行天然气放空系统放空阀开阀控制。
[0258]
对比例1
[0259]
按照30min线性全开的方式对实施例1中的放空阀进行开发控制，放空阀开阀曲线如图7所示，各放空时刻的计算调阀幅度值如图8所示。
[0260]
对比例2
[0261]
按照30min线性开至60％的方式对实施例1中的放空阀进行开发控制，放空阀开阀曲线如图7所示，各放空时刻的计算调阀幅度值如图8所示。
[0262]
按照实施例1提供的天然气放空系统放空阀开阀控制方法进行放空阀控制，按照对比例1提供的天然气放空系统放空阀开阀控制方法进行放空阀控制、按照对比例2提供的天然气放空系统放空阀开阀控制方法进行放空阀控制，各放空时刻的立管出口气体的流速、马赫数、声压级、质量流量依次如图9、图10、图11、图12所示，各放空时刻的被放空干线压力如图13所示。
[0263]
由图9-图13可以看出，本发明提供的天然气放空系统放空阀开阀控制方法能够实现放空作业过程中噪声满足规定要求的情况下保持数值较大且相对稳定的放空流量，较快的完成放空作业。相较于30min线性全开的方式或者30min线性开至60％的方式，效果更好。
[0264]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。