輸氣站場放空系統(tǒng)設計思路

晏 偉 1，2

（1.勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026；2.中國石油大學（華東），山東青島 266580）

0 引言

輸氣站場最重要的兩個安全措施是緊急關斷和緊急放空。放空系統(tǒng)的重要作用就是在需要放空的時候，使站場或長輸管道壓力盡快地泄放至安全范圍，以防止事故的蔓延、擴大，并為搶修贏得時間。因此，在輸氣站場設計中，放空系統(tǒng)的設計尤為重要，在考慮經濟性的同時，更重要的是系統(tǒng)的可靠性。

筆者有幸參加了國家 “十一五”重點建設工程川氣東送管道工程的設計工作，并對該工程輸氣站場的放空系統(tǒng)進行了較為細致的設計和分析，本文結合該工程對輸氣站場放空系統(tǒng)的幾大關鍵參數的選取和計算進行了簡要的分析。

通常，輸氣站場放空主要有以下幾種情況：安全閥放空、站內管道緊急放空、站外管道事故放空、站內檢修放空。

1 放空量計算

1.1 安全閥放空量計算

計算安全閥時，應首先確定安全閥的泄放量。

造成設備超壓的原因主要有火災、操作失誤、動力故障三種，確定安全閥的泄放量時，應視工藝過程的具體情況確定，并按可能發(fā)生的危險情況中最大的一種來考慮，但不應機械地將各種不利情況疊加考慮。

1.1.1 容器出口關閉

根據SY/T 10043-2002《卸壓和減壓系統(tǒng)指南》 （API 521）、GB 150-1998《鋼制壓力容器》及 《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊》等有關容器超壓放空的規(guī)范及手冊的要求，當設備出口閥因誤操作關閉，物料在設備內聚集有可能使設備超壓時，安全閥的泄放量應為進入設備的物料總量。

但對于輸氣管道來說，通常整個管路系統(tǒng)、站場均為同一個設計壓力，提供壓力源的壓縮機出口設置了超壓泄放閥，壓縮機控制系統(tǒng)本身也嚴格對出口壓力進行了控制和調節(jié)，即使輸氣站場容器出口關閉，也不會造成設備超壓。因此在輸氣站場放空量確定過程中可視具體設計壓力情況決定是否采用進入設備的物料總量。在川氣東送管道輸氣站場設計中，因系統(tǒng)設計壓力為10 MPa，壓力容器設計壓力為10.5 MPa，壓縮機出口壓力為9.85 MPa，且具有出口超壓關斷和卸壓的措施，因此壓力容器出口關閉不會造成設備超壓，故設計中不采用此值作為站場放空量和安全閥選型的依據。

1.1.2 火災工況

對于天然氣長輸管道，因為輸送的介質為干氣，正常運行過程中管道和設備內不會有液相產生，因此在火災工況下均可按未濕潤表面考慮。

在上述分析的前提下，根據SY/T 10043-2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》對于暴露于明火中的含有超臨界流體、氣體或蒸汽的容器的壓力泄放閥的相關計算公式，可以計算出泄放量和泄放面積。其相關公式如下：

式中W——泄放量/×0.454 kg/h；

M——氣體分子質量；

P1——閥前泄放壓力/×6.896 kPa，為閥門的設定壓力加上允許超壓再加上大氣壓；

A′——容器暴露于火中的面積/×0.092 9 m2；

Tw——容器壁的溫度/oR（蘭氏溫度，1oR=1.8×攝氏度+491.67）；對于普通碳鋼， 推薦為593℃ （1 100℉）， 對于合金材料，應選用更合適的推薦的最大值；

T1——在進口泄放壓力下，氣體的絕對溫度/°R （蘭氏溫度）；

A——閥門的有效排放面積/×645.16 mm2；

k——Cp/Cv，氣體或蒸氣的比熱容；

Pn——氣體的正常操作壓力/×6.896 kPa；

Tn——氣體的正常操作溫度/oR；

Kd——泄放系數，在計算泄放尺寸時取0.975。

1.2 站內管道緊急放空量計算

在川氣東送管道站場等安全等級較高的站場設計中，站場最高級緊急關斷時通常應同時開啟站場緊急放空閥泄放站內管網的壓力，從而降低事故風險，更加迅速地控制火情。緊急關斷閥可以是自動閥，也可以是手動閥，應根據具體項目的安全等級要求確定。

緊急放空閥的放空量可參照SY/T 10043-2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》中關于蒸汽減壓裝置處理能力的規(guī)定計算確定，即按照15 min內將管網壓力由泄放初始值泄放至0.69 MPa或管網設計壓力的50% （取較低值）來計算峰值放空量。此計算可利用HYSYS等工藝模擬軟件分析得到。

緊急放空閥后限流孔板口徑的計算可參照節(jié)流閥計算公式或者Campbell在 “Gas Conditioning and processing”一書中推薦的公式來計算。

1.2.1 調控氣井產量的節(jié)流閥計算公式

式中d——節(jié)流閥流通直徑/mm；

qv——天然氣流量（p=101.325kPa，t=20℃）/（m3/d）；

p1——閥前壓力，取100 kPa（絕）；

ρ——天然氣相對密度 （對空氣）；

Z——閥前氣體壓縮因子；

T——閥前氣體絕對溫度/K。

1.2.2 Gas Conditioning and processing推薦公式

式中t——放空時間/s；

B——常數，取0.09；

V——系統(tǒng)容積/m3；

Cd——閥門泄放系數，取0.85；

Av——閥門泄放面積/m2；

γ——氣體密度；

Z——氣體平均壓縮因子；

T——氣體平均溫度/K；

P1——泄放初始壓力/kPa（絕）；

P2——泄放終了壓力/kPa（絕）。

1.3 站外管道事故放空量確定

1.3.1 考慮事故搶修時間

通常，輸氣站場還兼具線路截斷閥室的功能，在站外管道故障停輸需要卸壓檢修時，站場要具有對站外管道進行卸壓的功能。

因為該放空流量與放空時間緊密相關，而放空時間又與管道的搶修時間緊密相關，因此嚴格來說，站外管道的放空流量宜與業(yè)主協商確定。舉例來說，川氣東送管道是目前國內第三大能源大動脈，其停輸將會給沿線用戶帶來重大損失，從而造成較為嚴重的社會影響，因此其停輸搶修時間應該嚴格控制。通常，根據工程經驗，為了盡可能減少搶修時間，建議搶修時間控制在72 h之內，而搶修時間包含放空時間，因此設計中可以根據工程允許的放空時間及管道內的存氣量來確定所需的放空能力，從而設計合理的放空系統(tǒng)。

1.3.2 不考慮事故搶修時間

在一般工程設計中，因各業(yè)主實際維搶修能力不同以及長輸管道用戶重要性的不同，業(yè)主往往不能明確給出具體的搶修和放空的允許時間。因此設計時可以依據GB 50183-2006《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》確定站外管道的放空量。

GB 50183-2006第4.0.8條對放空豎管與站場的安全距離規(guī)定是：“放空管放空量等于或小于1.2萬m3/h時，不應小于10 m；放空量大于1.2萬m3/h且等于或小于4萬m3/h時，不應小于40 m?！痹摋l款未對放空量超過4萬m3/h的放空管作出規(guī)定；同時 《天然氣長輸管道工程設計》一書對放空豎管和放空火炬的設置原則要求如下：“放空氣體應經放空豎管排入大氣。放空量小于1.2萬m3/h的放空管可不點火排放，放空量為1.2萬～4萬m3/h時，對放空的天然氣宜點火燃燒?！?/p>

因此，通常情況下業(yè)內都認為放空量大于4萬m3/h時應設置放空火炬點火排放而不是直接排放。也就是說，如果輸氣站場設置放空立管，則放空量最大不宜超過4萬m3/h；若設置放空火炬，則可以以火炬的最大放空能力作為站外管道的設計放空流量。

1.3.3 放空時間估算

1.3.3.1 筆者建議的計算方式

站外管道放空一般通過放空閥來控制放空量，盡可能使其不超過4萬m3/h左右。因此，可假設放空速度保持恒定，通過計算被放空管道內的天然氣容積，再除以放空速度即可得到放空時間。

例如：設某管道平均壓力為10 MPa，管徑為DN1 000 mm，截斷閥間距32 km：

則管內天然氣在標準狀況下的體積V為251 萬 （m3）。

因管道事故放空時，最快的放空速度為事故點兩側的閥室 （或站場）同時放空，因此，最終的放空時間 t=V÷2÷4=31.4 （h）。

通常，長輸管道的事故搶修時間不超過72 h，如果放空用去31 h，則剩余的搶修時間為41 h，如果組織得當，基本可以滿足搶修要求。若業(yè)主對搶修時間要求非常嚴格，可通過減小閥室間距或者選用可點火的放空立管。

1.3.3.2 《天然氣長輸管道工程設計》的計算方式

《天然氣長輸管道工程設計》中考慮放空時放空閥全開，因此其放空時間計算公式為：

式中t——放空時間/min；

F——選擇系數：理想孔F=1.0，直通閘閥F=1.6，普通閘閥F=1.8，涂潤滑脂旋塞閥F=2.0。

P——管道放空初始壓力/MPa；

D——管道內徑/mm；

G——天然氣相對密度；

L——截斷閥的間距/km；

d——放空管內徑/mm。

仍然設某管道平均壓力為10 MPa，管徑為DN1 000 mm，截斷閥間距32 km，放空管徑為300 mm，可算得放空時間為150 min（即2.5 h）。

此時平均放空速度Q=251×104÷2÷2.5=50.2萬 （m3/h），此放空量若不點火放空將會有很大的安全隱患，且放空管流速遠不止0.5馬赫，因此事實上無法實現。

2 放空背壓確定

背壓即放空時放空閥出口的壓力，安全閥開啟前泄壓總管的壓力與安全閥開啟后介質流動所產生的流動阻力之和。根據GB 50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》第3.4.5條第1、2款規(guī)定：放空時，必須確保任一安全閥的背壓不大于該安全閥定壓的10%。

值得注意的是，此條規(guī)范并未指明安全閥是普通彈簧安全閥還是先導式安全閥。實際上，根據《工藝管道安裝設計手冊》及美國石油學會標準API RP 521《卸壓和減壓系統(tǒng)導則》，對于先導式安全閥，其允許背壓可為定壓的50%，甚至60%。

規(guī)范對其他非自動啟跳的放空閥則沒有背壓的要求。因此，保守而簡便的做法是取管網背壓為同一放空系統(tǒng)內設定壓力最低的安全閥的定壓的10%。例如：當同一放空系統(tǒng)內安全閥定壓有10、8、6 MPa時，則取系統(tǒng)最大允許背壓為0.6 MPa。如果系統(tǒng)內有某些等級或某些安全閥背壓不滿足進入同一放空系統(tǒng)的背壓要求，則必須另設獨立的放空系統(tǒng)。

3 放空管管徑計算

當放空量和放空背壓確定后，就可以進行放空總管和支管的管徑計算了。其中，對于放空總管管徑計算建議應同時滿足以下條件：

第一、根據 《天然氣長輸管道工程設計》，放空管管徑一般為干線直徑的1/3～1/2。因此，對于站內放空總管若考慮站外放空時，其管徑首先應確保不小于放空管管徑。

第二、為了確保管內流速不超過0.5馬赫，放空總管管徑不應小于火炬筒出口最低允許直徑 （即計算直徑）。

第三、確保最大放空量排放時，離火炬筒出口最遠點的壓力小于允許背壓。

對于第三種情況，筆者建議利用專業(yè)的放空系統(tǒng)模擬軟件，如AspenONE等來進行詳細的模擬，也可利用TGNET、PipePhase等軟件進行簡單的模擬，還可參考SH 3009-2005《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》附錄A的放空管道壓力降計算公式反算放空管管徑：

（1）當管網壓力小于或等于500 kPa（絕）時：

（2）當管網壓力小于或等于5 kPa（絕）時，可簡化為：

（3）水力摩擦系數計算公式：

式中P1——管道起點壓力/kPa（絕），此處取背壓；

P2——管道終點壓力/kPa（絕），排放至大氣時取101.3 kPa；

L——管道計算長度，即直管長度與管件、閥件當量長度之和/m；

μ——水力摩擦系數；

γ——氣體相對密度；

T——操作條件下的氣體溫度/K；

Q——折算為標準狀態(tài)下的氣體體積流量/（m3/h），即最大放空量；

d——放空管內徑/cm；

ΔP——管道壓力降/kPa（絕）；

Ra——管內壁絕對粗糙度/cm，無內涂層新鋼管取0.003 cm；

Re——雷諾數。

4 放空火炬計算

火炬的計算內容包括火炬筒出口直徑計算，火炬高度計算，火炬距離站場的最近安裝距離計算。火炬的計算應執(zhí)行GB50183-2006《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》條文說明6.8.7條的要求。本文僅對其中需要注意的幾點進行分析。

4.1 馬赫數的選取

馬赫數大小直接影響到放空火炬口徑大小，對火炬的造價有著較大的影響，因此，火炬設計中需要認真分析輸氣站場放空的性質，選擇合理的馬赫數。

天然氣長輸管道站場正常生產時不會放空，因此根據GB 50183-2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》中對放空火炬出口馬赫數的規(guī)定：“對站場發(fā)生事故，原料或產品氣體需要全部排放時，按最大排放量計算，馬赫數可取0.5。”

4.2 火炬距離站場或其他安全場所的最近安裝距離計算

火焰中心對站場或其他安全場所的輻射熱強度根據GB 50183-2004條文說明6.8.7條表3選取，建議取值1.58 kW/m2。當火炬高度確定后，根據放空火炬高度的計算公式整理出火炬距離站場的最近安裝距離的公式為：

式中R——受熱點至火炬筒的水平距離/m；

τ——輻射系數；

F——氣體擴散焰輻射率；

Q——火炬釋放的總熱量/kW；

q——允許熱輻射強度/（kW/m2）；

H——火炬筒高度/m；

Yc——火焰中心至火炬筒頂的垂直距離/m；

h——受熱點至火炬筒下地面的垂直高差/m；

Xc——火焰中心至火炬筒頂的水平距離/m。

任意給定一個D（火焰中心至受熱點的距離）值，根據輻射系數的計算公式，有：

式中r——大氣相對濕度/%；

D——火焰中心至受熱點的距離/m。仍然采用迭代計算、逐步收斂的方法，可以計算出火炬距離站場或其他安全場所的最近安裝距離。

4.3 火炬輻射熱影響與火炬高度、征地范圍的關系

火炬的輻射熱影響范圍邊界的輻射熱強度建議取值1.58 kW/m2或為允許操作人員長期暴露的輻射熱強度。需要注意的是，根據這一原則計算的輻射熱半徑通常較大，造成有時候火炬輻射熱影響范圍超出了放空區(qū)征地范圍。因此，為了避免對附近人員、農作物、植被或建構筑物造成影響，需要適當加大火炬高度或者擴大征地面積，使其輻射熱影響范圍盡量在征地范圍 （或圍墻）以內，確保放空安全。

5 需進一步探討的問題

5.1 關于站場緊急放空時間及放空終了壓力的確定

通常站場緊急放空參照SY/T 10043-2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》中關于蒸汽減壓裝置處理能力的規(guī)定選取放空時間和放空終了壓力，即15 min內將管網壓力由泄放初始值泄放至0.69 MPa或管網設計壓力的50% （取較低值）。由于輸氣管道站場通常操作、設計壓力較高 （大于8 MPa），不同于煉廠、氣體處理廠針對各單元設置獨立的緊急關斷和放空流程，而是通常將輸氣站場作為一個放空單元，故管容較大，如果按照上述規(guī)定計算，則瞬時放空量極大。以設計壓力12 MPa、管徑DN1000mm估算，一座壓氣站的管容 （包括容器）約為300 m3，如果要求在15 min內將壓力泄放至690 kPa，則峰值泄放量為44.7萬m3/h，計算得火炬頭直徑為891 mm，若確保輻射熱強度1.58 kW/m2范圍在100 m半徑以內，則需選取的火炬規(guī)格為DN900 mm、高度115 m。對于長輸管道來說，火炬規(guī)格太大，投資、征地都嚴重超出預期。

因此，對于輸氣管道站場，其緊急放空工況下的放空時間和放空終了壓力是否可以適當調整，如適當延長放空時間，提高終了壓力，以減小放空系統(tǒng)的設計難度是需要進一步探討的問題。

5.2 關于低溫低應力工況選材問題

根據焦耳—湯姆遜效應，輸氣管道站場放空不可避免地存在低溫放空現象，對于高壓力管道站場尤為明顯。當放空閥后計算溫度低于-29℃時，將對放空系統(tǒng)管道、設備的選材帶來較大的影響。當低于-45℃時，除了可能的水合物影響之外，普通碳鋼已經無法滿足要求，而選用不銹鋼等高等級合金鋼，將會造成投資的大大增加。因此，對于放空這一典型的低溫工況，是否考慮進行低溫、低應力工況的詳細分析，選擇合理的材質，并在有關技術手冊、標準或規(guī)范中予以明確，以達到既安全放空又有效地控制投資同樣也是需要進一步探討的問題。

5.3 關于放空火炬是否按可能攜帶液體考慮的問題

目前，部分專家從嚴格控制放空安全的角度考慮，要求輸氣管道放空火炬按照可能攜帶液體考慮。這一要求使火炬的安全間距不能按照輻射熱計算確定，而應該根據GB 50183-2004表4.0.4條進行確定，距離民房、村鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)不得小于120m，距離輸氣站場不得小于90 m。這將給站場選址造成很大的影響，尤其在南方發(fā)達地區(qū)，選址將極為困難，同時將造成土地的閑置和增加征地費用，給工程設計和工程實施帶來很大困難。實際上，根據GB 50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》和GB 17820-1999《天然氣》，對于不滿足水、烴露點的天然氣，不允許進入長輸管道，同時長輸管道投產前都應該經過嚴格的清管、干燥處理，因此長輸管道放空時含液的可能性不大，所以輸氣站場火炬是否必須按含液考慮的問題，也是需進一步探討的。

5.4 關于放空火炬、放空立管的選用問題

在GB 50183-2004等設計規(guī)范中，并未對輸氣站場設置放空火炬、放空立管做出明確要求。設置火炬可實現點火放空，降低火災、爆炸風險，但投資高。長輸管道站場放空通常屬于事故狀態(tài)，屬于偶發(fā)事故，火炬利用率很低，因此選用火炬還是立管，這仍然是需要進一步探討的問題。

[1]SY/T 10043-2002，泄壓和減壓系統(tǒng)指南[S].

[2]GB 50183-2004，石油天然氣工程設計防火規(guī)范[S].

[3]中國石油天然氣總公司.石油地面工程設計手冊：天然氣長輸管道工程設計[M].山東東營：石油大學出版社，1995.

[4]張德姜.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M].北京：中國石化出版社，2009.

[5]John MCampbell.Gas Conditioning and Processing[M].Michigan:Campbell Petroleum Series,1982.