輸氣管道站場(chǎng)泄放系統(tǒng)的計(jì)算

摘 要：天然氣長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)放空系統(tǒng)的計(jì)算是站場(chǎng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，本文主要從站場(chǎng)放空系統(tǒng)的重要性、放空系統(tǒng)的構(gòu)成、放空系統(tǒng)中重要泄放裝置的選型計(jì)算等幾個(gè)方面來(lái)研究，并就該系統(tǒng)的完善給出了部分建議。

關(guān)鍵詞：天然氣；站場(chǎng)；放空系統(tǒng)；計(jì)算；

中圖分類(lèi)號(hào)：TK0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-04-00253-02

放空系統(tǒng)是天然氣站場(chǎng)的重要系統(tǒng)之一，放空系統(tǒng)不僅可以在工程投產(chǎn)、維搶修時(shí)有組織的將管線(xiàn)和設(shè)備中的天然氣引致放空立管或火炬，還可以在站場(chǎng)或上下游管線(xiàn)發(fā)生事故時(shí)及時(shí)泄放掉管線(xiàn)和設(shè)備內(nèi)的天然氣，以防止事故的滋生和蔓延。

一、天然氣長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)放空系統(tǒng)計(jì)算的構(gòu)成

分解放空系統(tǒng)的計(jì)算為：設(shè)備、容器安全閥放空計(jì)算，站場(chǎng)事故放空計(jì)算，進(jìn)出站管線(xiàn)放空計(jì)算，放空匯管尺寸計(jì)算，放空立管和放空火炬計(jì)算。

（一）安全閥放空計(jì)算。放空系統(tǒng)中安全閥的計(jì)算主要是用來(lái)協(xié)助安全閥的選型，計(jì)算內(nèi)容主要包括最大泄放量計(jì)算、安全閥喉管面積的計(jì)算。1、安全閥的選型計(jì)算。安全閥的選型計(jì)算可按照該思路進(jìn)行：估算被保護(hù)設(shè)備、容器或管線(xiàn)的有效容積——依照API RP 521規(guī)定求解事故工況時(shí)允許的最小最大泄放量（15min內(nèi)將設(shè)備或容器內(nèi)的壓力泄放至0.69MPa，具體計(jì)算可采用HYSYS、VISUAL FLOW等軟件）——安全閥喉管面積計(jì)算（根據(jù)安全閥以允許的最大泄放量泄放時(shí)閥出口處馬赫數(shù)不超過(guò)0.9反算喉管面積）——安全閥選型（依據(jù)計(jì)算喉管面積選擇合適尺寸的安全閥）——校核采用所選安全閥時(shí)的最大泄放量和出口馬赫數(shù)是否滿(mǎn)足要求（若滿(mǎn)足15min內(nèi)可泄放至0.69MPa和出口處馬赫數(shù)不超過(guò)0.9則計(jì)算結(jié)束，否則重新選型核算）。2、閥前管徑計(jì)算。為了防止過(guò)大壓損產(chǎn)生震動(dòng)，造成對(duì)泄放裝置的危害，需要限制該壓損的大小。按照API RP520規(guī)定，該段壓損不得高于安全閥設(shè)定壓力的3%，以此為邊界條件反算最大泄放量時(shí)可允許的最小閥前管徑，但最終選取管徑不得小于安全閥入口口徑。3、閥后管徑的計(jì)算。閥后管徑的計(jì)算思路為：閥后允許背壓大小的確定（依據(jù)選用安全閥的類(lèi)型、設(shè)定壓力及系統(tǒng)中其他有可能同時(shí)泄放的安全閥的設(shè)定壓力合理確定。API RP521規(guī)定：在確定放空管系尺寸時(shí)，應(yīng)使可能同時(shí)泄放的各安全閥后的累積回壓在該安全閥定壓的10%左右）——閥至放空終端間管線(xiàn)的允許壓降（安全閥最大允許背壓減去附加背壓）——求得閥后管線(xiàn)允許最小管徑（據(jù)該段管線(xiàn)的允許壓降、最大泄放量和API中閥后出口管線(xiàn)流速低于1Ma、干管及總管流速低于0.7Ma的要求反算管徑）——圓整計(jì)算管徑并校核選用管徑管線(xiàn)放空時(shí)閥后背壓的實(shí)際值。

（二）站場(chǎng)事故放空計(jì)算。站場(chǎng)發(fā)生重大事故時(shí)需要切斷進(jìn)出站管線(xiàn)，同時(shí)泄放站場(chǎng)內(nèi)管線(xiàn)和設(shè)備的壓力。站場(chǎng)事故放空計(jì)算主要包括站場(chǎng)BDV閥和閥后限流孔板的計(jì)算。1、BDV閥選型計(jì)算。BDV閥選型計(jì)算的關(guān)鍵在于閥口徑的計(jì)算，而廠(chǎng)家在確定口徑時(shí)需知道要求閥所具有的最大泄放量和以最大泄放量泄放時(shí)閥的流量系數(shù)（Cv值）。計(jì)算思路如下：站場(chǎng)有效容積的估算——利用HYSYS建立Depressing動(dòng)態(tài)泄放模型——計(jì)算得出滿(mǎn)足規(guī)范要求的最大泄放量和Cv值——選取滿(mǎn)足要求的BDV閥——根據(jù)所選閥門(mén)的Cv值校核閥的最大流通量。2、限流孔板計(jì)算。限流孔板應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：（a）工藝物料需要降壓且精度要求不高；（b）在管道中閥門(mén)上、下游需要有較大壓降時(shí)，為減少流體對(duì)閥門(mén)的沖蝕，當(dāng)經(jīng)孔板節(jié)流不會(huì)產(chǎn)生氣相時(shí)，可在閥門(mén)上游串聯(lián)孔板；（c）流體需要小流量且連續(xù)流通的地方；（d）需要降壓以減少磨損或噪聲的地方，如放空系統(tǒng)；（e）保證安全操作

限流孔板選型的計(jì)算思路為：安裝位置最大泄放量的確定（同BDV閥最大泄放量）——根據(jù)限流孔板前后壓差選擇孔板的形式（單板還是多板）——按照孔徑計(jì)算公式計(jì)算限流孔板的孔徑d0（公式可參照HGT-20570.15）——根據(jù)臨界流率壓力比（γe）—絕熱指數(shù)（k）—孔徑/管徑（d0/D）關(guān)系表查得γe——判斷孔板前后壓力之比（P2/P1）與γe的相對(duì)大?。ㄈ鬚2/P1≤γe，則可使流量限定在一定數(shù)值，說(shuō)明計(jì)算值d0有效，否則需調(diào)整壓降或管徑，重新計(jì)算。）——圓整孔徑計(jì)算值。

使用限流孔板降壓時(shí)，為了避免使用限流孔板的管路出現(xiàn)噎塞流，限流孔板后壓力不能小于板前壓力的55%，否則選用多板，其板數(shù)要保證每塊孔板的板后壓力大于板前壓力的55%（臨界限流壓力PC的推薦值：飽和蒸汽0.58P1；過(guò)熱蒸汽及多原子氣體0.55P1；空氣及雙原子氣體0.53P1，P1為限流孔板前的壓力。）3、限流孔板后管徑計(jì)算。影響限流孔板后管徑尺寸的主要因素是孔板后的壓力、最大泄放量和管內(nèi)允許的最大流速（API規(guī)定不大于0.7Ma）。在已知泄放量和管內(nèi)允許流速后反算孔板后壓力，只要壓力不高于氣體的臨界流動(dòng)壓力即可。

（三）進(jìn)出站管線(xiàn)放空計(jì)算。進(jìn)出站管線(xiàn)上BDV閥的選型同站場(chǎng)事故放空管線(xiàn)上BDV閥的計(jì)算，區(qū)別在于最大泄放量的確定，計(jì)算思路為：確定事故時(shí)所需BDV閥的最大泄放量（最大泄放量的確定跟站場(chǎng)與臨近閥室間距、管線(xiàn)設(shè)計(jì)壓力及允許事故泄放時(shí)間等有關(guān)，據(jù)西氣東輸一線(xiàn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，緊急情況下事故段線(xiàn)路管線(xiàn)需要在10-12h內(nèi)完成泄放）——按最大泄放量和調(diào)節(jié)閥Cv值的計(jì)算公式計(jì)算所需Cv值——據(jù)計(jì)算Cv值和最大泄放量選擇合適尺寸的BDV閥——校核選用該尺寸BDV閥時(shí)閥的最大泄放量、出口處流速和管線(xiàn)泄放所需時(shí)間。

二、放空匯管尺寸計(jì)算

放空匯管尺寸的計(jì)算主要受以下限制因素的影響：

（一）放空匯管所要承擔(dān)的最大泄放量。多個(gè)裝置安裝的公用總管系統(tǒng)和管匯一般是根據(jù)最壞的情況計(jì)算的，即在單獨(dú)過(guò)壓事故中合理地假設(shè)所有裝置可能同時(shí)排放所需要的疊加流量，以此來(lái)作為放空匯管所需承擔(dān)的最大泄放量。

（二）同放空匯管在同一放空系統(tǒng)中且存在同時(shí)放空可能的各泄放裝置的最大允許背壓。安全閥背壓就是安全閥的出口壓力，是安全閥開(kāi)啟前出口處的靜壓（附加背壓）與安全閥開(kāi)啟后介質(zhì)流動(dòng)所產(chǎn)生的壓降（積聚背壓）之和。附加背壓包括可變背壓和不變背壓，可變背壓是由于其他泄放裝置泄放而使安全閥出口增加的靜壓力，不變背壓一般為當(dāng)?shù)卮髿鈮?。積聚背壓主要影響安全閥起跳后的泄放量，積聚背壓和附加背壓之和（安全閥背壓）一般應(yīng)小于氣體的臨界流動(dòng)壓力值。

（三）放空匯管的管路長(zhǎng)度。當(dāng)站場(chǎng)平面布置確定后，放空匯管的管路長(zhǎng)度也就隨之確定了。適當(dāng)減小匯管的長(zhǎng)度有利于降低匯管的管徑尺寸。上述三個(gè)因素確定后就可以對(duì)匯管的尺寸進(jìn)行計(jì)算了，計(jì)算時(shí)的邊界條件除了最大允許背壓外還有匯管內(nèi)的氣體流速，流速不得超過(guò)0.7Ma。

（四）放空立管計(jì)算1、放空立管管徑計(jì)算。放空立管管徑主要取決于放空立管的放空量和出口處允許的馬赫數(shù)，可通過(guò)提高出口處氣體的馬赫數(shù)來(lái)減小放空管徑，但馬赫數(shù)偏高會(huì)導(dǎo)致放空噪聲過(guò)大。根據(jù)規(guī)范GB 50183-2004規(guī)定，事故狀態(tài)下，出口馬赫數(shù)不高于0.5。因此在計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)出口處馬赫數(shù)為0.5來(lái)反算放空立管的管徑。2、放空立管高度計(jì)算。非點(diǎn)火放空立管高度可根據(jù)規(guī)范GB 50183-2004規(guī)定確定。當(dāng)放空量不大于1.2×104m3/h是，放空立管據(jù)閥室或站場(chǎng)距離不小于10m，當(dāng)放空量大于1.2×104m3/h且小于4.0×104m3/h時(shí)，間距不得小于40m

（五）放空火炬的計(jì)算。1、放空火炬筒徑（火炬頭）計(jì)算。放空火炬筒徑的大小主要取決于放空系統(tǒng)的最大泄放量和火炬頭出口處的最大允許流速，根據(jù)GB 50183-2004規(guī)定（同API RP521有關(guān)規(guī)定）：對(duì)站場(chǎng)發(fā)生事故，原料或產(chǎn)品氣體需要全部排放時(shí)，按最大排放量計(jì)算，馬赫數(shù)可取0.5；單個(gè)裝置開(kāi)、停工或事故泄放，按需要的最大氣體泄放量計(jì)算，馬赫數(shù)可取0.2。故在火炬筒徑計(jì)算時(shí)可按下面思路進(jìn)行：放空系統(tǒng)最大泄放量的確定（可取放空匯管的最大排放量）——按火炬頭出口處馬赫數(shù)為0.5反算所需筒徑——向上圓整筒徑尺寸，并以圓整后的尺寸校核以最大泄放量泄放時(shí)的馬赫數(shù)和單個(gè)裝置開(kāi)、停工或事故泄放時(shí)的馬赫數(shù)。2、放空火炬高度計(jì)算?？蓞⒄誈B 50183-2004中的公式，計(jì)算思路為：分析火炬周?chē)脑O(shè)施及環(huán)境狀況，確定敏感點(diǎn)（需考慮輻射影響的設(shè)施）——火焰最大長(zhǎng)度的計(jì)算（火焰長(zhǎng)度可從GB 50183-2004中火焰長(zhǎng)度和釋放熱量Q-L關(guān)系曲線(xiàn)圖查得，也可按照《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》中有關(guān)規(guī)定確定）——按規(guī)范中火炬高度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并予以圓整——以圓整后的高度計(jì)算火炬的地面輻射范圍，進(jìn)而確定火炬放空區(qū)需要的征地面積。3、放空火炬筒徑和高度的關(guān)系。在放空量相同時(shí)增加放空火炬的筒徑，火炬輻射的范圍會(huì)相應(yīng)的增加，這就需要增加征地面積；同樣，減小筒徑時(shí)，火炬燃燒時(shí)豎直方向的輻射范圍將增加，水平方向的范圍會(huì)相應(yīng)減小，這樣就可以減少火炬放空區(qū)域的征地面積。利用DNV的PHAST軟件對(duì)放空火炬高度與筒徑間關(guān)系進(jìn)行模擬可以發(fā)現(xiàn)：在放空量相同時(shí)，增大筒徑的大小，火炬燃燒時(shí)產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度會(huì)隨之增加，需要保護(hù)的輻射區(qū)域面積也將相應(yīng)加大。故在計(jì)算放空筒徑的大小時(shí)可以直接以0.5馬赫的流速要求確定筒徑，然后再確定征地范圍的大小。相同泄放量、相同高度、不同筒徑時(shí)的計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)下圖：示例：火炬高度40m，泄放量130×104m3/d，組分CH4，計(jì)算平面為離地面2m處的水平面。