天然氣凈化廠放空系統(tǒng)設計與應用

張文超，喬光輝，張磊，劉子兵，常志波

西安長慶科技工程有限責任公司，陜西西安710018

天然氣凈化廠放空系統(tǒng)設計與應用

張文超，喬光輝，張磊，劉子兵，常志波

西安長慶科技工程有限責任公司，陜西西安710018

為做好天然氣凈化廠放空系統(tǒng)的設計工作，首先根據規(guī)范確定凈化廠天然氣放空量，依據放空量計算出火炬筒出口直徑和火炬筒高度；同時，利用Unisim Flare軟件對全廠放空系統(tǒng)管網進行水力計算，確定放空系統(tǒng)管徑，利用CAESAR II軟件對放空管道進行了應力分析，通過應力補償和管道支吊架的設置減少放空管道的振動和摩擦，確定放空系統(tǒng)管道安裝方式。該放空系統(tǒng)設計成果在靖邊氣田30億m3/a規(guī)模的天然氣凈化廠的設計中采用，經現(xiàn)場運行，放空系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足生產需要。

天然氣凈化廠；放空量；火炬；水力計算；管道布置

0 引言

為保證天然氣凈化廠安全生產，減少事故狀態(tài)下排放的天然氣對環(huán)境的污染，凈化廠應設置火炬及放空系統(tǒng)[1]。根據放空氣排氣壓力差異，天然氣凈化廠火炬及放空系統(tǒng)設置有高壓放空系統(tǒng)和低壓放空系統(tǒng)。高壓放空系統(tǒng)用于凈化廠及來氣干線緊急事故狀態(tài)下天然氣的放空，低壓放空系統(tǒng)用于工廠事故狀態(tài)下低壓氣的放空[2-3]。本文只討論高壓放空系統(tǒng)的設計。

以靖邊氣田30億m3/a凈化規(guī)模天然氣凈化廠為例，該廠主體工藝包括脫硫脫水裝置2套，硫磺回收裝置、尾氣焚燒、火炬及放空系統(tǒng)各1套。

放空系統(tǒng)的設計應首先確定天然氣放空量，然后分別進行火炬筒體參數(shù)的計算、放空管網的水力計算及應力分析。

1 氣體排放量的確定

當全廠站出現(xiàn)大面積火災時，將啟動安全儀表系統(tǒng)的第一級關斷，截斷所有進出站管道，只對站內管道和設備的氣體進行放空泄壓，此時的放空規(guī)模最大，決定了廠站火炬的最大泄放量和規(guī)模。

1.1 放空時間及放空壓力

火災泄壓放空通常根據是否含有輕烴設置降壓率，對于含輕烴的裝置應滿足系統(tǒng)壓力能夠在15 min內降至690 kPa或壓力容器設計壓力的50%，取其較低者；對于不含輕烴的裝置，考慮系統(tǒng)壓力在15 min內降至壓力容器設計壓力的50%[4]。

靖邊氣田采出氣中不含凝析油、羰基硫和硫醇，因此系統(tǒng)壓力在15 min內由5.2 MPa降至2.6 MPa。放空閥采用電動球閥+節(jié)流截止放空閥模式，正常運行時，節(jié)流截止放空閥通過開度指示儀，保證達到放空閥的泄放面積的開度，放空時利用遠程控制，開啟電動球閥。

1.2 放空閥泄放面積

根據殼牌DEP推薦，泄放閥泄放面積計算公式如下：

式中Av——放空閥泄放面積/m2；

B——系數(shù)，0.09；

V——系統(tǒng)容積/m3；

Cd——泄放系數(shù)，0.85；

t——放空時間/s；

G——氣體相對密度；

z——氣體壓縮因子；

T——操作溫度/K；

P1——泄放前壓力/kPa；

P2——泄放后壓力/kPa。

1.3 瞬時放空量

根據“圖解法求天然氣瞬時放空量[5]”，分別確定放空管路阻力因子、放空管路單位流通面積臨界質量流率、放空管路實際質量流率及放空管路實際標準體積流量。

（1）放空管路阻力因子：

式中∑（fL/d）——放空管路阻力因子；

L——放空管路等效長度/m；

k——管內壁絕對粗糙度/m；

d——放空管路內徑/m。

（2）放空管路單位流通面積臨界質量流率：

式中m0——放空管路臨界質量流率/（kg/（m2·s））；

P0——氣源絕對壓力/MPa；

γ——氣體等熵指數(shù)，取值1.3；

M——氣體摩爾質量；

R——理想氣體常數(shù)，8 314.4 J/（kmol·K）；

T0——氣源溫度/K；

Z0——氣源壓縮系數(shù)。

（3）放空管路實際質量流率：

放空管路的實際質量流率m是臨界質量流率m0、氣源絕對壓力P0和放空管路阻力因子∑（f L/d）的函數(shù)。

根據Pa/P0的比值（Pa為放空管路出口壓力，可近似取環(huán)境大氣壓力值）和∑（f L/d）的值，查出m/m0的值，則實際質量流率：

式中m——放空管路實際質量流率/（kg/（m2·s））

（4）放空管路實際標準體積流量：

式中Q——放空管路實際標準體積流量/（m3/s）；

A——放空管路流通面積/m2；

ρ——標準狀態(tài)下放空氣體密度/（kg/m3）。

1.4 凈化廠放空規(guī)模

凈化廠內設置4個泄放區(qū)，分別為：清管集氣區(qū)、1#脫硫脫水區(qū)、2#脫硫脫水區(qū)和配氣區(qū)，每個區(qū)設置1個放空點。4個區(qū)的水容積、天然氣余量、初始壓力、結束壓力和放空閥截面積等參數(shù)見表1，放空量隨放空時間的變化見圖1。

表1 凈化廠放空規(guī)模統(tǒng)計表

圖1 放空量隨時間變化的動態(tài)模擬曲線

由表1可知，火災工況下，凈化廠廠內的總放空氣量為55.46 m3/s，折合每小時流量為19.96萬m3。因此，清管集氣區(qū)、脫硫脫水區(qū)、配氣區(qū)緊急事故狀態(tài)下放空時，合計排入高壓放空系統(tǒng)的高壓放空量約為20萬m3/h。

2 火炬筒體的確定

火炬筒體的計算包括火炬筒出口直徑和高度兩部分。

2.1 火炬筒出口直徑

式中d——火炬筒出口直徑/m；

W——排放氣質量流速/（kg/s），本工程取0.194；

m——馬赫數(shù)，高壓火炬取0.5；

P——火炬筒出口內側壓力/kPa，取100.98；

T——排放氣體溫度（放空筒頂部內側氣體溫度）/K，取422；

K——排放氣體絕熱系數(shù)，本工程取1.3；

M——排放氣體平均分子量，本工程取17.70。

2.2 火炬筒高度

式中H——火炬筒高度/m；

τ——輻射系數(shù)；

F——輻射率；

Q——火炬釋放總熱量/kW；

q——允許熱輻射強度/（kW/m2）；

R——受熱點至火炬筒的水平距離/m；

Xc、Yc——火焰中心至火炬筒頂?shù)乃郊按怪本嚯x/m；

h——受熱點至火炬筒下地面的垂直高差/m，本工程取2。

2.3 靖邊氣田凈化廠火炬

靖邊氣田凈化廠高壓放空量約為20萬m3/h，高壓火炬計算參數(shù)見表2，計算得d=0.635 7 m，H=66.72 m。

表2 火炬計算參數(shù)

從火炬中心算起，距離火炬中心10 m處，輻射熱強度4.2 kW/m2，火炬高度滿足“沒有遮蔽物，但操作人員穿有合適的工作服，在緊急關頭需要停留幾分鐘的區(qū)域[1]”的要求。輻射熱趨勢詳見圖2。

圖2 火炬輻射熱趨勢

因此，靖邊氣田凈化廠火炬筒體直徑最終確定為650 mm，筒體高度確定為70 m。

3 放空系統(tǒng)管網水力計算

利用Unisim Flare軟件，對全廠放空系統(tǒng)管網進行水力模擬計算[6]。

計算結果表明，各個放空點最高背壓為0.336 MPa（絕壓），小于安全閥最大背壓0.5 MPa，系統(tǒng)管網完全滿足放空的需要。

全廠高壓放空系統(tǒng)工藝流程見圖3。

4 放空管道布置設計

利用CAESAR II軟件對放空管道進行了應力分析，表明：天然氣未放空時，管道主要承受自重和介質重量等持續(xù)荷載所引起的一次應力和溫度荷載所引起的二次應力；天然氣放空時，管道主要承受由泄放閥排放所產生的動態(tài)應力[7]。由泄放閥排放所產生的最大動態(tài)應力集中于泄放閥后的彎頭、三通等管件及管道有轉角的彎頭處，見圖4。

根據分析結果，對放空管道的安裝及支吊架設置提出以下優(yōu)化建議：

（1）放空閥出口設置固定支架。

（2）廠區(qū)至火炬區(qū)放空管網優(yōu)先選用水平π型彎自然補償。

（3）除固定支架外，每個管架上的放空管道均設置導向支架或管卡。

（4）放空總管與各個裝置放空支管連接處，需設置固定支架。

5 結論

（1）利用圖解法求解天然氣瞬時放空量，計算出30億m3/a天然氣凈化廠的高壓放空量約為20萬m3/h。

（2）根據SH 3009-2001《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》規(guī)定，火炬筒體直徑確定為DN650 mm，筒體高度確定為70 m。

（3）利用Unisim Flare模擬軟件，對全廠放空系統(tǒng)管網進行水力計算，結果表明系統(tǒng)管網完全滿足放空的需要。

（4）通過設置水平π型彎、管卡和固定支架，減小了放空管道的振動和摩擦，靖邊氣田凈化廠的應用實踐表明，效果良好。

圖3 全廠高壓放空系統(tǒng)工藝流程示意

圖4 管道泄放閥和π型補償結構模擬示意

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

[2]劉子兵，陳小峰，薛崗，等.長慶氣田天然氣集輸及凈化處理工藝技術[J].石油工程建設，2013，39（5）：54-60.

[3]潘越，劉俊蓮.天然氣凈化系統(tǒng)吹掃和壓力試驗工藝[J].石油工程建設，2005，31（4）：33-37.

[4]SY/T10043-2002，卸壓和減壓系統(tǒng)指南[S].

[5]石油和化工工程設計工作手冊編委會.石油和化工工程設計工作手冊第五冊輸氣管道工程設計[M].山東東營:中國石油大學出版社，2010.

[6]薛茂梅，系文杰，曹楓，等.ASPEN在火炬排放系統(tǒng)設計的應用[J].廣州化工，2010，38（6）:203-204.

[7]署恒木，魏升龍，楊遠，等.天然氣處理廠放空火炬系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J].中國石油大學學報（自然科學版），2013，37（1）:114-118.

Design and Application ofVenting System ofNaturalGas Purification Plant

Zhang Wenchao，Qiao Guanghui，Zhang Lei，Liu Zibing，Chang Zhibo
Xi’an Changqing Technology Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China

In the design of venting system of natural gas purification plant，the natural gas venting rate need determining according to relevant standard at first，and the flare cylinder diameter and height are calculated based on the rate of venting gas.Meanwhile，the sofeware Unisim Flare is utilized for hydraulic calculation of whole plant vent system pipeline network to determine the diameter of the venting system，and the software CAESAR II is used for venting pipe stress analysis to reduce vibration and friction of the venting pipeline by stress compensation and setting pipe hangers and supports，so as to determine venting system pipeline installation way.The result of venting system design is used in the design of 30×108m3/a Natural Gas Purification Plant Project of Jingbian Gas Field.The field operation shows that the venting system runs stably and meets production needs.

naturalgas purification plant；venting rate；flare；hydraulic calculation；pipeline layout

圖片報道：靖邊氣田第二天然氣凈化廠放空火炬

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.007

張文超（1983-），男，河北邢臺人，工程師，2005年畢業(yè)于西安石油大學化學工程與工藝專業(yè)，主要從事天然氣處理和凈化的設計及科研工作。

2013-12-21；

2014-06-10