天然氣處理站(廠)放空系統(tǒng)規(guī)模的確定方法

王春燕 文韻豪 王天明 張哲 韓星

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國寰球工程公司；3.中國石油大學(xué)（北京））

我國在氣田和地下儲氣庫地面工程建設(shè)中，涉及站（廠）放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，多年來一直遵循全量放空的設(shè)計(jì)理念，即放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模等于全站（廠）的日處理規(guī)模。隨著我國天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，高壓、大規(guī)模的天然氣處理站（廠）數(shù)量快速增加，調(diào)峰用地下儲氣庫也在分批建設(shè)和投用，此類地下儲氣庫一般具有“大進(jìn)大出”的特點(diǎn)，集注站設(shè)計(jì)規(guī)模均比較大。在此背景下，如果放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模仍然按照全量放空的理念確定，無疑會使得放空系統(tǒng)規(guī)模偏大，進(jìn)而導(dǎo)致火炬與站（廠）間距偏大，占地面積偏大、工程費(fèi)用偏高。因此，有必要學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，引進(jìn)“先關(guān)斷再放空”的設(shè)計(jì)理念。

1 典型放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

1.1 克拉2中央處理廠放空系統(tǒng)

2004年11月投產(chǎn)的克拉2中央處理廠（簡稱處理廠），建設(shè)規(guī)模3 000×104m3/d，建有6套500×104m3/d天然氣處理裝置，處理廠總占地面積為282 790m2。該處理廠放空設(shè)計(jì)采用全量放空的理念，共設(shè)置 3套火炬。其中，2套高壓火炬，單套設(shè)計(jì)規(guī)模為 62.5×104m3/h，火炬公稱直徑為DN1000mm，高度為80m；1套低壓火炬，設(shè)計(jì)規(guī)模為100m3/h，火炬公稱直徑為DN200mm，高度為30m。

火炬區(qū)占地面積6 840m2（不含5具分液罐），通往火炬區(qū)道路占地面積37 000m2。火炬區(qū)及道路占處理廠總用地面積的15.5%。

1.2 靖邊氣田第五凈化廠放空系統(tǒng)

2013年 12月投產(chǎn)的靖邊氣田第五凈化廠（簡稱凈化廠）建設(shè)規(guī)模 900×104m3/d，建有 2套 450×104m3/d天然氣處理裝置。凈化廠總占地面積為142 246m2。采用“先關(guān)斷后放空”的設(shè)計(jì)理念，設(shè)置 1套高壓放空系統(tǒng)、1套低壓放空系統(tǒng)。其中，高壓放空規(guī)模為20×104m3/h，高壓火炬規(guī)模小于處理廠的火炬規(guī)模。高壓火炬公稱直徑為DN650mm，高度為70m；低壓放空規(guī)模為6 250m3/h，火炬公稱直徑為DN200mm，高度為70m。

火炬區(qū)占地2 794m2（含2具分液罐等），通往火炬區(qū)道路占地 340m2?；鹁鎱^(qū)及道路占凈化廠總用地面積的2.2%。很明顯凈化廠放空系統(tǒng)比處理廠放空系統(tǒng)用地更加節(jié)省和有效。

1.3 地下儲氣庫集注站放空系統(tǒng)

表1列出了中國石油已建6座地下儲氣庫集注站放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模和站內(nèi)采氣處理裝置的規(guī)模。除西南油氣田分公司的相國寺地下儲氣庫按照單套裝置處理能力確定放空系統(tǒng)規(guī)模外，其余5座地下儲氣庫均按“先關(guān)斷再放空”的設(shè)計(jì)理念計(jì)算后確定放空規(guī)模，其放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模均小于采氣裝置總處理規(guī)模。

表1 中國石油部分已建地下儲氣庫高壓火炬設(shè)計(jì)規(guī)模對比

2 放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 全量放空設(shè)計(jì)

克拉2中央處理廠放空火炬系統(tǒng)是按照全量放空設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的。2006年10月，處理廠由于放空系統(tǒng)自動控制出現(xiàn)故障，濕氣管段的6套緊急放空閥同時(shí)打開，由于未設(shè)限流放空，出現(xiàn)了總放空速率超高情況，強(qiáng)大的氣流沖擊致使公稱直徑DN150mm的放空匯管撕裂，最終導(dǎo)致全廠停產(chǎn)。

為了解決放空系統(tǒng)存在的問題，處理廠對放空系統(tǒng)進(jìn)行了改造。改造后，采用“關(guān)閉裝置進(jìn)出口、打開放空閥放空”的措施來實(shí)現(xiàn)裝置的有效停車。同時(shí)，為了有效解決放空速率超高，采用了迷宮籠套式調(diào)節(jié)閥及旋塞閥+限流孔板方式實(shí)現(xiàn)受限放空，即裝置在關(guān)閉進(jìn)出口后，高壓天然氣通過可調(diào)節(jié)放空閥進(jìn)入放空火炬，實(shí)現(xiàn)安全排放。

單純采用全量放空的設(shè)計(jì)理念來確定放空火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模是不科學(xué)的，且并不能保證放空系統(tǒng)和天然氣處理站（廠）的運(yùn)行安全。合理的做法是采取可靠措施控制放空速率，使其不超過放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。

2.2 先關(guān)斷后放空設(shè)計(jì)

“先關(guān)斷后放空”的設(shè)計(jì)理念認(rèn)為放空火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模應(yīng)按照天然氣處理站（廠）ESD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過分析計(jì)算確定。

目前，天然氣處理站（廠）和地下儲氣庫集注站的ESD系統(tǒng)一般按照4級關(guān)斷來設(shè)計(jì)：

零級關(guān)斷：火災(zāi)關(guān)斷，由手動關(guān)斷按鈕執(zhí)行。此級將關(guān)斷處理廠內(nèi)所有生產(chǎn)系統(tǒng)，并打開自動泄放閥（BDV），實(shí)施緊急放空泄壓，發(fā)出廠區(qū)報(bào)警并啟動消防系統(tǒng)，關(guān)斷火災(zāi)區(qū)動力電源。

一級關(guān)斷：事故關(guān)斷，由手動或自動控制執(zhí)行。在天然氣泄漏、儀表風(fēng)及電源發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行關(guān)斷。此級只關(guān)斷生產(chǎn)系統(tǒng)，不進(jìn)行放空。

二級關(guān)斷：單元關(guān)斷，在單元系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，由手動或自動控制執(zhí)行關(guān)斷。此級只是關(guān)斷發(fā)生故障的單元系統(tǒng)，不影響其他系統(tǒng)。對于處理廠來說，主要單元系統(tǒng)包括集氣裝置、各天然氣處理裝置、各凝液處理裝置等，對于地下儲氣庫來說，主要單元系統(tǒng)包括：注氣系統(tǒng)、采氣系統(tǒng)和排液系統(tǒng)等。

三級關(guān)斷：設(shè)備關(guān)斷，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，由手動或自動控制執(zhí)行關(guān)斷。此級只關(guān)斷發(fā)生故障的設(shè)備，其他設(shè)備不受影響。

在這4級關(guān)斷中，零級關(guān)斷是針對火災(zāi)工況采取的安全措施，緊急關(guān)斷閥（ESD）關(guān)斷并連鎖打開自動泄放閥放空；而一級、二級、三級關(guān)斷是針對異常工況采取的安全措施，ESD只進(jìn)行關(guān)斷而不連鎖BDV放空，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)超壓時(shí)仍可通過安全閥（PSV）進(jìn)行泄壓。

經(jīng)研究，天然氣處理站（廠）放空系統(tǒng)出現(xiàn)最大放空速率的工況為零級關(guān)斷并自動放空工況。因此，放空火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模應(yīng)按照該工況進(jìn)行計(jì)算后確定。

3 最大放空速率計(jì)算

按照天然氣處理站（廠）放空時(shí)的最大放空速率確定站（廠）放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模。

3.1 計(jì)算方法和計(jì)算模型

天然氣處理站（廠）和地下儲氣庫集注站的最大操作壓力一般都很高，國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范和工具書中對高壓放空水力計(jì)算尚無明確規(guī)定和計(jì)算方法。GB 50350—2005《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50251—2003《輸氣管道設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》均未給出最大處理量、管口流速、管口內(nèi)側(cè)壓力確定的方法。

根據(jù)研究，高壓放空管路中的氣體流動具備的水力特性：一是，放空管路較短，但壓降極大；二是，沿途溫度、密度、流速差異大；三是，放空過程屬非穩(wěn)定流動，管路中任意點(diǎn)參數(shù)均隨時(shí)間變化。處理廠放空模型示意見圖1。

圖1 處理廠放空模型示意

高壓放空過程經(jīng)歷3種狀態(tài)［1］：

一是，放空前期，壅塞流即超臨界流狀態(tài)。P1很高，P2Pa，馬赫數(shù)=1。

二是，臨界流狀態(tài)，P2=Pa，馬赫數(shù)=1。

三是，亞音速流狀態(tài)，P2=Pa，馬赫數(shù)＜1，直至P0=P1=P2=Pa，放空結(jié)束。

因此，以可壓縮流體有摩擦絕熱一維流動的范諾方程為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算［2］，但是，手工計(jì)算需要多次迭代，計(jì)算繁瑣，推薦用軟件模擬計(jì)算。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在天然氣從開口系統(tǒng)中泄放時(shí)，存在以下關(guān)系式：

在放空的瞬間，站（廠）內(nèi)天然氣來不及與周圍進(jìn)行熱交換或熱交換量很小，放空天然氣未對外做功，因此Q=0，W=0。公式（1）可簡化為公式（2）：

根據(jù)公式（2），在放空的瞬間，放空氣壓力與環(huán)境壓力（一般為大氣壓）的差值很大，放空初期泄放氣量很大，放空氣在瞬間膨脹為高速氣流，天然氣的焓轉(zhuǎn)化為動能，天然氣溫度急劇降低，通過模擬可以達(dá)到-20℃或更低。

當(dāng)天然氣流過放空閥時(shí)，由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)（節(jié)流效應(yīng)），天然氣溫度將進(jìn)一步降低。節(jié)流效應(yīng)溫降見公式（3）：

式（3）中：Δt——天然氣流過放空閥的溫降，℃；j——焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)，℃/MPa；Δp——放空閥的節(jié)流壓力降，MPa。

根據(jù)分析可知，全量放空過程中會產(chǎn)生低溫及很大的噪聲，在已出版的天然氣工程資料中對站（廠）放空的論述較少，經(jīng)初步研究認(rèn)為，可采用Aspen HYSYS軟件的動態(tài)模型來模擬計(jì)算站（廠）放空。模擬過程為：將站內(nèi)所有管道和設(shè)備簡化成一個(gè)壓力容器，設(shè)置進(jìn)站ESD閥門和出站ESD閥門。放空時(shí)，關(guān)閉進(jìn)站ESD閥門和出站ESD閥門，打開BDV放空閥。BDV放空閥的開度可以調(diào)整，進(jìn)而計(jì)算不同時(shí)間下的壓力、放空速率、流速、溫度等參數(shù)。

3.2 參數(shù)選取

3.2.1 泄放時(shí)間

泄放的根本目的是降低設(shè)備、管道的壓力。當(dāng)金屬材料的溫度由于火災(zāi)等原因高于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，即使系統(tǒng)壓力沒有超過最大允許操作壓力，也可能發(fā)生應(yīng)力破損。因此，發(fā)生火災(zāi)時(shí)需要對系統(tǒng)泄壓以避免應(yīng)力破損現(xiàn)象發(fā)生。

SY/T 10043—2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》（等同采用API 521 1997年版）詳細(xì)規(guī)定了泄壓工況分析和泄放量的計(jì)算方法按照SY/T 10043—2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》第3.19.1條，減壓系統(tǒng)應(yīng)有足夠的處理能力，以便把容器應(yīng)力降到不會立即損壞的程度。一般情況要求大約在15min內(nèi)，設(shè)備內(nèi)壓力可以從最初的壓力降到容器設(shè)計(jì)壓力的50%。該準(zhǔn)則是根據(jù)容器的壁溫與對應(yīng)破壞應(yīng)力之間的關(guān)系而定，一般用于壁厚大于或等于25mm的容器，壁厚薄的容器通常需要更大的減壓速度。在控制火災(zāi)時(shí)，適于對操作壓力大于1.7MPa的設(shè)施進(jìn)行減壓。對所有處理輕烴的設(shè)備在 15min內(nèi)將壓力降到690kPa或者容器設(shè)計(jì)壓力的50%（取較低值）。SY/T 10043—2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》第3.19.2.1條，減壓系統(tǒng)的蒸汽總量為系統(tǒng)中所有設(shè)備單項(xiàng)釋放量總和，要考慮3種情況下的蒸汽量：一是，從火焰中吸熱使液體蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽；二是，降壓過程中內(nèi)部蒸汽密度發(fā)生變化；三是，壓力降低使液體閃蒸。

對于地下儲氣庫集注站，注氣系統(tǒng)設(shè)備和管道泄壓速度可以按照15min內(nèi)降至設(shè)計(jì)壓力的50%計(jì)算；天然氣處理站（廠）按照15min內(nèi)降至690kPa計(jì)算，并需要考慮液烴閃蒸產(chǎn)生的氣體。典型壓力—時(shí)間曲線見圖2。

圖2 典型壓力—時(shí)間曲線

3.2.2 初始泄放壓力

天然氣處理站（廠）初始泄放壓力等于事故情況下站內(nèi)緊急關(guān)斷閥門的關(guān)斷壓力。

3.2.3 泄放總量和泄放速率計(jì)算

一般工況下，天然氣處理站（廠）內(nèi)的工藝設(shè)施通過ESD閥門分割成若干個(gè)區(qū)域，并設(shè)置若干個(gè)BDV閥門。應(yīng)分別計(jì)算每個(gè)區(qū)域內(nèi)工藝設(shè)備、管道內(nèi)儲存的天然氣總量；BDV閥門打開時(shí)每個(gè)區(qū)域的放空速率。各個(gè)區(qū)域放空速率之和即為處理廠的總放空速率，以此確定放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模。典型放空速率—時(shí)間曲線見圖3。

圖3 典型放空速率—時(shí)間曲線

由圖3可以看出，放空初期，放空速率很大，隨著時(shí)間延長壓力下降，放空速率迅速降低。

因此，可以通過控制放空閥門開度，有效降低放空初期的最大放空速率。還可以通過不同放空區(qū)域的延時(shí)泄放，錯(cuò)開放空速率高峰，從而有效降低處理站（廠）總放空速率。通過上述措施，在保證處理站（廠）放空火炬系統(tǒng)可靠性和安全性的基礎(chǔ)上，降低放空火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模，進(jìn)而降低投資、減少占地。

4 結(jié)論

一是，應(yīng)該按照天然氣處理站（廠）放空最大放空速率確定放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模。按照全量放空的理念確定天然氣處理站（廠）放空火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模是不科學(xué)的，并不能確保安全。實(shí)際工程中，必須采取有效措施控制放空初期的最大放空速率，從而保證天然氣處理站（廠）和地下儲氣庫事故工況下的安全、有效放空。

二是，應(yīng)結(jié)合天然氣處理站（廠）ESD系統(tǒng)設(shè)置確定放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)。按照目前天然氣處理站（廠）的關(guān)斷邏輯，處理站（廠）放空系統(tǒng)應(yīng)按照“先關(guān)斷再放空”的設(shè)計(jì)理念，通過分析計(jì)算確定放空火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模。

三是，可采用Aspen HYSYS軟件的動態(tài)模型來模擬計(jì)算天然氣處理站（廠）的放空速率，并據(jù)此確定放空火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模。

四是，對于裝置數(shù)量多、規(guī)模大的天然氣處理站（廠）或地下儲氣庫集注站，有必要對放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以便在保證處理站（廠）放空火炬系統(tǒng)可靠性和安全性的基礎(chǔ)上，降低放空火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模，降低投資、減少占地。優(yōu)化方法：通過控制放空閥門開度，有效降低放空初期的最大放空速率；通過不同放空區(qū)域的延時(shí)泄放，錯(cuò)開放空速率高峰，從而有效降低處理廠總放空速率。

[1] 葉學(xué)禮.圖解法求天然氣瞬時(shí)放空量[J].天然氣與石油，1999，17(2)： 1-3.

[2] 葉學(xué)禮.天然氣集輸站場(廠)管路水力計(jì)算[J].天然氣工業(yè)，1999(3)： 1-5.