天然氣長(zhǎng)輸管道火炬放空擴(kuò)散規(guī)律研究

梁俊奕

摘 要：天然氣的放空擴(kuò)散非常危險(xiǎn)，研究天然氣長(zhǎng)輸管道火炬放空擴(kuò)散的規(guī)律，可以為其安全放空提供指導(dǎo)依據(jù)。PHAST軟件是公認(rèn)的最權(quán)威最準(zhǔn)確的后果分析軟件，可以用于長(zhǎng)輸管道的天然氣放空擴(kuò)散計(jì)算。采用該軟件建立天然氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)的亞臨界流不點(diǎn)火放空的擴(kuò)散模型，確定天然氣在不點(diǎn)火放空過(guò)程中可能燃燒的危險(xiǎn)區(qū)域。以某實(shí)際長(zhǎng)輸管道為例，計(jì)算兩種工況下天然氣擴(kuò)散規(guī)律。結(jié)果顯示，在放空過(guò)程中風(fēng)速影響天然氣的擴(kuò)散。低風(fēng)速時(shí)，天然氣會(huì)向上擴(kuò)散，在高風(fēng)速時(shí)，天然氣向水平方向擴(kuò)散。天然氣50%LFL云團(tuán)水平距離隨風(fēng)速的增大而增加，云團(tuán)高度隨風(fēng)速的增加而減小。

關(guān) 鍵 詞：天然氣；管道；立管；火炬；擴(kuò)散

中圖分類號(hào)：TE 88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）03-0559-02

Abstract： Diffusion of gas is very dangerous during flare venting. The research on the diffusion law of gas during long distance gas pipeline flare venting can provide guidance for gas blowdown.PHAST is recognized as the most authoritative and accurate consequence analysis software and can be used to calculate the flare venting. The software is adopted to establish subcritical flow diffusion model of gas during long distance gas pipeline venting. Danger zone of gas ignition can be determined. In this paper， taking a practical long-distance pipeline as an example， diffusion law of natural gas was calculated under the two conditions. The results show that wind speed can affect the gas diffusion.The gas upward diffuses when wind speed is low； the gas horizontally diffuses when wind speed is high.Natural gas 50% LFL cloud horizontal distance increases with the increase of wind speed and cloud height decreases with the increase of wind speed.

Key words： Natural gas；Pipeline；Riser；Flare；Diffusion

天然氣是多種烴的混合物，其中主要成分是CH4，天然氣在大氣中的爆炸極限為5%～15%，在爆炸極限內(nèi)遇明火即爆炸，不僅會(huì)造成裝置的損壞，同時(shí)也會(huì)對(duì)周圍人員、環(huán)境等產(chǎn)生威脅，為了避免天然氣放空過(guò)程中造成的巨大損失。本文研究了天然氣長(zhǎng)輸管道放空的擴(kuò)散規(guī)律，為長(zhǎng)輸管道天然氣放空提供指導(dǎo)依據(jù)。

韋煥杰對(duì)長(zhǎng)輸管道天然氣放空所需時(shí)間計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并將計(jì)算結(jié)果與其他計(jì)算方式進(jìn)行了分析對(duì)比，為生產(chǎn)調(diào)度與事故搶修等工作提供了理論依據(jù)[1]。秦琴運(yùn)用國(guó)標(biāo)和API標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法和Brzustowski-Sommer計(jì)算方法研究了長(zhǎng)輸管道放空熱輻射的距離，并與PHAST軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算方法結(jié)果較保守[2]?？准窀鶕?jù)天然氣放空時(shí)間及放空量進(jìn)行演算推理，得出了計(jì)算公式，并根據(jù)實(shí)際管道的參數(shù)計(jì)算了兩個(gè)閥室之間管線的放空時(shí)間和放空量[3]。齊建波根據(jù)西氣東輸二線閥室放空立管的參數(shù)，采用PHAST軟件對(duì)放空立管的出口天然氣擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了模擬，得出了天然氣燃燒后的熱影響強(qiáng)度和范圍[4]。

1 放空建模

PHAST軟件是定量的后果分析軟件，由DNV公司開(kāi)發(fā)，可以用于以下多個(gè)方面的后果分析：①氣體、液體及氣液兩相在大氣中的擴(kuò)散；②火災(zāi)后果分析（包括：沸騰液體、池火、噴射火等）；③模擬爆炸后果（受限和不受限環(huán)境）；④物料泄漏速率計(jì)算。該軟件可以采用圖形來(lái)顯示模擬結(jié)果，還可以以文字的方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，PHAST軟件已被廣泛用于石油、天然氣和石油化工領(lǐng)域，至今已有20多年使用經(jīng)驗(yàn)[5， 6]。PHAST是公認(rèn)的計(jì)算后果最權(quán)威最準(zhǔn)確的軟件，對(duì)于擴(kuò)散計(jì)算，其原理是通過(guò)導(dǎo)入放空口出口之后氣體膨脹至壓力為大氣壓時(shí)的溫度、流量、速度的這一狀態(tài)，模擬出一個(gè)穩(wěn)定持續(xù)放空工況下的擴(kuò)散范圍。

通過(guò)PHAST軟件來(lái)計(jì)算天然氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)的亞臨界流不點(diǎn)火放空的擴(kuò)散過(guò)程，確定天然氣在不點(diǎn)火放空過(guò)程中可能燃燒的危險(xiǎn)區(qū)域（危險(xiǎn)區(qū)域邊界濃度為0.5LFL值）。

PHAST建模為不可視建模，沒(méi)有建模圖形，所有的建模通過(guò)參數(shù)輸入完成?，F(xiàn)將模型簡(jiǎn)化為天然氣在放空立管出口的持續(xù)排放。且排放出的天然氣壓力為大氣壓。對(duì)于擴(kuò)散可燃性選擇模塊為user defined，選擇泄放形式為leak。瞬間擴(kuò)張采用standard method，噴射氣體動(dòng)量采用morton et.al 方程。擴(kuò)散計(jì)算模型采用version 2。

建模過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)的選取原則如下：

（1）放空質(zhì)量流量：由站場(chǎng)或線路放空系統(tǒng)水力計(jì)算獲得。對(duì)于線路有控制放空，可取規(guī)定放空時(shí)間內(nèi)的平均流量。

（2）放空立管口徑：由站場(chǎng)或線路放空系統(tǒng)水力計(jì)算獲得；

（3）放空立管高度：可選取類似規(guī)模工程的設(shè)計(jì)參數(shù)作為試算值，一般為20，25和30 m；

（4）風(fēng)速：根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)選??；

（5）大氣穩(wěn)定度：帕斯奎爾穩(wěn)定度，其取值與風(fēng)速有關(guān)。簡(jiǎn)化選取方法為：風(fēng)速1 ～2.9 m/s為F；3 ～4.9 m/s為E；5 m/s以上為D；

（6）放空立管排放口天然氣溫度：此參數(shù)對(duì)擴(kuò)散計(jì)算的結(jié)果影響較小。一般計(jì)算中可取天然氣由放空初始狀態(tài)節(jié)流到大氣壓后的溫度，精確計(jì)算時(shí)通過(guò)站場(chǎng)或線路放空系統(tǒng)水力計(jì)算確定排放溫度。

2 長(zhǎng)輸管道放空擴(kuò)散計(jì)算實(shí)例

以某長(zhǎng)輸管道為例，管道中氣體組分見(jiàn)表1。

天然氣可燃性表見(jiàn)表2。放空系統(tǒng)的放空立管排放天然氣溫度5 ℃，放空立管高20 m，立管直徑DN400，排放角度為90°，環(huán)境溫度20 ℃，大氣相對(duì)濕度70%，一旦放空系統(tǒng)建設(shè)完后，擴(kuò)散主要受風(fēng)速和周圍大氣溫度度影響，所以分別選取兩種工況，工況一：周圍大氣穩(wěn)定度為E，當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速3 m/s；工況二：周圍大氣穩(wěn)定度為D，當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速10 m/s，計(jì)算兩種工況下的擴(kuò)散范圍。

3 計(jì)算結(jié)果

放空口的位置坐標(biāo)為（0，20），風(fēng)向?yàn)閺淖笾劣?，放空立管高度?0 m，經(jīng)過(guò)計(jì)算后擴(kuò)散計(jì)算結(jié)果分別如圖1-2所示。

對(duì)比圖1和圖2可知，在放空過(guò)程中，在低風(fēng)速時(shí)，天然氣會(huì)向上擴(kuò)散，在高風(fēng)速時(shí)，天然氣向水平方向擴(kuò)散，形成一定的可燃?xì)怏w云團(tuán)。天然氣50% LFL云團(tuán)水平距離隨風(fēng)速的增大而增加，云團(tuán)高度隨風(fēng)速的增加而減小。在放空立管規(guī)格為DN400，高度20 m，放空量為17.03 kg/s（8.9×104 m3/h）的條件下，天然氣放空過(guò)程中濃度達(dá)到LFL的距離最遠(yuǎn)為6.6 m，高度范圍為20～37.1 m；天然氣濃度達(dá)到50% LFL的最遠(yuǎn)距離為16.8 m，高度范圍為20～43.4 m（表3）。 因此，綜合不同大氣條件下的天然氣擴(kuò)散模擬結(jié)果，危險(xiǎn)區(qū)域劃定為半徑16.8 m，高度范圍為20～43.4 m的區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

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