大口徑、高壓力輸氣管道放空系統(tǒng)泄放后果分析及改進(jìn)建議

李育天 姬忠禮 于 陽 張文花

近年來，我國輸氣管道向著大口徑、高壓力、高鋼級的發(fā)展方向又邁進(jìn)了一步[1-2]。高規(guī)格輸氣管道的選用在提高管道輸送能力、降低建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用的同時，也給輸氣管道放空系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。

在輸氣管道的投產(chǎn)及運(yùn)行中，若遇突發(fā)事故或因工藝改造需通過閥室或站場的放空系統(tǒng)將管段內(nèi)的天然氣釋放到大氣中[3]。目前，我國輸氣管道放空系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)規(guī)范[4-6]適用范圍較為寬泛，對于不同直徑和壓力等級的輸氣管道，并未根據(jù)放空的影響后果進(jìn)行有區(qū)別的規(guī)定。國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對輸氣管道放空時間、擴(kuò)散過程、熱輻射強(qiáng)度等眾多后果進(jìn)行了細(xì)致研究[7]，但未見將放空影響后果與管道直徑和壓力進(jìn)行關(guān)聯(lián)性研究。為此，以處于管道建設(shè)技術(shù)前沿的大孔徑、高壓力輸氣管道為例，對輸氣管道的放空過程及后果進(jìn)行了研究分析，并與其他4種規(guī)格的管道進(jìn)行了對比分析。

1 高規(guī)格管道對放空系統(tǒng)的影響

為了掌握不同壓力等級和不同管徑的輸氣管道對管道放空系統(tǒng)的影響，將針對管徑為1 422 mm且設(shè)計壓力為12.0 MPa的管道、管徑為1 219 mm且設(shè)計壓力為10.0 MPa的管道、管徑為1 016 mm且設(shè)計壓力為8.0 MPa的管道、管徑為813 mm且設(shè)計壓力為8.0 MPa的管道，以及管徑為610 mm且設(shè)計壓力為6.3 MPa的管道展開研究。

1.1 管道規(guī)格對放空量的影響

相比輸氣干線相鄰閥室之間的管段，站場內(nèi)部管段的容量及管存量都要小得多[8]，干線管段的放空結(jié)果，可以一定程度地反映站場的放空規(guī)律。為此，以相鄰閥室之間的干線管段為代表，計算不同地區(qū)、不同管道內(nèi)徑（Din）管段的管容積（V）和管存量（V′）（管內(nèi)天然氣溫度為20 ℃），結(jié)果如表1所示。

由表1可見，從方案1到方案5，即隨著管道規(guī)格的升級，對應(yīng)管道的容積和管存量都顯著增大。以二類地區(qū)為例，不同規(guī)格管道的管容和管存量變化如圖1所示。由圖1可知，隨著管道規(guī)格的升級（即管道壓力和管徑的提高），需要放空的管存量呈指數(shù)關(guān)系增加。因此在放空時長相等的約束下，對放空系統(tǒng)提出了更高的要求。

1.2 管道規(guī)格對泄放速率的影響

根據(jù)《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》和《卸壓和減壓系統(tǒng)指南》等規(guī)范，一般要求12 h內(nèi)將天然氣管道內(nèi)的壓力放空至接近環(huán)境壓力。條件允許情況下，為了減少放空時的天然氣損失，減輕放空過程對周圍環(huán)境的影響，管道初始放空時刻的壓力都接近下游壓縮機(jī)入口最低壓力或下游用戶最低需求壓力[9-10]。為便于對比分析，取各方案中管道設(shè)計壓力的一半作為該管道初始放空壓力，并假定放空初始天然氣溫度為20 ℃。分別采用均勻速率放空和三段式放空方式，計算不同方式下的泄放速率。其中，均勻速率放空是指在放空過程中實時調(diào)整放空閥開度，使得泄放速率基本維持不變的放空方式[11]。三段式放空是指在放空開始時刻及中間兩個時刻分別調(diào)整放空閥開度的放空方式[12]。圖2對比了均勻速率放空和三段式放空泄放速率的差異，表2列出了不同管道方案的均勻速率放空的泄放速率和三段式放空的最大泄放速率。

表1 不同管道方案的管道容積和放空量統(tǒng)計表

圖1 不同方案下的管段容積和管存量關(guān)系圖

由圖2可知，工程上常用的三段式放空方式，其最大泄放速率差不多為平均泄放速率的2倍，以此為基礎(chǔ)測算的放空后果相比更為保守。從表2可以看出，隨著管道規(guī)格的升級，當(dāng)采用均勻速率放空時，平均泄放速率與初始管存量近似呈正比關(guān)系；當(dāng)采用三段式放空方式時，最大泄放速率的增長率大于初始管存量的增長率。

圖2 均勻速率放空和三段式放空的泄放速率對比圖

1.3 管道規(guī)格對放空馬赫數(shù)和噪聲的影響

當(dāng)天然氣通過放空立管直接噴射到大氣環(huán)境中時，高速噴射的天然氣流與空氣發(fā)生劇烈摩擦，產(chǎn)生巨大高頻噪聲，并對周圍人員和動物產(chǎn)生傷害[13]。針對三段式放空方式，采用FLARENET軟件對最大泄放速率、最低泄放溫度下放空立管管口（立管直徑為406 mm，高度為20 m）處的流速、馬赫數(shù)和噪聲進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如表3所示。

通過仿真計算可以看出，隨著管道規(guī)格的升級，天然氣流速與最大泄放速率近似呈正比。特別是方案5中管道對應(yīng)的天然氣馬赫數(shù)及噴射噪聲數(shù)值較高，據(jù)此推斷其產(chǎn)生的不利影響將顯著高于其他方案產(chǎn)生的影響。

表2 不同管道方案的泄放速率表

表3 不同管道方案的馬赫數(shù)和噪聲統(tǒng)計表

1.4 管道規(guī)格對可燃?xì)怏w擴(kuò)散半徑的影響

天然氣通過放空立管噴射到大氣環(huán)境以后，立即與周圍空氣產(chǎn)生摻混合擴(kuò)散，天然氣濃度在擴(kuò)散過程中逐漸降低。擴(kuò)散過程中當(dāng)環(huán)境中甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)介于4.4%～16.5%（即介于天然氣的爆炸極限范圍）時，會在點(diǎn)火源的作用下發(fā)生爆燃事故。為了避免此類事故發(fā)生，一般根據(jù)爆炸下限濃度的1/2（即甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)為2.2%）處的位置確定天然氣的安全擴(kuò)散半徑[14-15]。針對三段式放空方式，采用PHAST軟件對不同方案最大泄放速率和最低泄放溫度下（最惡劣工況）的天然氣擴(kuò)散工況進(jìn)行仿真（火炬口直徑為406 mm，高度為20 m，環(huán)境風(fēng)速為20 m/s，環(huán)境溫度為10 ℃），統(tǒng)計各方案對應(yīng)的爆炸下限半徑及安全擴(kuò)散半徑，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，隨著管道規(guī)格的升級，對應(yīng)的爆炸下限半徑先增大，后逐漸變小。為了方便不同方案的對比，選用的放空立管直徑相同，方案5的泄放速率最高，天然氣從管口垂直向上的流速越高，迎風(fēng)面越大，與空氣對流擴(kuò)散面積越大，天然氣濃度下降越快，安全擴(kuò)散半徑并不是最大的。反之，方案1的泄放速率較小，天然氣從立管口噴射的流速最小，迎風(fēng)面最小，因此安全擴(kuò)散半徑并不是最小的。說明立管放空時的天然氣安全擴(kuò)散半徑與立管直徑和管口天然氣流速相關(guān)，不與泄放速率呈正相關(guān)關(guān)系。

此外對比圖2，可以看出每小時天然氣泄放速率的變化較小，而天然氣離開立管口到擴(kuò)散完成的時間極短（只有幾十秒），低濃度的天然氣在風(fēng)力和重力作用下向遠(yuǎn)離立管的方向擴(kuò)散，不產(chǎn)生堆積效應(yīng)，因此采用穩(wěn)態(tài)的泄放速率作為基礎(chǔ)，進(jìn)行天然氣擴(kuò)散的仿真是合理的。

1.5 管道規(guī)格對熱輻射半徑的影響

1.2 ～1.4節(jié)討論了立管放空模式下的后果因素分析。若采用熱火炬燃燒的方式處理放空天然氣，則火炬在燃燒過程中向周圍環(huán)境釋放大量的輻射熱，對周圍人員、設(shè)備和環(huán)境將造成一定程度的傷害。規(guī)范一般將4.73 kW/m2作為人員可以短時間安全工作的輻射強(qiáng)度，安全輻射強(qiáng)度到放空火炬的最遠(yuǎn)距離作為安全熱輻射半徑[16]。針對三段式放空方式，運(yùn)用PHAST軟件對不同方案三段式放空最大泄放速率、最低泄放溫度下安全熱輻射半徑進(jìn)行了仿真，結(jié)果如表5所示。

由表5可見，隨著管道規(guī)格的升級，最大泄放速率顯著提升，對應(yīng)的安全熱輻射半徑不斷增大。主要原因是隨著泄放速率與質(zhì)量流量的增加，更多的天然氣燃燒，輻射源的溫度和面積都顯著增加，對地表造成的熱輻射強(qiáng)度顯著提高，安全熱輻射半徑也顯著增加。

1.6 各方案后果對比

為了綜合對比管徑和壓力對主要放空結(jié)果的影響情況，將方案1中的各項參數(shù)作為基準(zhǔn)，記為100%，計算其他方案中各項參數(shù)的相對百分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，對于三段放空模式，隨著管道規(guī)格的升級，管道放空時產(chǎn)生的不利后果因素總體呈增加趨勢，特別是放空時的平均泄放速率、馬赫數(shù)和安全熱輻射半徑，分別增加了1 250%、1 250%和313%。值得注意的是，若采取立管放空的方式，天然氣安全擴(kuò)散半徑變化不顯著；而若采取熱排放的方式，安全熱輻射半徑呈上升趨勢，整體天然氣安全擴(kuò)散半徑顯著小于安全熱輻射半徑。

表4 不同管道方案的天然氣擴(kuò)散半徑統(tǒng)計表

表5 不同管道方案的安全熱輻射半徑表

表6 不同管道方案的放空后果對比表

2 改進(jìn)措施

以上研究表明，干線輸氣管道直徑和設(shè)計壓力的線性增加（即管道規(guī)格的升級），會引起管段容積和放空總量呈指數(shù)關(guān)系增加，給放空系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響。為了減小管道規(guī)格升級后放空后果對人員和環(huán)境造成的影響，可以嘗試采取以下措施：

1）縮短高規(guī)格管道的閥室間距，通過縮短放空管段長度的方式，減小管段容積和放空總量，最終降低放空泄放速率。其優(yōu)勢是可以從本質(zhì)上降低閥室的泄放速率，劣勢是增加了閥室數(shù)量，并增加了建設(shè)期投資和運(yùn)行期維護(hù)成本。

2）增加閥室放空管數(shù)量，通過分流方式降低單個放空立管的泄放速率。其優(yōu)勢是增加的建設(shè)期投資較少，而劣勢是需要考慮多個放空立管的布置，以及放空后果的疊加影響。

3）針對升級后的管道規(guī)格，適當(dāng)?shù)胤艑挿趴諘r間的限定，用時間換取較小的泄放速率。其優(yōu)勢是從本質(zhì)上降低閥室的泄放速率，劣勢是增加了放空的時間成本，導(dǎo)致管道停輸時間延長。

上述3種改善大口徑、高壓力管道放空特性的措施實施效果如表7所示。由表7可看出增加放空管數(shù)量方案的效果最好，縮短閥室間距的方式次之，增加放空時間的效果最差。實際實施過程中，每種措施也會有多種不同的方案，而且不同措施也各有利弊，因此建議根據(jù)實際工程需要選擇一種或多種措施，綜合降低放空產(chǎn)生的不利影響。

表7 不同改進(jìn)方案的放空后果對比表

3 結(jié)論和建議

1）隨著輸氣管道向著大口徑、高壓力的方向發(fā)展，站場或閥室的放空速率、放空立管口天然氣流速、噪音和火炬燃燒產(chǎn)生的安全熱輻射半徑顯著增加，對天然氣安全擴(kuò)散半徑也有一定影響，對管道放空系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)行提出了更高要求。

2）建議通過縮短高規(guī)格管道在各類地區(qū)的閥室間距，或增加閥室放空管數(shù)量，亦或延長允許放空時間的方式，降低放空系統(tǒng)對人員和環(huán)境的不利影響。

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