基于安全與經(jīng)濟(jì)模型的天然氣放空立管高度計算

楊明 黎鍵 李小龍

摘 ? ? ?要：天然氣長輸管道站場、閥室均設(shè)有放空立管，用于天然氣的事故放空和計劃放空。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范未考慮管道所在地區(qū)等級的差異所導(dǎo)致的放空立管高度差異，造成在低等級地區(qū)的放空立管建設(shè)投資過大。針對這一問題，考慮天然氣放空立管的技術(shù)可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，提出了一種新的天然氣放空立管高度計算模型及求解方法。結(jié)合西部天然氣管道工程實例，將計算結(jié)果與相關(guān)現(xiàn)行國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：根據(jù)本方法可計算得到與地區(qū)等級相關(guān)的放空立管高度，不僅能保證放空的工藝安全性，還能夠節(jié)約放空管建設(shè)投資和運行維護(hù)費用。

關(guān) ?鍵 ?詞：天然氣;管道;放空立管;高度;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：TE8 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）10-2343-04

Abstract： The pressure-relieving flare is often installed at gas stations to release high pressures at accidental or normal operation conditions. Existing codes do not consider the effect of the location class on the height of the flare， resulting in extra construction and operation investments in low class locations. In order to solve this problem， a new method was proposed to calculate the height of the natural gas pressure-relieving flare based on the technical feasibility， the public safety and the economy. The solution procedure of the new model was also introduced. Finally， a practical case collected from the West-to-East gas pipeline was adopted to analyze the feasibility of this method. The results showed that this method could give different flare height according to the location class， which was able to ensure the safety of the pressure-relieving process and to save the flare construction and operation investments.

Key words： Natural gas; Pipeline; Pressure-relieving flare; Height; Mathematical model

天然氣長輸管道站場和閥室內(nèi)均設(shè)置有放空系統(tǒng)，用于系統(tǒng)內(nèi)超高限壓力的泄放以及事故工況下天然氣的緊急泄放，確保天然氣輸送系統(tǒng)的安全和平穩(wěn)運行[1-2]。由于天然氣屬于易燃易爆氣體和溫室氣體，為了降低天然氣泄放后的泄漏爆炸危險和減小溫室氣體對環(huán)境的影響，一般通過在放空立管末端點火方式進(jìn)行天然氣泄放。在天然氣點火時會產(chǎn)生大量的熱輻射，威脅地面人員和設(shè)備的安全。因此，合理設(shè)計放空立管的高度對于保證放空過程的安全性至關(guān)重要[3-4]。

目前國內(nèi)天然氣放空立管高度的設(shè)計一般依據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50251—2015）[5]和《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》（GB ? ? ?50183—2004）[6]。這兩個標(biāo)準(zhǔn)主要考慮熱輻射對人員和環(huán)境的影響，規(guī)定了與周邊建筑物高度相關(guān)的放空立管高度下限值。例如GB 50251—2015在3.4.7條中規(guī)定“輸氣干線放空立管高度應(yīng)比附近建（構(gòu)）筑物高出2 m以上，且總高度不應(yīng)小于10 m”等;GB 50183—2014則指出“連續(xù)排放的可燃?xì)怏w排氣筒或放空管口應(yīng)高出20 m范圍內(nèi)的平臺或建筑物頂2.0 m以上，對位于20 m以外的平臺或建筑屋頂，應(yīng)高出所在地面5 m”等。美國API標(biāo)準(zhǔn)《Pressure-relieving and Depressuring System》（API 521—2014） [7]著重考慮了燃燒的有效性和公共安全性，即在放空過程中火焰應(yīng)維持穩(wěn)定，不會發(fā)生吹離（blow-off）甚至熄滅，同時燃燒所產(chǎn)生的熱輻射不會對站內(nèi)工作人員及周邊設(shè)施造成傷害。以此為基礎(chǔ)，提出了與天然氣壓力、放空量和熱輻射量相關(guān)的立管高度計算方法。

上述標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范為天然放空立管的設(shè)計提供了重要的指導(dǎo)和參考。然而，在我國西部地區(qū)，大量的天然氣管道經(jīng)過了人煙稀少的沙漠、戈壁的一級地區(qū)，依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)計的放空立管高度與人口密集的四級地區(qū)相同，因此沒有體現(xiàn)與地區(qū)等級相關(guān)的安全風(fēng)險等因素對放空立管高度的影響，勢必造成放空立管建設(shè)和運行費用的增長?？紤]與地區(qū)等級相關(guān)的經(jīng)濟(jì)、安全因素的影響，合理設(shè)計放空立管高度，能夠在保證放空工藝安全的同時，減少放空立管的建設(shè)和運行費用，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

針對上述問題，本文建立了考慮技術(shù)可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的放空立管高度計算模型，研究了模型了的求解方法，以西部天然氣管道某實際氣站場放空立管為例，論證了方法的可行性。

1 ?放空立管高度計算模型

放空立管的高度設(shè)計主要考慮3方面的因 ? 素[5-7]：①技術(shù)可靠性。在放空過程中火焰應(yīng)維持穩(wěn)定，不會發(fā)生吹離甚至熄滅。②安全性。保證點火放空過程中所產(chǎn)生的熱輻射不會對周邊人員和設(shè)施造成傷害。③經(jīng)濟(jì)性。在技術(shù)可靠且安全的前提下，減少建設(shè)和運行本。

放空立管的技術(shù)可靠性一般是通過設(shè)置合理的放空速率進(jìn)行控制，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定放空管末端的最大天然氣流速一般不超過0.5馬赫。安全性主要是與放空過程中天然氣的熱輻射其強(qiáng)度相關(guān)。在放空火炬末端天然氣點燃的熱輻射強(qiáng)度不變的前提下，距離目標(biāo)物越遠(yuǎn)，目標(biāo)物收到熱輻射量越低。因此，在目標(biāo)物與放空管道底部距離一定的條件下，為了降低目標(biāo)物受到的熱輻射，就需要增加立管高度，從而導(dǎo)致建設(shè)成本的提高。顯然，對應(yīng)特定的天然氣輸送管道，其放空立管的安全性和經(jīng)濟(jì)性是一對矛盾共同體。

API 521—2014標(biāo)準(zhǔn)指出，放空立管出口天然氣流速一般應(yīng)控制在0.2～0.5馬赫之間。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)API 521—2014[7]中靜止空氣中或側(cè)風(fēng)條件下火焰中心位置的偏離曲線圖，取火焰長度L f =50 m，可查得當(dāng)Ma=0.2時，Xc = 17.5 m， Yc = 12.5 m;當(dāng)Ma=0.5時，Xc = 10 m，Yc = 17.5 m。由此得到不同放空立管高度和不同熱輻射距離下φ1和φ2的取值如表1和表2所示。

根據(jù)GB 50251—2015，天然氣管道所經(jīng)過的地區(qū)等級可劃分一級一類地區(qū)、一級二類地區(qū)、二級地區(qū)、三級地區(qū)和四級地區(qū)[5]。本文取常見的后4類地區(qū)進(jìn)行分析。不同地區(qū)等級下的強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)和人口分布密度，如表3所示。

2 ?放空立管高度模型求解

基于風(fēng)險與成本效益的點火放空立管高度的計算模型如式（7）所示。該模型是關(guān)于H的隱式方程，因此在計算開始之前需要先給定H的初值，然后通過迭代計算得到最終的H值。計算流程如下：

1）估算H、r的初值。API 521—2014規(guī)定被輻射目標(biāo)物與放空管之間的最小水平距離為47.5 m，因此建議初值H =30 m，r =50 m。

2）根據(jù)H和r值，從表1和表2中查得φ1和φ2值;根據(jù)天然氣的壓力、溫度、氣體組分，采用狀態(tài)方程計算得到J值。

3）根據(jù)天然氣管道所處的地區(qū)等級，從表3中查得強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)和人口分布密度值。

4）利用式（7）計算得到H，并進(jìn)一步計算得到r;將計算得到的H和r值作為新的估計值代入到第（1）步的計算中;重復(fù)第（1）-（4）步的計算，直至估計值與計算值之間的差值小于要求的偏差值，即算法達(dá)到收斂為止。

5）為了保證放空立管高度不低于GB ? ?50183—2004的規(guī)定值，需要比較計算得到的H值與10 m內(nèi)最高建筑物的高度h;若H >（h+2），則放空立管最終高度取H =max（H*，10）;若H < （h+2），則放空立管最終高度取H =max（h+2，10）。

上述計算步驟既考慮了放空立管高度涉及的經(jīng)濟(jì)、安全、地區(qū)等級等因素，同時在選取最終計算結(jié)果時還考慮了與現(xiàn)有規(guī)范的一致性。

3 ?實例分析

西部天然氣管道某站場的參數(shù)如下：d= ? ?0.323 m，L =100 m，P =5×106 Pa，T =293 K，Tv = ? ?20 min，Mv =16 kg·kmol-1，k =1.306，Ma =0.2或0.5，放空管材為Q235鋼，σs=235 MPa，鋼材價格為0.344萬元·t-1;人口密度ρpeo和強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)F1取值如表3所示。

基于上述參數(shù)，采用API 521—2014中所述方法計算得到當(dāng)Ma=0.2時，放空立管高度為H = ?36.75 m;當(dāng)Ma=0.5時，H =26.31 m。該計算結(jié)果僅考慮了燃燒的有效性和公共安全性，未考慮地區(qū)等級對放空立管高度的影響。

根據(jù)本文提出的方法，選取初值H = 30 m，r = 50 m，計算得到式（5）中與馬赫數(shù)相關(guān)的參數(shù)如表4所示，與地區(qū)等級相關(guān)的參數(shù)如表5所示。通過多次迭代計算后，最終得到與地區(qū)等級相關(guān)的放空立管高度如表6所示。

表6中的計算結(jié)果表明，隨著地區(qū)等級的增加，放空立管的高度也隨之增大。這是由隨著地區(qū)等級升高，人口密度的增大引起的。相比API 521—2014的計算結(jié)果，本方法計算的一級二類和二級地區(qū)的放空立管高度更低，相應(yīng)的立管建設(shè)投資更少，顯示了本方法的經(jīng)濟(jì)性。上述計算結(jié)果也完全符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015[5]中“放空立管總高度不小于10 m”和GB 50183—2004中的相關(guān)規(guī)定[6]。

計算結(jié)果還表明，放空馬赫數(shù)較大時立管高度反而較小，這與API 521—2014方法的計算結(jié)果是一致的。這是由于天然氣放空流速越高，火焰長度越大，火焰中心離地面越遠(yuǎn)。當(dāng)以0.2馬赫的流速放空時，管道的噴射火焰長度將顯著小于以0.5馬赫流速放空時的情況，火焰中心離地就會越近。因此，在低速放空條件下，需要增加放空立管高度，以減少火焰熱輻射對于地面人員和設(shè)施的傷害。

4 ?結(jié) 論

1）考慮天然氣放空立管的技術(shù)可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，提出了一種與管道所在地區(qū)等級相關(guān)的、基于風(fēng)險與成本效益的點火放空立管高度的計算模型。

2）實例分析表明，本文方法計算的放空立管高度結(jié)果不僅滿足現(xiàn)行《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50251—2015）和《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50183—2004）規(guī)定，還能得到與地區(qū)等級相關(guān)的放空立管高度，是對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的補(bǔ)充和完善。

3）采用該方法計算的一級二類地區(qū)和二級地區(qū)的放空立管高度低于采用API 521—2014的計算值，顯示了在不同地區(qū)等級采用不同高度放空立管的經(jīng)濟(jì)性。

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