天然氣站場瞬時放空關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計方法研究

梁 林 張景山 黃建敏 李士斌 方 軍 王常順

1. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000;2. 中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司, 北京 100006;3. 中石油北京天然氣管道有限公司, 北京 100025

0 前言

作為天然氣運輸?shù)幕臼侄沃?輸氣管道在安全、環(huán)境保護(hù)及效率方面有著更高的要求[1-2],當(dāng)輸氣管道出現(xiàn)事故時將對下游用戶的安全甚至國家的能源安全造成嚴(yán)峻的威脅[3]。天然氣管道放空是管道進(jìn)行維搶修及改擴(kuò)建工程中必不可少的環(huán)節(jié)[4-5]。天然氣站場放空系統(tǒng)包括安全閥、放空閥、截斷閥、放空管道、分液罐、火炬等設(shè)備設(shè)施,其中緊急截斷閥與放空閥是放空系統(tǒng)的重要組成部分,其設(shè)置的規(guī)范性和放空能力對站場本質(zhì)安全至關(guān)重要[6-7]。本文通過對現(xiàn)行與天然氣站場放空系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范梳理,提出現(xiàn)階段在天然氣站場新建和改擴(kuò)建項目中進(jìn)行放空系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)遵守的要求。與此同時,本文對放空系統(tǒng)的設(shè)計原理和計算方法做出相應(yīng)的說明,且使用HYSYS軟件進(jìn)行典型天然氣站場放空系統(tǒng)設(shè)計,以期為天然氣站場工程設(shè)計人員和審查人員提供參考。

1 放空系統(tǒng)設(shè)計理論及標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 天然氣管道放空過程狀態(tài)

放空管道系統(tǒng)模型見圖1。高壓天然氣的放空過程經(jīng)歷的狀態(tài)如下。

圖1 放空管路系統(tǒng)模型圖Fig.1 Model of venting pipe system

1.2 相關(guān)規(guī)范對放空時間的設(shè)置要求

GB 50183—2015《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》、GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》、SH 3009—2008《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》等石油天然氣設(shè)計規(guī)范均沒有對緊急放空降壓速率做明確規(guī)定。在放空時間要求方面,GB 50349—2015《氣田集輸設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:“站場工藝系統(tǒng)在火災(zāi)情況下的緊急放空,壓降速率宜按照15 min內(nèi)將系統(tǒng)壓力降至0.69 MPa或設(shè)計壓力的50%(二者取較小值)確定”[9],GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:“當(dāng)輸氣站設(shè)置緊急放空系統(tǒng)時,設(shè)計應(yīng)滿足在15 min內(nèi)將站內(nèi)設(shè)備及管道內(nèi)壓力從最初的壓力降到設(shè)計壓力的50%”[10-11]。

2 放空系統(tǒng)

2.1 放空系統(tǒng)主要設(shè)備設(shè)置

放空系統(tǒng)設(shè)計時須進(jìn)行設(shè)備選型,設(shè)備選型偏小會因緊急狀況下不能短時間內(nèi)安全泄放造成更大的事故,設(shè)備選型偏大會造成瞬時放空量過大且工程投資增加。由于天然氣處理廠站內(nèi)管道介質(zhì)包含天然氣、凝析液和水,故放空系統(tǒng)需要具有處理氣體和液體的能力。在天然氣站場放空系統(tǒng)設(shè)備選型時,首先要選擇合理的放空方案。放空方案一：分液罐與放空立管(或火炬)配合使用;放空方案二：燃燒坑(可同時處理氣體和液體)。對比分析以上放空方案發(fā)現(xiàn),放空方案一投資成本低,設(shè)計制造技術(shù)成熟,放空方案二占地面積大且投資成本高,甚至可能帶來一定的環(huán)境污染問題,因此大多選擇分液罐與放空立管(或火炬)配合使用的放空方案。需要說明的是,無論站場規(guī)模、壓力和管徑大小,放空管大多設(shè)置點火功能[12]。

2.2 設(shè)計內(nèi)容

天然氣站場放空系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容包含以下幾方面:確定限流孔板口徑;確定放空管線直徑;計算放空過程產(chǎn)生的最低溫度,為管材選擇提供依據(jù);確定放空過程中的最大瞬時放空流量;校核放空閥及限流孔板的放空能力;如果設(shè)置分液罐,需校核分液罐的處理能力;計算放空過程產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度;計算直接放空對應(yīng)的氣體擴(kuò)散范圍及點火放空產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度。

2.3 計算方法

由于天然氣站場緊急截斷放空過程屬于瞬態(tài)過程,對應(yīng)的瞬時放空流量及放空時間的計算過程不能僅僅通過經(jīng)驗公式進(jìn)行粗略估算,需要借助合適的仿真軟件進(jìn)行放空過程計算。HYSYS軟件可以用于油氣站場穩(wěn)態(tài)模擬(物料平衡計算)、水露點模擬、烴露點模擬、緊急泄放瞬態(tài)模擬等,國內(nèi)用戶總數(shù)已超過50家,所有的油田設(shè)計系統(tǒng)全部采用HYSYS軟件進(jìn)行工藝設(shè)計。

針對站場緊急放空瞬態(tài)仿真,HYSYS軟件中有單獨Depressuring-Dynamics模塊,該模塊可用于模擬壓力容器的安全閥放空、事故工況放空、絕熱工況放空等一系列動態(tài)放空的過程[13-15]。泄壓原理是將2個截斷閥之間的設(shè)備及管道之間的管容用固定容器的容積表示,在給定初始的介質(zhì)組分、溫度、壓力等參數(shù)的情況下,可以用限流孔板控制壓降速率為15 min內(nèi)將容器的壓力從最高泄放至0.69 MPa。與此同時,將泄放產(chǎn)生的噪音控制在85 dB以內(nèi),泄放氣體流速低于0.7馬赫。

利用HYSYS軟件的具體計算步驟如下:1)搭建物料及容器HYSYS模型,見圖2；2)通過Depressuring-Dynamics模塊,輸入需要緊急泄放的介質(zhì)溫度、壓力、組分等參數(shù);3)根據(jù)配管安裝圖及設(shè)備廠家圖紙,計算2個截斷閥之間的管容;4)給定孔板口徑初始值,迭代計算最終的孔板口徑,并計算放空過程中最大瞬時放空流量及最低溫度;5)借助Flarenet軟件計算放空管道的直徑,見圖3;6)規(guī)定放空時間為15 min,且放空后壓力為0.69 MPa。

圖2 物料及容器HYSYS模型Fig.2 HYSYS model of materials and containers

圖3 Flarenet輸入界面Fig.3 Flarenet input interface

通過上述模擬,最終得到壓力、溫度、泄放流量等參數(shù)隨時間的變化曲線,及需要的最小孔板口徑,并按規(guī)定的時間間隔記錄相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù),例如最大瞬時放空流量、管內(nèi)流體最低溫度等,為之后Flarenet軟件對放空系統(tǒng)的氣體流速、噪音等參數(shù)的仿真提供依據(jù)。

3 典型天然氣站場放空系統(tǒng)設(shè)計

天然氣站場內(nèi)緊急放空的放空場景一般是站場發(fā)生緊急事故(如可燃?xì)怏w泄漏、火災(zāi)等)時觸發(fā)ESD(Emergency Shut Down)而進(jìn)行的放空[16]。根據(jù)站場ESD分級,一般可分為設(shè)備級、工藝設(shè)備區(qū)域級以及全站級的緊急放空,全站級放空的最大瞬時放空量較大且較難準(zhǔn)確控制,屬于站場中最壞的放空場景,依照規(guī)范要求,需15 min內(nèi)將站場管道壓力降至設(shè)計壓力的50%或0.69 MPa。

通常，在緊急泄放閥開啟后的開始階段,氣體瞬時放空流量達(dá)到峰值,然后隨著放空過程的進(jìn)行而逐漸減少。峰值流量時,氣體處于臨界流動狀態(tài),放空的流量與閥后壓力、儲氣量等參數(shù)無關(guān),僅僅與初始壓力和泄放孔直徑有關(guān),在初始壓力一定的前提下,主要關(guān)注泄放孔直徑即限流孔板的口徑[17]。HYSYS軟件可計算天然氣管道緊急放空所需要限流孔板口徑的面積,計算放空過程介質(zhì)的最低溫度和最大流量等參數(shù),指導(dǎo)工程設(shè)計中放空系統(tǒng)材質(zhì)和尺寸的選取[18-20]。本節(jié)主要針對全站級緊急放空場景進(jìn)行放空系統(tǒng)的設(shè)計,選擇壓氣站A為研究對象,利用HYSYS軟件對關(guān)鍵管件限流孔板的口徑進(jìn)行計算并進(jìn)行放空系統(tǒng)ESD功能驗證。

3.1 限流孔板孔徑計算

天然氣組分和天然氣站場管道及設(shè)備主要參數(shù)見表1～2。HYSYS軟件計算限流孔板孔徑見表3。

表1 天然氣組分表Tab.1 Natural gas compositions

表2 天然氣站場管道及設(shè)備主要參數(shù)表Tab.2 Main parameters of station pipelines and equipments

表3 限流孔板孔徑計算結(jié)果表Tab.3 Calculation results of the aperture of the restricting orifice

3.2 現(xiàn)場功能測試及結(jié)果分析

3.2.1 現(xiàn)場測試

針對壓氣站A,現(xiàn)場業(yè)主方對緊急泄放閥進(jìn)行了現(xiàn)場測試,即關(guān)斷設(shè)備上下游截斷閥,打開緊急泄放閥,借助壓力變送器觀察管道壓力變化,關(guān)注緊急截斷放空的降壓速率是否符合規(guī)范要求。以燃料氣出口匯管處的緊急泄放閥BDV202為例，根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可知,緊急泄放閥能保證 15 min 內(nèi)將設(shè)備內(nèi)的壓力從初始壓力降低到0.69 MPa,泄放時間為1 140 s。

3.2.2 軟件仿真計算

以BDV001為例的軟件仿真計算界面見圖4。

圖4 BDV001的HYSYS模型圖Fig.4 HYSYS model of BDV001

3.2.3 結(jié)果對比分析

整理現(xiàn)場測試和軟件仿真得到的放空數(shù)據(jù)匯總,見表4。

由表4可知,在保證15 min內(nèi)將設(shè)備內(nèi)的壓力從初始壓力降低到0.69 MPa的前提下,對比放空時間的測試結(jié)果與軟件仿真結(jié)果,兩者誤差均在10%范圍內(nèi),因此可以說明運用HYSYS軟件計算天然氣站場緊急放空系統(tǒng)的方法是可靠的,該軟件可作為天然氣站場放空系統(tǒng)設(shè)計的有效工具。

表4 現(xiàn)場測試和軟件仿真對應(yīng)的各緊急泄放閥的放空數(shù)據(jù)表Tab.4 Venting data of each pressure relief valve corresponding to field test and software simulation

4 結(jié)論

采用HYSYS及Flarenet軟件進(jìn)行放空計算時應(yīng)注意：操作運行壓力是基于操作狀態(tài)下的最高操作壓力；管容和設(shè)備容積對計算結(jié)果影響大,如果設(shè)備內(nèi)部有其他構(gòu)件,如塔盤、濾網(wǎng)、槳葉、補(bǔ)霧裝置、除沫器、分離原件、支撐件等,在有條件的情況下,應(yīng)盡量去除其構(gòu)件體積,以保證容積計算的準(zhǔn)確性；背壓對放空時間有影響,在計算模型中應(yīng)提前通過預(yù)設(shè)背壓考慮背壓對仿真結(jié)果產(chǎn)生的影響。