輸氣站場(chǎng)放空立管防火間距的研究

李世平，張凱靈，孫菁，楊曉東，梁昌晶

(1. 河北華北石油工程建設(shè)有限公司，河北 任丘 062552；2. 中國(guó)石油西南油氣田公司 輸氣管理處，四川 成都 610000；3. 中國(guó)石油西南油氣田公司 川西北氣礦，四川 江油 621741；4. 中國(guó)石油華北油田公司 二連分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；5. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河北 任丘 062552)

中國(guó)輸氣站場(chǎng)放空作業(yè)主要通過(guò)放空立管和點(diǎn)火裝置完成，當(dāng)站場(chǎng)(壓氣站、分輸站、清管站)需檢修或進(jìn)出站超壓時(shí)，需將站場(chǎng)內(nèi)所有存留的氣體放空；當(dāng)線路閥室之間的管道發(fā)生意外或檢修時(shí)，需將管道內(nèi)所有存留的氣體放空。放空作業(yè)按照是否點(diǎn)火可分為冷放空和熱放空。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50160—2008(2018年版)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB 50183—2004《石油天然氣防火設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中前兩個(gè)規(guī)范主要規(guī)定了放空系統(tǒng)的總體設(shè)置，GB 50183—2004適用于新建、擴(kuò)建及改建的陸上油氣田工程、管道工程和海洋石油陸上終端處理工程，詳細(xì)地規(guī)定了放空系統(tǒng)的放空量、防火間距、立管高度、設(shè)置位置等。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，放空立管和火炬與站場(chǎng)的防火間距，對(duì)于冷放空，當(dāng)放空量不大于1.2×104m3/h時(shí)，不應(yīng)小于10 m，當(dāng)放空量大于1.2×104m3/h且不小于4×104m3/h時(shí)，不應(yīng)小于40 m；對(duì)于熱放空，可能攜帶可燃液體火炬的防火間距應(yīng)根據(jù)熱輻射計(jì)算確定，與站場(chǎng)的間距為90 m。隨著新建管道的直徑和壓力等級(jí)越來(lái)越高，管輸量越來(lái)越大，大部分放空作業(yè)時(shí)量已超過(guò)4×104m3/h，該標(biāo)準(zhǔn)未給出相應(yīng)作法，如按照行業(yè)的通用作法采取90 m防火間距，將導(dǎo)致站場(chǎng)及閥室占地面積大、選址困難、投資超支等問(wèn)題，嚴(yán)重制約管道工程的發(fā)展。因此，采用DNV PHAST軟件模擬不同放空量、不同風(fēng)速條件下的氣體擴(kuò)散和熱輻射范圍，確定冷放空和熱放空作業(yè)下的防火間距，以期為該標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供技術(shù)參考。

1 基礎(chǔ)參數(shù)及防火間距選取原則

1.1 基礎(chǔ)參數(shù)

放空過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)流體流動(dòng)過(guò)程，流動(dòng)形式主要為湍流，在此采用UDM模型模擬立管冷放空中氣體的擴(kuò)散情況，該模型假設(shè)云團(tuán)不發(fā)生卷吸作用、擴(kuò)散氣體不與空氣中其他組分發(fā)生反應(yīng)、在碰撞到地面后完全反彈。

參照API RP521： 1997《泄壓和減壓系統(tǒng)導(dǎo)則》計(jì)算立管熱放空中火焰中心與地面受熱點(diǎn)之間的熱輻射強(qiáng)度，根據(jù)目標(biāo)受熱點(diǎn)的熱輻射通量值，確定防火間距。

站場(chǎng)因事故狀態(tài)造成的緊急放空一般為不可控放空，持續(xù)時(shí)間短、放空量大，以某站場(chǎng)為例，取最大瞬時(shí)放空量2×105m3/h，放空連接線和放空立管的管外徑均為508 mm，立管高度25 m，初始放空壓力為6 MPa，氣體出口速度不大于170 m/s，氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)xB見(jiàn)表1所列。

表1 氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)

按照PR氣體狀態(tài)方程進(jìn)行模擬，得到氣體的爆炸上限(UEL)為16.5%，爆炸下限(LEL)為4.4%。大氣穩(wěn)定度根據(jù)帕斯奎爾的方法進(jìn)行分類，通過(guò)調(diào)取當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，大氣穩(wěn)定度為D～E，空氣濕度為65%。

1.2 防火間距選取原則

對(duì)于冷放空作業(yè)，當(dāng)氣體擴(kuò)散濃度在(0.5～1.0)LEL時(shí)，只要點(diǎn)燃能量足夠，依然會(huì)發(fā)生閃火，同時(shí)考慮到不同因素對(duì)氣體擴(kuò)散的影響，分析氣體在不同濃度下擴(kuò)散的邊界分布空間，以0.5LEL的邊界作為最不利條件。即冷放空作業(yè)時(shí)，立管與站場(chǎng)之間的防火間距不應(yīng)小于0.5LEL所限定的邊界空間。

為了避免站場(chǎng)內(nèi)工藝設(shè)備、電氣儀表及操作人員受火焰熱輻射的影響，根據(jù)GB 50183—2004中的條文說(shuō)明及API RP521： 1997的規(guī)定，對(duì)操作人員所處目標(biāo)受熱點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度及條件進(jìn)行了規(guī)定，見(jiàn)表2所列。一般站場(chǎng)內(nèi)操作人員均穿有合適的防護(hù)服，且經(jīng)過(guò)安全培訓(xùn)和應(yīng)急疏散演練，可以在10 min內(nèi)完成緊急撤離，因此選擇熱輻射強(qiáng)度4.75 kW/m2作為熱放空的最不利條件。即熱放空作業(yè)時(shí)，立管與站場(chǎng)之間的防火間距不應(yīng)小于該允許熱輻射條件下計(jì)算的邊界空間。

表2 允許熱輻射強(qiáng)度及條件

2 模擬計(jì)算

經(jīng)研究表明，風(fēng)速、放空量、大氣穩(wěn)定度、空氣濕度、圍墻高度等均會(huì)影響可燃?xì)怏w云團(tuán)的擴(kuò)散范圍，其中大氣穩(wěn)定度和空氣濕度對(duì)云團(tuán)在空氣中的卷吸作用影響較小，立管高度一般超過(guò)25 m，圍墻高度對(duì)云團(tuán)的垂直距離影響不大，因此只研究不同風(fēng)速、不同放空量條件下的氣體擴(kuò)散和燃燒熱輻射強(qiáng)度范圍。

2.1 冷放空

采用DHV PHAST軟件模擬3種瞬時(shí)放空量5×104，1×105，2×105m3/h分別在風(fēng)速1，5，10，15，20 m/s條件下的冷放空擴(kuò)散范圍，得到不同風(fēng)速條件下0.5LEL限定的邊界空間，如圖1所示。不同放空量條件下氣體擴(kuò)散范圍的規(guī)律基本一致，風(fēng)速較低時(shí)，立管出口處的氣體流速較高，氣體主要向垂直方向擴(kuò)散；風(fēng)速較高時(shí)，湍流作用加強(qiáng)，同時(shí)立管出口處的噴射力減弱，氣體從垂直方向逐漸向水平方向移動(dòng)。對(duì)比相同風(fēng)速不同放空量條件下，放空量越大，出口動(dòng)力越強(qiáng)，氣體的擴(kuò)散范圍越大。以2×105m3/h為例，風(fēng)速分別為1，5，10，15，20 m/s時(shí)，可燃?xì)怏w濃度為0.5LEL的下風(fēng)向擴(kuò)散距離分別為16.2，23.5，27.3，28.8，29.4 m。即當(dāng)采取冷放空作業(yè)時(shí)，不同風(fēng)速下放空立管與站場(chǎng)的防火間距分別為 16.2，23.5，27.3，28.8，29.4 m。此外，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)10 m/s時(shí)，云團(tuán)下風(fēng)向的擴(kuò)散能力明顯減弱，風(fēng)速對(duì)擴(kuò)散距離的影響越來(lái)越小，主要原因是當(dāng)放空量一定時(shí)，風(fēng)速越大，周圍空氣對(duì)云團(tuán)的稀釋剪切作用越強(qiáng)，為了保持一定的出口流速，短管時(shí)效的作用越大，云團(tuán)的擴(kuò)散能力越弱。

圖1 不同風(fēng)速和放空量條件下的氣體擴(kuò)散范圍示意

2.2 熱放空

熱放空作業(yè)時(shí)，氣體燃燒產(chǎn)生的熱輻射會(huì)對(duì)周圍的人、設(shè)備、建筑物造成損傷，損傷的嚴(yán)重程度主要以熱輻射值衡量。采用DNV PHAST軟件模擬5×104，1×105，2×105m3/h 3種瞬時(shí)放空量分別在風(fēng)速為1，5，10，15，20 m/s條件下的熱放空擴(kuò)散范圍，得到允許熱輻射強(qiáng)度4.75 kW/m2下的邊界空間，如圖2所示。當(dāng)下風(fēng)向距離相同時(shí)，風(fēng)速越大熱輻射強(qiáng)度越大，在同一放空量條件下，熱輻射值呈先增加后減小趨勢(shì)，并隨著下風(fēng)向距離的增加，熱輻射強(qiáng)度逐漸趨于最小化。以放空量2×105m3/h為例，當(dāng)采取熱放空作業(yè)時(shí)，風(fēng)速為1 m/s時(shí)，防火間距可不作限制，當(dāng)風(fēng)速分別為5，10，15，20 m/s時(shí)，防火間距應(yīng)分別取44.5，54.9，61.7，67.2 m，均小于GB50183—2004中立管與站場(chǎng)間距90 m的規(guī)定。

圖2 不同風(fēng)速和放空量條件下的熱輻射范圍示意

3 結(jié)束語(yǔ)

采用DNV PHAST軟件模擬分析了不同放空量和不同風(fēng)速下的氣體擴(kuò)散和熱輻射范圍，特點(diǎn)如下：

1) 在綜合考慮各影響因素的前提下，規(guī)定了防火間距的選取原則，對(duì)于冷放空作業(yè)，立管與站場(chǎng)之間的防火間距不應(yīng)小于0.5LEL所限定的邊界空間；對(duì)于熱放空作業(yè)時(shí)，立管與站場(chǎng)之間的防火間距不應(yīng)小于4.75 kW/m2允許熱輻射條件下計(jì)算的邊界空間。

2)當(dāng)放空量為2×105m3/h，風(fēng)速20 m/s時(shí)，冷放空的防火間距為29.4 m，熱放空的防火間距為67.2 m，均小于GB50183—2004中立管與站場(chǎng)防火間距的規(guī)定。