分區(qū)分時(shí)放空方案在壓氣站的應(yīng)用

楊旭光，胡梅花，段秋生，熊建森，邢 通

中油國際管道有限公司，北京 100029

放空系統(tǒng)是保障天然氣壓縮機(jī)組設(shè)備安全的最后一道保護(hù)設(shè)施，也是壓縮機(jī)組的重要系統(tǒng)之一[1]。壓氣站放空主要包括兩種類型：其一，操作人員根據(jù)運(yùn)行需要，在壓縮機(jī)組正常停機(jī)后，對(duì)單體或壓氣站進(jìn)行放空泄壓；其二，壓氣站場(chǎng)在緊急情況下，需要盡快泄放高壓天然氣時(shí)的事故放空。事故放空通常指當(dāng)發(fā)生地震、火災(zāi)等嚴(yán)重危及到管道運(yùn)行安全的意外事故，以及管道出現(xiàn)較大泄漏甚至破裂，或者站內(nèi)發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏或其他事故觸發(fā)ESD系統(tǒng)等情況時(shí)，需要快速泄放管道內(nèi)氣體，其特點(diǎn)是發(fā)生頻率較低，放空持續(xù)時(shí)間一般較短，且為不可控放空，瞬時(shí)放空流量較大。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及國際工程慣例，在站場(chǎng)放空系統(tǒng)工況計(jì)算時(shí)，一般僅考慮緊急放空工況[2]。天然氣站場(chǎng)放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括放空管模型的構(gòu)建、放空時(shí)間的確定以及在一定放空量下放空設(shè)施的選擇等。

1 壓氣站基本情況

哈薩克斯坦某天然氣管道干線總長(zhǎng)1 477 km，管徑1 067 mm，最大年輸氣能力150×108m3。若年輸氣量大于29×108m3時(shí)，需要啟動(dòng)壓氣站。壓氣站配備有5臺(tái)15 MW的壓縮機(jī)，單臺(tái)輸送天然氣能力20×108m3/a，天然氣經(jīng)過壓縮后，出站壓力可達(dá)9.8 MPa。壓氣站運(yùn)行分成兩個(gè)階段：第一階段，壓縮機(jī)氣源來自氣源A，氣體壓力較低，到壓縮機(jī)入口壓力基本穩(wěn)定在3.3 MPa左右，輸量為60×108m3/a；第二階段，氣源A方向來氣不斷減少，氣源B最初按照40×108m3/a輸氣量進(jìn)入壓氣站，壓縮機(jī)入口壓力高達(dá)6.8 MPa。隨著壓氣站上游天然氣配氣量的調(diào)整，氣源A來氣量逐步降低，氣源壓力基本穩(wěn)定不變；氣源B來氣量階梯性增加到90×108m3/a左右，進(jìn)氣壓力也相應(yīng)由6.8 MPa降低到5.3 MPa。

2 緊急放空工況的技術(shù)要求

該管道壓氣站進(jìn)、出站壓縮機(jī)的進(jìn)、出口均設(shè)有ESD閥（Emergency Shutdown Valve）。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷事故區(qū)域兩端ESD閥，打開BDV（BlowDown Valve） 閥放空，壓氣站放空系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 壓氣站放空系統(tǒng)組成

長(zhǎng)輸天然氣管道壓氣站場(chǎng)具有高壓力、大口徑等特點(diǎn)，放空管路內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)屬于非穩(wěn)定流動(dòng)，放空管路短，介質(zhì)流速高，高速氣流的雷諾數(shù)大，放空氣體流動(dòng)參數(shù)如壓力、密度、溫度等均隨時(shí)間變化。放空系統(tǒng)的放空量要根據(jù)放空壓力、放空時(shí)間、放空速度等來確定[3]。在事故放空?qǐng)鼍跋拢M(jìn)出站管道放空BDV閥的選擇，放空管道、放空立管的尺寸及與站場(chǎng)的安全間距，均需要滿足站場(chǎng)最大放空量的要求，因此最大放空量的確定顯得尤為重要。

放空系統(tǒng)的常用規(guī)范有API STD 521“Pressure-relieving and Depressuring Systems”[4]、API STD520“Sizing，Selection，and Installation ofPressure Relieving Devices in Refineries”[5]、GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[6]以及具體項(xiàng)目的規(guī)范要求。根據(jù)API STD 521第4.6.6條要求，在火災(zāi)情況下，通常需要在15 min以內(nèi)將設(shè)備內(nèi)部壓力降低到設(shè)備設(shè)計(jì)壓力的50%或690 kPa（G）（取其中較低的壓力）。

3 分區(qū)分時(shí)放空方案和計(jì)算

按照最苛刻情況（整個(gè)站場(chǎng)面臨緊急情況）計(jì)算，應(yīng)同時(shí)對(duì)站內(nèi)所有生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行放空減壓，以便盡快降低安全風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)主要生產(chǎn)設(shè)施。然而，對(duì)于放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，面臨著全站放空量太大，造成放空系統(tǒng)設(shè)備及放空管超大等問題。

為減少不必要天然氣浪費(fèi)，降低放空初期巨大的峰值放空量，站場(chǎng)設(shè)置了4個(gè)獨(dú)立的隔離放空區(qū)域，區(qū)域1（氣源A方向進(jìn)氣區(qū)，壓力3.5 MPa）、區(qū)域2（氣源B方向進(jìn)氣區(qū)，壓力6.9 MPa）為低壓區(qū)域，區(qū)域3（氣體壓縮機(jī)區(qū)，壓力9.5MPa）、區(qū)域4（出站匯管區(qū)，壓力9.81MPa） 為高壓區(qū)域。在滿足安全要求的情況下，通過關(guān)閉區(qū)域進(jìn)、出口的緊急切斷閥（ESD閥），采取各個(gè)區(qū)域分時(shí)放空，盡量不泄放站內(nèi)未受災(zāi)區(qū)域的天然氣。

放空系統(tǒng)設(shè)置了高壓和低壓放空管，從氣源進(jìn)站至壓縮機(jī)上游工藝設(shè)備以及燃料氣系統(tǒng)排放的天然氣，接入低壓放空管（對(duì)應(yīng)區(qū)域1、區(qū)域2）；經(jīng)過壓縮機(jī)增壓，氣體壓力較高，從壓縮機(jī)下游工藝設(shè)備至出站緊急切斷閥排放的天然氣，接入高壓放空管（對(duì)應(yīng)區(qū)域3、區(qū)域4）。壓氣站系統(tǒng)及區(qū)域劃分如圖2所示。

圖2 壓氣站系統(tǒng)及區(qū)域劃分

對(duì)于放空計(jì)算，假定系統(tǒng)內(nèi)部不存在液體，放空計(jì)算基于絕熱工況，采用等熵效率93%計(jì)算，以確定瞬時(shí)最大泄放量和出現(xiàn)的最低溫度。放空系統(tǒng)容積采用系統(tǒng)內(nèi)容器體積加上管道容積計(jì)算，管道容積采用PDMS模型預(yù)估管道長(zhǎng)度確定。通過Aspen HYSYS軟件計(jì)算單個(gè)區(qū)域的瞬時(shí)放空量，由于瞬時(shí)放空量較大，可考慮設(shè)置區(qū)域內(nèi)各個(gè)BDV閥開啟順序，采用延遲打開的方式避免出現(xiàn)瞬時(shí)泄放量的疊加。

放空管的放空量確定后，在設(shè)定合理的壓降和背壓等條件下，借助FlareNet軟件確定了放空系統(tǒng)管徑。最后，在滿足熱輻射值的要求下，按照API STD 521規(guī)范確定了放空管尺寸以及距離壓氣站的合理位置。

4 分時(shí)放空方案在壓氣站的應(yīng)用

對(duì)于站內(nèi)低壓放空系統(tǒng)來說，由于區(qū)域2的最高操作壓力和泄放容積均高于區(qū)域1的最高操作壓力和容積，因此區(qū)域2首先泄壓，延遲4 min后壓力與區(qū)域1相當(dāng)，區(qū)域1開始泄壓。

按照API STD 521放空規(guī)范要求，對(duì)于放空區(qū)域2，考慮15 min內(nèi)將該區(qū)域壓力從6.9 MPa降至0.69 MPa；對(duì)于放空區(qū)域1，考慮11 min內(nèi)將該區(qū)域壓力從3.5 MPa降至0.69 MPa。低壓放空系統(tǒng)經(jīng)過分區(qū)延時(shí)放空，可以很好地規(guī)避2個(gè)區(qū)域同時(shí)放空產(chǎn)生的最大泄放量疊加問題。

對(duì)于站內(nèi)高壓放空系統(tǒng)來說，首先考慮放空區(qū)域3的泄放，以保護(hù)壓縮機(jī)裝置為首要任務(wù)，再考慮放空區(qū)域4的泄放。

根據(jù)GTCU供應(yīng)商的要求，壓縮機(jī)泄壓需要保證以不超過2 MPa/min的速度泄壓，壓縮機(jī)區(qū)域考慮15 min內(nèi)，壓力由9.5 MPa降至0.69 MPa。放空區(qū)域4考慮延遲5 min泄壓，即10 min內(nèi)將放空區(qū)域4的天然氣降壓至0.69 MPa。

不同放空區(qū)域儲(chǔ)氣容積及初始泄放條件如表1所示。

表1 放空區(qū)域儲(chǔ)氣容積及初始泄放條件

通過Aspen HYSYS軟件計(jì)算放空區(qū)域的瞬時(shí)放空量，延遲放空低壓放空系統(tǒng)泄放量、泄放壓力隨時(shí)間變化如圖3、圖4所示，延遲放空高壓放空系統(tǒng)泄放量、泄放壓力隨時(shí)間變化如圖5、圖6所示，即時(shí)放空及延遲放空下的最大放空量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 低壓放空系統(tǒng)泄放量隨時(shí)間變化曲線

圖4 低壓放空系統(tǒng)泄放壓力隨時(shí)間變化曲線

圖5 高壓放空系統(tǒng)泄放量隨時(shí)間變化曲線

圖6 高壓放空系統(tǒng)泄放壓力隨時(shí)間變化曲線

表2 放空區(qū)域最大瞬時(shí)放空量

由表2可知，采用延遲放空方案，低壓放空系統(tǒng)峰值放空量由619 804 kg/h降至397 806 kg/h，放空量降低了35.8%；高壓放空系統(tǒng)峰值放空量由原來的907 850 kg/h降低至614 365 kg/h，放空量降低了32.3%。利用FlareNet模型，核算放空管道整個(gè)管網(wǎng)的流速和壓力分布，而由于放空量的降低，低壓放空立管的尺寸可由22 in（1in=25.4 mm）降至16 in，高壓放空立管的尺寸由32 in降至20 in。

5 結(jié)束語

在放空量計(jì)算中，當(dāng)站場(chǎng)總存氣量確定時(shí)，通過劃分放空區(qū)域，并在確定了每個(gè)區(qū)域最大時(shí)間的基礎(chǔ)上，采用錯(cuò)峰分時(shí)放空的設(shè)計(jì)，有效減少了每個(gè)放空管的放空量及放空系統(tǒng)的尺寸。由于天然氣放空量的降低，放空氣體對(duì)放空立管周圍的影響也得到有效控制，放空設(shè)施占地面積也較傳統(tǒng)方案有所節(jié)省。由此可得出以下結(jié)論：分時(shí)放空方案在壓氣站的應(yīng)用，在滿足放空時(shí)間要求的前提下，在降低放空量、減少設(shè)備、節(jié)約用地方面是有效可行的。