節(jié)能型防回火技術(shù)在氫氣輸氣管道泄放系統(tǒng)中的研究應(yīng)用

趙志紅，劉豐，何松，王建果

（江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司江蘇南京 210000）

1 前言

輸氣管道泄放系統(tǒng)主要用來處理輸氣管道事故工況下能夠及時、穩(wěn)定安全可靠的排放氣體。根據(jù)GB50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》和GB50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》，在放空系統(tǒng)中需加放空立管或放空火炬來處理，且為了防止回火現(xiàn)象的發(fā)生，放空管路中持續(xù)通入一定量氮氣來維持管道內(nèi)微正壓[1][2]。隨著我國石油天然氣工程項目規(guī)模的擴大，特別是東部發(fā)達地區(qū)和城市規(guī)劃區(qū)，輸氣管道輸送壓力越來越高，輸送氣量也越來越大，輸氣管道的口徑越來越大，這樣導(dǎo)致防止回火所需的氮氣吹掃量也越來越大，對氮氣儲存占地和及時供應(yīng)條件等提出了較高的要求，使得項目投資和運行成本大大增加，且大多放空系統(tǒng)地處偏僻野外，不具備任何公用工程條件（無水、電、氣），常規(guī)的安全設(shè)施（如：水封罐、自動吹掃系統(tǒng)等）均無法使用，要保證良好防回火性能的同時降低系統(tǒng)的維護成本就顯得尤為重要。

2 節(jié)能型防回火技術(shù)

泄放系統(tǒng)節(jié)能型防回火火炬系統(tǒng)由泄放總管、泄放支管及配重塊組成（見圖1），從輸氣管線來的氣體經(jīng)過裝置泄放總管分別進入各泄放支管中，經(jīng)配重塊與泄放支管間形成的變徑出口排放出去。當沒有氣體泄放時，配重塊與支管出口呈關(guān)閉狀態(tài)，隨著氣體排量的增加，配重塊抬升與其相匹配支管形成一定的間隙（見如圖2），當泄放氣恒定，通過配重塊的浮力與重力相等實現(xiàn)平衡，確保泄放氣安全穩(wěn)定排放。

圖1 節(jié)能變徑防回火裝置

圖2 自動變徑實現(xiàn)

輸氣管線泄放系統(tǒng)中，空氣倒灌引起的回火現(xiàn)象主要發(fā)生在無泄放工況或泄放結(jié)束前極小排量工況，因此在這兩個工況下吹掃氮氣對防回火起著決定性作用。與常規(guī)單純放空管系不同，節(jié)能型防回火技術(shù)可實現(xiàn)無排放和排放結(jié)束時排放口自動關(guān)閉，從根本上消除排放口空氣倒流回火風(fēng)險。無排放工況，在保證相同防回火吹掃氣流速下，由于其為封閉狀態(tài)，只需輔以微量的吹掃氣起到密封作用，其耗氣量遠小于常規(guī)放空管線（見圖3）。

圖3 吹掃氮氣量對比

從圖3可以看出相同規(guī)模下吹掃氣量可顯著降低80%以上，節(jié)能效果顯著。

另外，放空管道或設(shè)備上任意點的不嚴密處空氣會進入系統(tǒng)，排放口可形成負壓回火風(fēng)險，造成回火閃爆，因此管線系統(tǒng)的正壓保證尤為重要。節(jié)能型出口變徑面積遠小于常規(guī)設(shè)計的固定泄放口面積，小排量和無泄放工況在相同氮氣吹掃量下，可將傳統(tǒng)的1mmPa級微正壓密封提高10,000倍至10Pa級正壓密封（見圖4），保證正壓密封，阻止空氣的滲入。

圖4 防回火壓力對比

3 技術(shù)工程應(yīng)用

國內(nèi)某氫氣輸氣管線泄放系統(tǒng)中，因氫氣氣源特殊，爆炸范圍大（4%-75%）且著火能低（約為甲烷-空氣混合物點火所需能量的5%）[3]，如果管道內(nèi)流速過高，通過管路的氫氣與管壁接觸產(chǎn)生大量靜電荷，極易引起靜電著火，因此在放空系統(tǒng)中對設(shè)計有著極高的要求，節(jié)能型防回火技術(shù)通過合理確定放空管線出口壓力和流速，解決靜電等各種安全因素同時到達高效節(jié)能指標。

節(jié)能型防回火技術(shù)實現(xiàn)了放空管端部開口隨著氣量的變化而變化，無損耗和疲勞部件，結(jié)構(gòu)緊湊，無額外占地，投資成本低。該工程項目節(jié)約吹掃氮氣約30噸 /年（折合標準氮氣瓶6000罐），降低常規(guī)吹掃氮氣量，運行過程中免維護，運行費用和管理費用低，實現(xiàn)了管道系統(tǒng)防回火性能高、安全節(jié)能。

4 結(jié)論

4.1 應(yīng)用于輸氣管道放空系統(tǒng)領(lǐng)域的節(jié)能型自動變徑防回火技術(shù)，實現(xiàn)了隨氣源排量（壓力）的變化管道支管出口面積隨之而變化的功能，將傳統(tǒng)的1mPa級微正壓密封平均提高10,000倍至10Pa級正壓密封，并且吹掃氮氣量降低90%以上，解決了常規(guī)排放系統(tǒng)氮氣量消耗大的缺點。

4.2 根據(jù)工程項目特點確定開啟壓力，確保輸氣管線泄放氣源安全及時排放，顯著提高了防回火安全特性。

4.3 該技術(shù)無損耗和疲勞部件，結(jié)構(gòu)緊湊，投資成本低。節(jié)約吹掃氮氣量，運行過程中免維護，運行費用和管理費用低，應(yīng)用效果良好，可廣泛推廣應(yīng)用。