含氫天然氣管道工程設(shè)計(jì)中有關(guān)間距問(wèn)題探討

陳俊文 湯曉勇 諶貴宇 李玉星 何 山 Cho Hing Lee 劉翠偉 李天雷 郭艷林

1.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266580;3.伊爾姆環(huán)境資源管理咨詢(上海)有限公司, 上海 200080;4.挪威船級(jí)社(DNV)可持續(xù)發(fā)展卓越中心, 上海 200336

0 前言

近年來(lái),氫能綜合利用是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn),也是世界新能源的重要發(fā)展方向之一[1-3]。大規(guī)模運(yùn)輸氫氣時(shí),管道運(yùn)輸更加高效、安全。國(guó)外已建成氫氣管道約 6 000 km,同時(shí)一些國(guó)家將氫氣摻入天然氣管道中實(shí)現(xiàn)氫氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸和利用,構(gòu)成了氫氣管道輸送、混氫天然氣管道輸送等長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)模式,可統(tǒng)稱(chēng)為含氫天然氣管道輸送。同時(shí),美國(guó)、歐洲等相繼發(fā)布了部分相關(guān)的含氫天然氣管道標(biāo)準(zhǔn)。在“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展背景下,中國(guó)建設(shè)含氫管道的需求日益迫切,但中國(guó)尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的含氫管道輸送相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,因此亟待填補(bǔ)空白。目前,諸多學(xué)者在含氫管道輸送工藝[4-6]、天然氣摻氫后設(shè)備適應(yīng)性[7]、技術(shù)規(guī)范剖析[8-9]和氫氣/混氫管道技術(shù)發(fā)展分析[10-12]等方面開(kāi)展了研究工作,取得了較多成果,均可對(duì)含氫天然氣管道輸送標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定提供一定的支撐,但受氫氣、天然氣介質(zhì)特性差異和含氫管道中氫氣/天然氣比例等影響,目前在涉及到站場(chǎng)區(qū)域布置、管道潛在影響半徑、防爆區(qū)域范圍等在工程設(shè)計(jì)中具有定量要求的關(guān)鍵間距問(wèn)題上,中國(guó)尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。同時(shí),由于設(shè)計(jì)理念差異,在站場(chǎng)區(qū)域布置間距問(wèn)題上無(wú)法參考他國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;對(duì)于不同濃度的氫氣—天然氣混合體系,他國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的管道潛在影響半徑、防爆區(qū)域范圍等是否合理尚待考證。為此,有必要結(jié)合氫氣與含氫天然氣的介質(zhì)特性,基于含氫天然氣管道工程設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需求,對(duì)前述站場(chǎng)布置間距、管道潛在影響半徑、防爆區(qū)域范圍等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討,以期對(duì)形成中國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的關(guān)鍵技術(shù)要求提供支撐,更好地為含氫天然氣管道工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 氫氣與天然氣基本性質(zhì)對(duì)比

由于常規(guī)天然氣組分以甲烷為主要介質(zhì),為了便于對(duì)比輸送介質(zhì)特性,下文采用甲烷代表天然氣進(jìn)行比對(duì)與探討。

氫氣在空氣中最小點(diǎn)火能很低。有數(shù)據(jù)表明,氫氣最小點(diǎn)火能僅為0.019 mJ,點(diǎn)燃后燃燒速率很快,是燃燒危險(xiǎn)性很大的危險(xiǎn)化學(xué)品;而甲烷的最小點(diǎn)火能相對(duì)較高,達(dá)到0.29 mJ。在工程應(yīng)用場(chǎng)景中,這種差異直接體現(xiàn)在泄漏后的點(diǎn)火概率上,即氫氣在泄漏并暴露在大氣環(huán)境時(shí),其立即點(diǎn)火概率大于甲烷的立即點(diǎn)火概率。

氫氣的爆炸極限是4.0%～77%(體積濃度),在空氣中燃燒和爆炸的極限范圍大于甲烷,但氫氣和甲烷的燃燒下限相差不大,氫氣約為4.0%,甲烷約為4.9%。在工程應(yīng)用中,一般在泄放和危險(xiǎn)區(qū)域分析時(shí)使用燃燒下限,可知?dú)錃獾目刂埔笙鄬?duì)較嚴(yán)。

在常壓下,氫氣的比重僅為0.069,甲烷的密度為氫氣的8倍;氫氣與甲烷均屬于比空氣輕的可燃?xì)怏w,相比于甲烷,氫氣在空氣中擴(kuò)散速度更快,一旦泄漏更容易擴(kuò)散,不易在設(shè)備或建筑低洼處積聚。

在熱值上,標(biāo)況下氫氣熱值約為12.1 MJ/m3,甲烷約為37.7 MJ/m3,可見(jiàn)氫氣熱值遠(yuǎn)低于甲烷。然而,在泄漏燃燒時(shí),由于氫氣密度小,聲速高,還需要結(jié)合實(shí)際泄放體積來(lái)綜合判斷熱輻射尺度。

綜上,氫氣相比于天然氣,具有垂向擴(kuò)散性較好、燃燒范圍較寬、點(diǎn)火能量較低、體積熱值較低等特點(diǎn),這為后文探討相關(guān)問(wèn)題提供了基礎(chǔ)。

2 站址區(qū)域布置間距

2.1 相關(guān)規(guī)范現(xiàn)狀

目前,國(guó)際上現(xiàn)行ASME B31.12—2019 Hydrogen Piping and Pipelines(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASME B31.12—2019)[13]和CGA-5.6—2005(R2013)Hydrogen Pipeline Systems(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CGA-5.6—2005(R2013))[14]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,適用于氫氣含量大于10%體積分?jǐn)?shù)的含氫天然氣管道輸送工程。ASME B31.12—2019主要關(guān)注于管道與管件本體設(shè)計(jì),未提及站場(chǎng)區(qū)域布置間距要求。而在CGA-5.6—2005(R2013)中,對(duì)混氫管道站場(chǎng)與周?chē)h(huán)境的安全距離提出了典型參考值,與變電站的安全距離為15 m,與公共建筑的距離為8 m等。需要注意的是,與中國(guó)油氣站場(chǎng)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范常用的防火間距不同,該間距綜合了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的安全距離,與防火間距存在設(shè)計(jì)本質(zhì)的不同。由此可見(jiàn),國(guó)際的相關(guān)含氫天然氣管道規(guī)范在站場(chǎng)區(qū)域布置間距的典型參考值并不宜作為中國(guó)含氫天然氣管道設(shè)計(jì)的直接參考。

目前,中國(guó)GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021年版)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 50516—2010)中,對(duì)加氫站的站址選擇主要按照防火間距要求執(zhí)行[15];國(guó)際上的IGC Doc 15/06/E Gaseous Hydrogen Stations(以下簡(jiǎn)稱(chēng)IGC Doc 15/06/E)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可作為加氫站最小水平安全距離的參考[16]。上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的防火間距與安全間距可比指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn),對(duì)于系統(tǒng)配置基本類(lèi)似的加氫站,受實(shí)際情況與間距考慮原則的影響,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的防火間距明顯大于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全間距。因此,定量來(lái)看,中國(guó)借鑒國(guó)際上常用的含氫天然氣管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推薦的安全間距作為防火間距的參考基準(zhǔn)是不適宜的。另外,由于中國(guó)加氫站與含氫天然氣管道工程站場(chǎng)的設(shè)施、操作壓力、儲(chǔ)存量等均有較大區(qū)別,含氫天然氣管道工程一般不設(shè)置儲(chǔ)氫罐,操作壓力也基本不超過(guò)10 MPa,故中國(guó)也不應(yīng)直接參考加氫站的防火間距。

2.2 熱輻射強(qiáng)度分析與推薦作法

在實(shí)際工程中,含氫天然氣管道工程一般設(shè)置首站、中間站、末站等站場(chǎng),其主要功能、工藝流程與常規(guī)天然氣管道站場(chǎng)類(lèi)似。同時(shí),防火間距主要考慮火災(zāi)熱輻射對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。為此,考慮借助理論與模擬分析,從比對(duì)相同事故輻射后果的角度出發(fā),借鑒輸氣管道站場(chǎng)防火間距標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,對(duì)含氫天然氣管道站場(chǎng)的防火間距提出取值建議。

為此,在某相同壓力的站場(chǎng)泄漏場(chǎng)景下,對(duì)氫氣、含氫天然氣與天然氣進(jìn)行相同孔徑下的水平泄漏噴射火影響范圍模擬,模擬軟件選擇為DNVGL PHAST V8.0,模擬結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同氫含量的含氫天然氣泄漏后噴射火熱輻射范圍模擬結(jié)果對(duì)比圖

由圖1可見(jiàn),在相同運(yùn)行壓力下的相同孔徑泄漏時(shí),對(duì)同一熱輻射強(qiáng)度,天然氣燃燒的熱輻射距離大于氫氣,且基本滿足隨著氫氣含量增加,熱輻射距離降低的規(guī)律。這主要是相同泄漏孔徑下,對(duì)于運(yùn)行壓力相同的體系,由于天然氣的密度相對(duì)較大,其泄漏的質(zhì)量流量較高;同時(shí),雖然氫氣的單位質(zhì)量熱值較高,但協(xié)同計(jì)算后,天然氣的熱輻射強(qiáng)度大于氫氣。同時(shí),還進(jìn)行了其他泄漏壓力場(chǎng)景的噴射火分析,得出的結(jié)論與圖1規(guī)律一致。

同時(shí),進(jìn)一步利用Flacs 3D軟件進(jìn)行了氫氣泄漏后熱輻射分析,在相同工況下,Flacs 3D軟件的計(jì)算結(jié)果與DNVGL PHAST V8.0軟件計(jì)算結(jié)果誤差小于20%,但氫氣熱輻射影響距離仍明顯小于天然氣的熱輻射影響距離。

輸氣管道站場(chǎng)區(qū)域布置的防火間距參照現(xiàn)行GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 50183—2004)執(zhí)行[17-18],與GB 50516—2010的區(qū)域布置防火間距相比,以重要公共建筑與站場(chǎng)的防火間距為例,前者要求為30 m(間距為站場(chǎng)設(shè)施與重要公共建筑的距離),后者要求為35 m(間距為氫氣壓縮機(jī)或加氫機(jī)等工藝設(shè)施與重要公共建筑的距離),加氫設(shè)施的操作壓力一般大于30 MPa,遠(yuǎn)高于含氫天然氣管道工程運(yùn)行壓力;另外,上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)站場(chǎng)與室外變配電站、鐵路等的間距較為接近。因此,結(jié)合前文分析,在相同壓力泄漏場(chǎng)景下對(duì)比,可認(rèn)為參考天然氣站場(chǎng)相關(guān)的防火間距作為氫氣或含氫天然氣管道工程站場(chǎng)的總體布局間距要求是合理和保守的。同時(shí)，氫氣站場(chǎng)與人居場(chǎng)所、重要建筑的間距可進(jìn)一步比對(duì)現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行協(xié)調(diào)、從嚴(yán)要求。

GB 50516—2010的加氫站放空管口與站外建(構(gòu))筑物的防火間距要求,制定的依據(jù)是綜合比對(duì)GB 50156—2012《汽車(chē)加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范(2014年版)》和GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(2020年版)》中的天然氣相關(guān)要求,并根據(jù)氫氣與天然氣物性差異進(jìn)行優(yōu)選,這進(jìn)一步說(shuō)明利用一種介質(zhì)防火間距作為另一種介質(zhì)防火間距確定的比選參考已有先例。

另外,對(duì)于含氫天然氣管道工程的站場(chǎng)內(nèi)部防火間距,對(duì)比分析現(xiàn)行GB 50183—2004與GB 50516—2010的近似要求后,結(jié)合加氫站的運(yùn)行壓力遠(yuǎn)高于含氫天然氣管道站場(chǎng)運(yùn)行壓力的實(shí)際情況,推薦含氫天然氣管道工程的站場(chǎng)內(nèi)部防火間距參考現(xiàn)行天然氣站場(chǎng)布置的相關(guān)要求。

本文同時(shí)還模擬了相同壓力、不同孔徑的不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏后擴(kuò)散場(chǎng)景,由于氫氣的聲速較高,初始噴射速度較快,故中孔、小孔泄漏后達(dá)到50%爆炸下限距離稍大于甲烷,因此對(duì)于含氫站場(chǎng)中“生產(chǎn)設(shè)施與明火或散發(fā)火花地點(diǎn)的防火間距”,推薦考慮20%裕量。

3 含氫天然氣管道潛在影響半徑

3.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范現(xiàn)狀

輸氣管道發(fā)生泄漏事故時(shí)可能形成對(duì)周邊公眾安全和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重影響的區(qū)域,該區(qū)域范圍通過(guò)管道潛在影響半徑進(jìn)行表征是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的做法。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASME B31.8 S—2020 Managing System Integrity of Gas Pipelines(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASME B31.8 S—2020)和GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 32167—2015)均提出了相同的定量計(jì)算公式[19-20],主要考慮了管道管徑、最大允許操作壓力的影響,僅適用于天然氣管道。ASME B31.12—2019提出了適用于氫氣的潛在影響半徑計(jì)算公式,主要影響因素也是管道管徑和最大允許操作壓力。為了體現(xiàn)其差異,列出ASME B31.8 S—2020和ASME B31.12—2019的潛在影響半徑計(jì)算公式。

1)ASME B31.8 S—2020中的天然氣管道潛在影響半徑:

(1)

2)ASME B31.12—2019中的氫氣管道潛在影響半徑區(qū)域:

(2)

式中:r為潛在影響半徑,ft(1 ft=0.304 8 m);p為最高允許操作壓力,psi(1 psi=0.068 9 MPa);d為管道外徑,in(1 in=25.4 mm)。

由此可見(jiàn),兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均規(guī)定了輸送管道的潛在影響半徑計(jì)算公式,在相同的允許操作壓力和管徑下,氫氣管道的潛在影響半徑為天然氣的68%,說(shuō)明在相同泄漏場(chǎng)景下,氫氣管道的潛在影響半徑明顯小于天然氣管道。同時(shí),ASME B31.12—2019在適用范圍中說(shuō)明,本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不適用于氫氣含量小于10%的天然氣管道,但計(jì)算公式僅體現(xiàn)了管道外徑與最高操作壓力等影響因素,未體現(xiàn)組分的影響,而從ASME B31.12—2019和ASME B31.8 S—2020的對(duì)比可看出,組分對(duì)潛在影響半徑的影響明顯。因此,尚需進(jìn)一步論證該公式的實(shí)際適用性。

3.2 含氫天然氣管道潛在影響半徑計(jì)算與分析

潛在影響半徑公式考慮了埋地可燃?xì)怏w輸送管道在完全破裂的場(chǎng)景下形成噴射火,其噴射火熱輻射造成1%死亡概率時(shí)的影響半徑,考慮的熱輻射通量為15.8 kW/m2,影響因素包括當(dāng)量泄漏速率、燃燒系數(shù)、輻射系數(shù)、燃燒熱、熱輻射通量等。其中,當(dāng)量泄漏速率、燃燒熱等參數(shù)均與組分相關(guān)，當(dāng)量泄漏速率的計(jì)算與管道直徑、管道運(yùn)行壓力、氣體比熱比等有關(guān)。由此,在介質(zhì)組分確定的情況下,不同介質(zhì)的潛在影響半徑計(jì)算公式的形式與式(1)～(2)一致,且式(1)～(2)中的系數(shù)實(shí)際上就是組分特征的折算值,這也就解釋了氫氣管道、天然氣管道的潛在影響半徑計(jì)算公式差異所在。

因此,本文推導(dǎo)了適用于不同氫氣含量的氫氣—天然氣體系的潛在影響半徑計(jì)算公式。

(3)

式中:rmixture為含氫天然氣管道的潛在影響半徑,m;m為濃度修正系數(shù),m的典型取值見(jiàn)表2。

表2 不同氫含量修正系數(shù)表

采用式(1)～(3),模擬了最高允許操作壓力為 8 MPa 的DN300管道輸送天然氣和氫氣下的潛在影響半徑,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 式(1)～(3)模擬工況潛在影響半徑對(duì)比表

由表3可見(jiàn),由于從潛在影響半徑的本質(zhì)進(jìn)行了探討,本文推導(dǎo)的式(3)計(jì)算結(jié)果與式(1)～(2)的計(jì)算結(jié)果誤差較小,產(chǎn)生誤差的主要原因可能是關(guān)聯(lián)公式中組分特性取值有所差別;同時(shí),從計(jì)算結(jié)果可以看出,ASME B31.12—2019推薦的式(2)實(shí)際上是純氫氣管道的潛在影響半徑。結(jié)合前文在探討站場(chǎng)間距時(shí)的結(jié)果也印證了此問(wèn)題,即相同泄漏場(chǎng)景下,天然氣的等強(qiáng)度熱輻射范圍大于氫氣。

進(jìn)一步的分析結(jié)果也說(shuō)明了ASME B31.12—2019規(guī)范在潛在影響半徑公式的適用性上存在說(shuō)明不充分的問(wèn)題,例如,若對(duì)于氫氣含量10%的含氫天然氣管道,其計(jì)算的潛在影響半徑約為87.5 m,而采用ASME B31.12—2019的計(jì)算結(jié)果(式(2))為62.99 m,誤差較為明顯,并且這種誤差將導(dǎo)致對(duì)管道潛在影響半徑的估算不足。

4 站場(chǎng)爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分與范圍

站場(chǎng)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域是爆炸性混合物出現(xiàn)的或預(yù)期可能出現(xiàn)的數(shù)量達(dá)到足以要求對(duì)電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取預(yù)防措施的區(qū)域。按照爆炸性混合物出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時(shí)間可分為不同危險(xiǎn)程度的若干區(qū)。爆炸性氣體環(huán)境應(yīng)根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。由于中國(guó)尚未發(fā)布含氫天然氣管道工程站場(chǎng)的相關(guān)規(guī)范,其爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍有待討論。

4.1 爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域劃分

氫氣、甲烷和含氫天然氣均屬于可燃性氣體,其爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分均可執(zhí)行GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定[21]。GB 50516—2010和GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 50251—2015)對(duì)于環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分的原則一致,但具體作法有所不同。GB 50516—2010認(rèn)為:已建的氫氣站內(nèi)有爆炸危險(xiǎn)的房間均設(shè)置了自然通風(fēng)和一般的機(jī)械通風(fēng),但未設(shè)局部通風(fēng)。因此,在氫氣站的制氫間、氫氣純化間、氫氣壓縮機(jī)間、氫氣灌裝間等房間內(nèi)爆炸危險(xiǎn)物質(zhì)的釋放屬于第一級(jí)釋放源,其爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分應(yīng)定為1區(qū)。對(duì)于有爆炸危險(xiǎn)的房間,GB 50251—2015針對(duì)室內(nèi)的分區(qū),采用了“通風(fēng)良好”或“通風(fēng)不良”進(jìn)行區(qū)分,將存在1類(lèi)釋放源的“通風(fēng)良好室內(nèi)區(qū)域”劃分為2區(qū),將存在1類(lèi)釋放源的“通風(fēng)不良室內(nèi)區(qū)域”劃分為2區(qū)。

同時(shí),在戶外區(qū)域,GB 50251—2015在有介質(zhì)放散的管口區(qū)域(半徑為1.5 m范圍)也考慮為1區(qū),在GB 50516—2010中未提出這類(lèi)要求。

綜上所述,鑒于含氫天然氣管道工程的站場(chǎng)流程、操作條件和設(shè)施等與天然氣管道工程較為類(lèi)似,在含氫天然氣管道工程的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域劃分相關(guān)要求中,可按照GB 50251—2015的要求執(zhí)行,但需要進(jìn)一步對(duì)“通風(fēng)良好”的具體措施進(jìn)行專(zhuān)業(yè)分析和討論。

4.2 爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍

GB 50516—2010和GB 50251—2015對(duì)室內(nèi)或密閉區(qū)域的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍的確定原則一致,均整體考慮為氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍;但對(duì)2區(qū)的邊界劃分略有區(qū)別。具體地,對(duì)點(diǎn)釋放源均按照半徑4.5 m的原則劃分2區(qū)范圍,對(duì)面釋放源均按照外延4.5 m的原則劃分2區(qū)范圍;在放散口區(qū)域,天然氣按照放散口為中心劃分4.5 m球形區(qū)域?yàn)?區(qū),氫氣則從氫氣放空管管口計(jì)算,半徑4.5 m的區(qū)域和頂部以上7.5 m的空間區(qū)域?yàn)?區(qū)。

實(shí)際上,在微小泄漏時(shí),氫氣由于分子量較小,臨界流速較高,水平擴(kuò)散到50%爆炸下限的距離大于天然氣,因此按照氫氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇4.5 m的指標(biāo)是可以滿足含氫天然氣的同類(lèi)場(chǎng)景擴(kuò)散距離要求的。在GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)(2018年版)》第5.2節(jié)條文解釋中,認(rèn)為正常操作時(shí),甲類(lèi)(包括甲烷)工藝設(shè)備周?chē)? m左右屬于可燃?xì)怏w的微小泄漏擴(kuò)散范圍,同時(shí)也進(jìn)一步指出“氫氣的水平擴(kuò)散距離一般不超過(guò)4.5 m”，這也對(duì)前述分析進(jìn)行了佐證。

綜上所述,對(duì)于含氫天然氣管道站場(chǎng)的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍,宜結(jié)合GB 50516—2010和GB 50251—2015的從嚴(yán)要求執(zhí)行。

5 結(jié)論和建議

本文基于氫氣、天然氣的介質(zhì)特性,結(jié)合工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵間距要求問(wèn)題,重點(diǎn)開(kāi)展了含氫天然氣管道站場(chǎng)區(qū)域布置防火間距、潛在影響半徑、防爆區(qū)域范圍等關(guān)鍵定量問(wèn)題的探討,得出以下結(jié)論和建議。

1)相同泄漏場(chǎng)景下,含氫天然氣的熱輻射范圍總體呈現(xiàn)隨氫氣含量升高而下降的趨勢(shì),但受初始噴射速度的影響,中、小孔泄漏下,含氫天然氣的擴(kuò)散范圍(至50%爆炸下限)隨氫氣含量升高而升高。通過(guò)深入分析現(xiàn)行的相關(guān)防火規(guī)范的間距要求,基于不同比例含氫天然氣管道泄漏后果分析,結(jié)合含氫天然氣管道工程工藝流程、運(yùn)行壓力等實(shí)際情況,推薦含氫天然氣管道工程的防火間距參考GB 50183—2004中的同規(guī)模天然氣站場(chǎng)要求執(zhí)行,對(duì)氫氣站場(chǎng)與人居場(chǎng)所、重要建筑的可參照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范進(jìn)行從嚴(yán)要求。并建議部分可由擴(kuò)散后引燃的間距范圍適當(dāng)考慮設(shè)計(jì)裕量。

2)現(xiàn)行ASME B31.12—2019的潛在影響半徑計(jì)算存在適用范圍說(shuō)明不清晰的問(wèn)題,僅適用于純氫氣體;針對(duì)含氫天然氣管道的潛在影響半徑問(wèn)題進(jìn)行了定量探討,提出了一種基于氫氣含量、操作壓力和管徑的潛在影響半徑計(jì)算方法,可對(duì)工程提供參考和借鑒。

3)含氫天然氣管道站場(chǎng)的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域劃分宜參照輸氣管道站場(chǎng)要求執(zhí)行,但需進(jìn)一步探討“通風(fēng)良好”的具體措施;對(duì)于含氫天然氣管道站場(chǎng)的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍,宜結(jié)合GB 50516—2010和GB 50251—2015的從嚴(yán)要求執(zhí)行。