天然气管道放空系统防火间距计算研究

2020-12-25徐胜军郄晓敏

石油工程建设 2020年6期

关键词：热辐射站场立管

岳伟，王璐，徐胜军，杨婧，郄晓敏，吴颖

1.华北油田公司储气库管理处，河北廊坊 065000

2.华北石油管理局有限公司江苏储气库分公司，江苏镇江 212000

3.中国石油华北油田公司二连分公司，内蒙古锡林浩特 026000

4.中国石油华北油田公司第一采油厂，河北任丘 062552

随着国民经济的增长，我国建设了大量的输气管道，当站场设备维检修或出现进出站超压时，需要对站场内设备和管路内的气体进行放空；当阀室间的管道出现故障或意外时，需要对两阀室之间的管道气进行放空[1-3]。放空作业主要是通过放空立管和放空点火装置完成，按照是否点火分为冷放空和热放空。

目前，我国与放空系统相关的规范主要有GB 50251—2014《输气管道工程设计规范》[4]和 GB 50183—2004《石油天然气防火设计规范》[5]，GB 50251对放空系统的总体设计原则进行了规定，GB 50183对放空系统的防火间距、总平面布置、高度、管径计算等进行了更为详细的规定。GB 50183中指出，当放空管放空量≤1.2×104m3/h时，放空管与站场之间的防火间距不应小于10 m，当1.2×104m3/h＜放空量≤4×104m3/h时，防火间距不应小于40 m；火炬的防火间距应根据热辐射计算确定，对可能携带可燃液体的高架火炬与站内储罐和设备的间距不应小于90 m[6-7]。随着我国西气东输、川气东送、中缅天然气管道、中亚天然气管道等一系列大型工程的实施，无论是计划放空还是事故放空，管道的瞬时放空量已大幅提升，规范中没有给出放空量大于4×104m3/h的放空规定，工程经验通常直接选择间距80 m以上，对火炬放空的防火间距规定也较为粗糙，如按照上述标准进行设计，会导致输气站场和线路阀室的占地面积大、投资高、征地困难等问题，严重制约管道的建设工期[8]。因此，采用挪威船级社的DNV PHAST软件分别对冷放空和热放空两种方式进行模拟计算，确定不同影响因素下的气体泄漏扩散和热辐射范围，从而确定放空立管与站场的防火间距。

1 数学模型

放空过程属于非稳态流动问题，在此采用UDM模型模拟可燃气体连续释放的扩散过程，UDM模型中包含了如Gaiss、BM、P-G等多种模型，可绘制不同气体体积分数下的扩散云图，对顺风和垂直方向上的气体扩散进行定量分析。UDM模型假设气体不发生卷吸作用、扩散中与空气中的介质不发生化学反应、气体在碰撞地面时完全反弹，模型公式如下：

式中：ρ（x，y，z）为气体质量浓度，kg/m3；x为顺风风向距离，m；y为垂直风向距离，m；z为水平方向到云团中心线的距离，m；ρO为云团中心线气体的质量浓度，kg/m3；Fh（y）为气体在垂直方向上的质量浓度分布；Fv（z）为气体在水平方向上的质量浓度分布；Ry、Rz为扩散系数，无量纲；m、n为常数。

热辐射强度参照API RP521《泄压和减压系统导则》进行计算，确定热放空中火炬中心与受热点之间的热辐射强度，假设热量集中在火焰的中心位置，并由此向外辐射热量，则目标接收到的热辐射通量为：

式中：I为目标可接受到的热辐射通量，kW/m2；T为大气传递系数，无量纲；Q为火焰的热释放速率，kW；R为目标距离火焰中心点的距离，m。

2 防火间距选取原则

GB 50183中规定，排放设施中可燃气体限制区域应满足气体浓度的要求，当冷放空中气体扩散到爆炸下限（LFL）的一半以上时，依然有发生闪火和闪燃的风险，因此取0.5 LFL作为气体扩散浓度的边界距离。即冷放空时，放空立管与站场的防火间距应大于0.5 LFL时的最远顺风扩散距离。

为了保证站场内人员活动及周边设施的安全，API RP521（见表1）和国家质检总局的《安全评价》（见表2）中对操作人员允许的热辐射强度进行了规定。综合考虑，选取4.75 kW/m2的热辐射强度作为热放空时的边界距离，在放空前，首先对该放空半径内的人员和牲畜进行驱离，在该区域内没有遮蔽物，要求操作人员穿着合适的防护工作服，可以在紧要关头停留几分钟，但受热辐射20 s以上感觉疼痛。即热放空时，放空立管与站场的防火间距应大于4.75 kW/m2热辐射强度时的最远顺风扩散距离。

表1 API RP521中允许的热辐射强度[9]

表2 《安全评价》中不同强度的热辐射造成的损害[10]

3 模拟计算

3.1 基本参数

经研究表明，影响气体扩散的因素有初始放空压力、风速、大气稳定度、大气湿度、放空量等，其中大气稳定度和湿度对气体扩散云团的形成影响较小，天然气管道在放空前会采取降压或节流措施，在下游有压气站时利用下游压缩机抽气降压，在下游无压气站时利用分输站尽量减少管内放空量，一般初始放空压力为5～6 MPa，故主要模拟不同风速和放空量条件下气体扩散、燃烧热辐射的影响范围和强度，这也直接影响放空立管与站场之间的防火间距。

以某压气站为例，放空管线和放空立管管道规格均为D508 mm×17.5 mm，放空管线长度100 m，放空立管高20 m，初始放空压力为5 MPa，定义为瞬时泄放，立管出口按照站场发生事故时紧急放空，气体全部排出，马赫数不超过0.5计算。通过调取该地区的气象资料，大气相对湿度设定为55%，风速分别选择1、5、10、15、20 m/s进行模拟，放空量选择5×104、10×104、20×104m3/h进行模拟，大气稳定度为D级。气源组分（摩尔分数）为：97.26% CH4、1.51% N2、0.25% CO2，0.98% H2，选择PR状态方程进行混合，得到气源的爆炸上限为17.9%、爆炸下限为4.4%，0.5LFL为2.2%。

3.2 冷放空

对不同风速和放空量条件下的气体扩散范围进行模拟，如图1所示。

图1 不同风速和放空量条件下的气体扩散范围

结果表明，当放空量相同时，随着风速的增加，气体的湍流作用逐渐加强，在立管出口处的喷射惯性力逐渐减小，低风速时，气体向垂直方向扩散，高风速时，气体向水平方向扩散，且风速越大，水平方向的扩散范围越大；当风速相同时，随着放空量的增加，气体的扩散区域加大，气体在水平方向的扩散范围增大。以放空量20×104m3/h为例，风速1 m/s时，浓度为0.5 LFL的最远顺风扩散距离为16.1 m；风速5 m/s时，浓度为0.5 LFL的最远顺风扩散距离为23.2 m；风速10 m/s时，浓度为0.5 LFL的最远顺风扩散距离为27.1 m；风速15 m/s时，浓度为0.5 LFL的最远顺风扩散距离为28.8 m；风速20 m/s时，浓度为0.5 LFL的最远顺风扩散距离为29.6 m。即当天然气冷放空时，风速为1、5、10、15、20 m/s的防火间距应分别大于 16.1、23.2、27.1、28.8、29.6 m。

为了直观显示风速和放空量对0.5 LFL顺风扩散距离的影响程度，绘制了随风速变化的顺风扩散距离曲线，如图2所示。

图2 风速和放空量对0.5 LFL顺风扩散距离的影响

风速对扩散距离的影响程度随风速的增加逐渐减小，当风速大于15 m/s以后，风速的增加对于扩散距离的影响不大。这是由于风速增加，有利于可燃气体扩散和空气迅速混合，但总体的放空量是一定的，且风速越大稀释作用越强，对云团产生剪切作用，当立管出口的马赫数达到最大值时，扩散距离不再明显增加。

3.3 热放空

天然气在立管出口被点燃后，形成喷射火，其危害形式主要以火焰的热辐射强度进行衡量。对不同风速和放空量条件下地面所能接受到的热辐射强度进行模拟，如图3所示。

结果表明：当顺风距离相同时，风速越大热辐射强度越大；随着顺风距离的增加，热辐射强度呈先增大后减小的抛物线趋势，并存在一个热辐射强度峰值点。以放空量20×104m3/h为例，风速1 m/s时，距离放空立管24.7m处的热辐射强度最大，为3.37 kW/m2，未达到边界限制4.75 kW/m2；风速5 m/s时，4.75 kW/m2热辐射强度时的最远顺风扩散距离为44.4 m；风速10 m/s时，4.75 kW/m2热辐射强度的最远顺风扩散距离为54.7 m；风速15 m/s时，4.75 kW/m2热辐射强度时的最远顺风扩散距离61.1 m；风速20 m/s时，4.75 kW/m2热辐射强度时的最远顺风扩散距离66.9 m。即当天然气热放空时，风速选择1 m/s的防火间距可不作限制，风速5、10、15、20 m/s的防火间距应分别大于44.4、54.7、61.1、66.9 m，但均小于GB 50183中规定的90 m间距。

图3 不同风速和放空量条件下热辐射范围

综合对比冷放空和热放空的工况，当风速较小时，采用热放空时的防火间距可不作限制，当风速较大时，采用热放空时的防火间距远大于冷放空，此时应考虑采用冷放空，将防火间距控制在最小。在此，定义一个临界风速作为选取放空作业方式的原则，通过大量模拟试算，放空量为5×104m3/h时，常年平均风速＜7.5 m/s采用热放空，常年平均风速≥7.5 m/s采用冷放空；放空量为10×104m3/h时，风速＜5m/s采用热放空，风速≥5m/s采用冷放空；放空量为20×104m3/h时，风速＜3.5m/s采用热放空，风速≥3.5 m/s采用冷放空。