天然氣設(shè)計論文：天然氣系統(tǒng)標準策劃研討范文
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作者：趙晉云周興濤劉冰鄭娟馬偉平單位：中國石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國家工程實驗室中國石油管道公司大連輸油氣分公司
國外標準
國外放空系統(tǒng)和放空火炬的設(shè)計普遍采用APIRP521《泄壓和降壓系統(tǒng)導則》和API537《通用煉油及石油化工設(shè)施火炬細則》。API/ANSISTD521-2007（ISO23257:2008（IDT））《泄壓和減壓系統(tǒng)導則》為分析超壓原因、確定單項釋放量及選擇、設(shè)計火炬和放空塔等處理系統(tǒng)提供指南。API/ANSISTD537-2008（ISO24257:2008（IDT））《通用煉油及石油化工設(shè)施火炬細則》規(guī)定了煉化廠和石油化工企業(yè)火炬的機械設(shè)計、運行和維護等相關(guān)要求。其他國外相關(guān)標準有：ASMEB31.8-2010《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》、DEP80.45.10.10-Gen《壓力泄放、緊急泄壓、火炬和放空系統(tǒng)》、CSAZ662-2007《油氣管道系統(tǒng)》、ISO13623-2009《石油和天然氣工業(yè)-管道輸送系統(tǒng)》、ОНТП51-1-85《干線輸氣管道工藝設(shè)計規(guī)范》、СНиП2.05.06-85《干線管道設(shè)計規(guī)范》。
國內(nèi)外標準差異分析
1放空系統(tǒng)的設(shè)置
GB50251－2003明確規(guī)定輸氣站應(yīng)在進站截斷閥上游和出站截斷閥下游設(shè)置泄壓放空設(shè)施。輸氣干線截斷閥上下游均應(yīng)設(shè)置放空管。放空管應(yīng)能迅速放空兩截斷閥之間管段內(nèi)的氣體。放空閥之間與放空管直徑應(yīng)相等。該規(guī)定參考自美國國家標準ASMEB31.8第864.21條（c）款。而ASMEB31.8對于該條款的規(guī)定為：輸氣干線應(yīng)安裝排放閥，以便位于主閥門之間的每段管道均能放空，為使管道放空而配置的連接管的尺寸和能力，應(yīng)能在緊急情況下使管段盡快放空；在輸氣站內(nèi)，基于保護環(huán)境和防火安全的考慮，對泄壓放空氣體一般不就地排放，均引入同等壓力的放空管道并送至輸氣站以外的放空豎管放空。可見，美國ASMEB31.8對于站場和閥室放空系統(tǒng)的設(shè)置僅給出了原則性規(guī)定，并未規(guī)定在輸氣干線截斷閥上下游均應(yīng)設(shè)置放空管，因此美國管道站場和閥室放空基本采用在站內(nèi)由放空立管直接放空。我國在參考其制定輸氣管道的安全泄放相關(guān)條款時，要求更嚴格，要求干線截斷閥上下游均設(shè)置放空管，必然造成管道結(jié)構(gòu)更復雜和投資成本更大。
此外，GB50251－2003只提到放空管應(yīng)能迅速放空兩截斷閥之間管段內(nèi)的天然氣，對于管道放空時間無具體規(guī)定，目前設(shè)計多按1012h計算，小時放空量大，導致噪音大，容易使周圍群眾產(chǎn)生恐慌。俄羅斯СНиП2.05.06-85《干線管道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：在截斷閥之間的輸氣管段兩端，壓縮機站的接通樞紐及清管器收發(fā)站，應(yīng)設(shè)置放空管。當輸氣管道直徑小于1000mm時，放空管至截斷閥的距離不小于15m；當輸氣管道直徑不小于1000mm時，放空管至截斷閥的距離不小于50m。放空管的直徑，應(yīng)根據(jù)截斷閥之間的輸氣管段在1.5～2h的排空條件確定。截斷閥和放空管至不屬于輸氣管道的建筑物的距離不小于300m。該規(guī)范要求站場和閥室均應(yīng)設(shè)置放空管，對放空立管的設(shè)置規(guī)定了明確的間距和高度要求，其放空時間較短，放空間距較大，但其關(guān)于放空系統(tǒng)設(shè)計的合理性有待深入研究。
2防火間距
國外放空系統(tǒng)和放空火炬的設(shè)計普遍采用APIRP521和API537，根據(jù)輻射熱計算，確定火炬筒中心至必須限制輻射熱強度（或熱流密度）的受熱點之間的安全距離，但未明確規(guī)定安全距離。國內(nèi)防火間距參照APIRP521輻射熱計算確定，對于可能攜帶可燃性液體的高架火炬，還規(guī)定了最小防火間距。GB50183－2004規(guī)定了石油天然氣站場與周圍居住區(qū)、相鄰工礦企業(yè)、交通線等的防火間距，火炬的防火間距應(yīng)經(jīng)輻射熱計算確定。可能攜帶可燃液體的高架火炬與外部設(shè)施的防火間距：距人口密度大于100人的居民區(qū)、村鎮(zhèn)、公共福利設(shè)施、相鄰廠礦企業(yè)、100人以下散居房屋、35kV及以上獨立變電所120m；距鐵路、高速公路、架空電力線路、國家Ⅰ級和Ⅱ級架空通信線80m；距一般公路、一般架空通信線60m，距爆破作業(yè)場地（如采石場）300m。石油天然氣站場的放空管，按可能攜帶可燃液體的火炬間距減少50%設(shè)計。火炬和放空管宜位于石油天然氣站場生產(chǎn)區(qū)最小頻率風向的上風側(cè)，且宜布置在站外地勢較高處。火炬和放空管與石油天然氣站場的防火間距：火炬依本規(guī)范第5.2.1條確定；當放空量不大于1.2×104m3/h時，不應(yīng)小于10m；當放空量為1.2×104～4×104m3/h時，不應(yīng)小于40m。一、二、三、四級石油天然氣站場內(nèi)總平面布置的防火間距除另有規(guī)定外，應(yīng)不小于該規(guī)范中表5.2.1的規(guī)定。火炬的防火間距一般根據(jù)人或設(shè)備允許的最大輻射熱強度計算確定，但火炬排放的可燃氣體中如果攜帶可燃液體時，可能因不完全燃燒而產(chǎn)生火雨，其灑落范圍為60～90m，而經(jīng)輻射熱計算確定的防火間距可能比此范圍小。GB50183－2004明確規(guī)定了最小防火間距，未明確管道放空是否采用火炬或點火放空，也未明確放空量大于4×104m3/h的做法；但在實際操作中，當放空量大于4×104m3/h時，通常采取點火放空處理。點火放空時，放空管與站場和周圍建筑物的間距、放空管直徑，根據(jù)放空速率（以馬赫數(shù)為基準）和放空量，采用輻射熱計算確定。但現(xiàn)行標準規(guī)范未對放空時間、放空壓力等做出相應(yīng)規(guī)定，在放空系統(tǒng)設(shè)計過程中，即使管徑不同、設(shè)計壓力不同，仍將放空管與閥室的間距設(shè)計為40m，占地面積和投資較大。
3選擇放空系統(tǒng)和火炬需要考慮的因素
ISO13623-2009明確規(guī)定選擇放空或火炬系統(tǒng)時宜考慮到的危險及約束條件有：放空氣體的窒息效應(yīng)；放空氣體被雜散電流、靜電或其它潛在點火源點燃著火的危險性；噪聲水平極限（范圍）；對飛行器運動的危害，特別是在近海裝置及終端附近飛行的直升機；水合物的形成；閥門凍結(jié)；鋼管的脆性斷裂效應(yīng)。殼牌公司在工程設(shè)計文件shellDEP80.45.10.10-Gen《壓力泄放，緊急泄壓，火炬和放空系統(tǒng)》也提出了選取放空系統(tǒng)或火炬需要考慮的因素：對環(huán)境的影響；處理系統(tǒng)的安全性和完整性，考慮介質(zhì)是否包含不可燃成分；當?shù)胤煞ㄒ?guī)；經(jīng)濟評價。GB50183－2004未明確管道放空是否采用火炬或點火放空，但在實際設(shè)計時，輸氣站場均設(shè)放空管，點火放空；所有閥室均設(shè)放空立管，防火間距按小時放空量確定。據(jù)分析，國內(nèi)輸氣管道事故放空的頻率非常低，管道線路放空通常因改擴建、改線等，為可控的計劃放空，故輸氣管道閥室可以只設(shè)放空管，不點火。管道站場放空系統(tǒng)執(zhí)行站內(nèi)檢修和緊急放空功能，屬于小概率事件，放空量小，放空立管可不設(shè)點火設(shè)施。
4放空量的確定
SH3009－2001明確了火炬總管設(shè)計排放量的求取方法：選取系統(tǒng)內(nèi)最大排放裝置的一次最大排放量和同一事故中幾個裝置同時泄放的排放量總和中的較大值。排放氣體的質(zhì)量流量應(yīng)選取最大排放量，但也應(yīng)該考慮到現(xiàn)場在事故狀態(tài)下或計劃內(nèi)檢修時可采用多地點排放，避免火炬尺寸過大。APISTD521提出：防止超壓的設(shè)計首先需要考慮可能引起超壓的各種事故，然后根據(jù)產(chǎn)生壓力的大小分析此時必須的泄放流量。不同原因引起超壓的設(shè)備及大小都是不同的，設(shè)計時，應(yīng)將每一泄放裝置對應(yīng)每種事故，以列表的形式羅列最大泄放量，并將可能同時發(fā)生事故的泄放量疊加，找出極端值。需要特別注意最大載荷不是最大流量的概念，它包括流量、溫度、介質(zhì)物理性質(zhì)等，是最大流量壓頭損失的概念。國內(nèi)標準相關(guān)規(guī)定均參考自國外相關(guān)標準，國內(nèi)外關(guān)于超壓放空量的確定原則大致相同。
5排氣筒、放空管的高度設(shè)置
GB50251－2003規(guī)定輸氣站場的放空豎管應(yīng)設(shè)在圍墻以外，其高度及與站外及其它構(gòu)筑物的距離應(yīng)符合國標GB50183－2004的規(guī)定：比附近建（構(gòu)）筑物高出2m以上，且總高度不應(yīng)小于10m。向大氣排放的可燃氣體排氣筒、放空管的高度，GB50160－2008和GB50183－2004規(guī)定有所不同（表1），GB50160－2008規(guī)定其應(yīng)高出20m/10m范圍內(nèi)的平臺或建筑物頂3.5m以上，GB50183－2004規(guī)定其應(yīng)高出20m/10m范圍內(nèi)的平臺或建筑物頂2m以上。APISTD521-2007認為：若將可燃氣體直接排入大氣，當排放口速度大于150m/s時，可燃氣體與空氣迅速混合并稀釋至可燃氣體爆炸下限以下是安全的。當將完全由蒸汽組成的烴類氣流泄放到大氣中時，因蒸汽與空氣混合形成的可燃混合物將不可避免地出現(xiàn)在出口下游；多數(shù)情況下，單個安全泄放閥通過自身放空管垂直向上排出時，可燃區(qū)域?qū)⒈幌拗圃谛狗鸥叨纫陨舷喈斢邢薜目纱_定范圍以內(nèi)。因此規(guī)定在向大氣放空可燃蒸汽的場合，放空出口應(yīng)該比鄰近設(shè)備、樓房、煙囪或其他結(jié)構(gòu)物高出約3m。綜上可見，我國標準關(guān)于放空管高度設(shè)置的規(guī)定更加詳細具體，基本可以滿足生產(chǎn)需求。
放空系統(tǒng)的設(shè)計計算
國內(nèi)外火炬的設(shè)計計算參考APIRP521的做法，包括確定火炬筒直徑、高度，根據(jù)輻射熱計算，確定火炬筒中心至必須限制輻射熱強度（或熱流密度）的受熱點之間的安全距離。APIRP521規(guī)定：確定放空管系尺寸時，應(yīng)該使可能同時泄放的各安全閥后的累積回壓限制在該安全閥定壓的10％左右。APISTD521附錄C給出了完整的根據(jù)輻射效應(yīng)確定火炬筒尺寸的設(shè)計示例：第一種方法是簡單逼近方法；第二種是Brzus-towski和Sommer方法。兩種方法的差別在于選擇的火焰中心位置不同，而火炬中心位置的選擇將影響到火焰高度的計算結(jié)果。
ОНТП51-1-85規(guī)定：當放氣管閥門工作截面面積與放氣管截面面積的比值m＝1時，輸氣管段的排空時間t可由諾模圖確定。當上述比值等于其它值時，排空時間t按下式計算：火炬系統(tǒng)中容許的壓力損失應(yīng)取0.1MPa，火炬直徑應(yīng)按氣體排入大氣的最大允許流速（80m/s，但不能大于0.3馬赫數(shù)）確定，火炬高度應(yīng)根據(jù)50m距離以上（火炬圍欄線以上）允許的熱流表面密度（不應(yīng)超過7000W/m2）計算確定，火炬高度不應(yīng)小于30m。
殼牌公司根據(jù)APIRP521計算放空火炬的設(shè)計參數(shù)，計算結(jié)果很大程度上取決于熱輻射系數(shù)F。F取決于燒嘴的形狀，制造商有自己的計算方法。熱輻射強度的可接受性取決于對人體和設(shè)備的影響，火炬筒的高度設(shè)計，除了需要考慮地形和氣象條件，還應(yīng)符合下列要求：無障礙區(qū)半徑60m；在不考慮太陽熱輻射影響的情況下，無障礙區(qū)邊界的最大熱輻射強度不得超過6.3kW/m2；在不考慮太陽熱輻射影響的情況下，在資產(chǎn)邊界的最大熱輻射強度不得超過3.15kW/m2。HG/T20570－95關(guān)于放空火炬的設(shè)計計算參照APIRP521提出方法的方法進行，而SH3009－2001則使用簡單逼近法計算。國內(nèi)由于針對放空系統(tǒng)的設(shè)計理念、放空量計算方法、參數(shù)取值不統(tǒng)一，導致同樣工況下，計算結(jié)果差異較大。國外基于盡量減少放空的理念，開發(fā)了移動式壓氣站，可將管道內(nèi)的天然氣抽取后增壓輸往截斷閥下游管道。近年來，國內(nèi)也開展了天然氣放空回收項目研究，而使用移動式壓縮機對長輸天然氣管道天放空然氣進行回收則需要開展相關(guān)調(diào)研和研究。
結(jié)論與建議
（1）GB50183－2004和GB50251－2003有關(guān)火炬放空條款主要參考APIRP521和ASMEB31.8制定，國內(nèi)外在放空管、火炬與站場和閥室的安全間距上均參考APIRP521根據(jù)輻射熱計算確定。但國內(nèi)針對可能攜帶可燃性液體的火炬，還規(guī)定了滿足最小防火間距的要求。
（2）站場放空火炬的設(shè)計計算，國內(nèi)外均參考使用APIRP521提供的兩種方法進行。關(guān)于放空量的計算，建議修訂國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范，對放空時間、放空壓力做出相應(yīng)規(guī)定，統(tǒng)一放空系統(tǒng)設(shè)計理念，明確放空量的計算方法與控制措施。
（3）根據(jù)放空量和地區(qū)特點，因地制宜地選擇放空方式，在滿足國家和地方法律、法規(guī)的前提下，建議盡量采用放空立管，減少放空火炬。站場放空時的放空量遠遠小于閥室的放空量，按目前的設(shè)計習慣，閥室的放空氣體可以直接排放，那么站場的放空氣體直接排放應(yīng)該是符合相關(guān)規(guī)范要求的。
（4）建議跟蹤API/ANSISTD521-2007（ISO23257:2008（IDT））和API/ANSISTD537-2008（ISO24257:2008（IDT）），同步更新國內(nèi)標準。
