天然氣設(shè)計(jì)論文：天然氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室中國(guó)石油管道公司大連輸油氣分公司
國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)外放空系統(tǒng)和放空火炬的設(shè)計(jì)普遍采用APIRP521《泄壓和降壓系統(tǒng)導(dǎo)則》和API537《通用煉油及石油化工設(shè)施火炬細(xì)則》。API/ANSISTD521-2007（ISO23257:2008（IDT））《泄壓和減壓系統(tǒng)導(dǎo)則》為分析超壓原因、確定單項(xiàng)釋放量及選擇、設(shè)計(jì)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(xì)則》規(guī)定了煉化廠和石油化工企業(yè)火炬的機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)等相關(guān)要求。其他國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)規(guī)范》、СНиП2.05.06-85《干線管道設(shè)計(jì)規(guī)范》。
國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)站截?cái)嚅y上游和出站截?cái)嚅y下游設(shè)置泄壓放空設(shè)施。輸氣干線截?cái)嚅y上下游均應(yīng)設(shè)置放空管。放空管應(yīng)能迅速放空兩截?cái)嚅y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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASMEB31.8第864.21條（c）款。而ASMEB31.8對(duì)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(hù)環(huán)境和防火安全的考慮，對(duì)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(guó)ASMEB31.8對(duì)于站場(chǎng)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?cái)嚅y上下游均應(yīng)設(shè)置放空管，因此美國(guó)管道站場(chǎng)和閥室放空基本采用在站內(nèi)由放空立管直接放空。我國(guó)在參考其制定輸氣管道的安全泄放相關(guān)條款時(shí)，要求更嚴(yán)格，要求干線截?cái)嚅y上下游均設(shè)置放空管，必然造成管道結(jié)構(gòu)更復(fù)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?cái)嚅y之間管段內(nèi)的天然氣，對(duì)于管道放空時(shí)間無具體規(guī)定，目前設(shè)計(jì)多按1012h計(jì)算，小時(shí)放空量大，導(dǎo)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(jì)規(guī)范》規(guī)定：在截?cái)嚅y之間的輸氣管段兩端，壓縮機(jī)站的接通樞紐及清管器收發(fā)站，應(yīng)設(shè)置放空管。當(dāng)輸氣管道直徑小于1000mm時(shí)，放空管至截?cái)嚅y的距離不小于15m；當(dāng)輸氣管道直徑不小于1000mm時(shí)，放空管至截?cái)嚅y的距離不小于50m。放空管的直徑，應(yīng)根據(jù)截?cái)嚅y之間的輸氣管段在1.5～2h的排空條件確定。截?cái)嚅y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(chǎng)和閥室均應(yīng)設(shè)置放空管，對(duì)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(shí)間較短，放空間距較大，但其關(guān)于放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性有待深入研究。
2防火間距
國(guó)外放空系統(tǒng)和放空火炬的設(shè)計(jì)普遍采用APIRP521和API537，根據(jù)輻射熱計(jì)算，確定火炬筒中心至必須限制輻射熱強(qiáng)度（或熱流密度）的受熱點(diǎn)之間的安全距離，但未明確規(guī)定安全距離。國(guó)內(nèi)防火間距參照APIRP521輻射熱計(jì)算確定，對(duì)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(chǎng)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(jì)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(dú)立變電所120m；距鐵路、高速公路、架空電力線路、國(guó)家Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)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(chǎng)地（如采石場(chǎng)）300m。石油天然氣站場(chǎng)的放空管，按可能攜帶可燃液體的火炬間距減少50%設(shè)計(jì)。火炬和放空管宜位于石油天然氣站場(chǎng)生產(chǎn)區(qū)最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)，且宜布置在站外地勢(shì)較高處。火炬和放空管與石油天然氣站場(chǎng)的防火間距：火炬依本規(guī)范第5.2.1條確定；當(dāng)放空量不大于1.2×104m3/h時(shí)，不應(yīng)小于10m；當(dāng)放空量為1.2×104～4×104m3/h時(shí)，不應(yīng)小于40m。一、二、三、四級(jí)石油天然氣站場(chǎng)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(qiáng)度計(jì)算確定，但火炬排放的可燃?xì)怏w中如果攜帶可燃液體時(shí)，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(jì)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(diǎn)火放空，也未明確放空量大于4×104m3/h的做法；但在實(shí)際操作中，當(dāng)放空量大于4×104m3/h時(shí)，通常采取點(diǎn)火放空處理。點(diǎn)火放空時(shí)，放空管與站場(chǎng)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(zhǔn)）和放空量，采用輻射熱計(jì)算確定。但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范未對(duì)放空時(shí)間、放空壓力等做出相應(yīng)規(guī)定，在放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，即使管徑不同、設(shè)計(jì)壓力不同，仍將放空管與閥室的間距設(shè)計(jì)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(shí)宜考慮到的危險(xiǎn)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(diǎn)火源點(diǎn)燃著火的危險(xiǎn)性；噪聲水平極限（范圍）；對(duì)飛行器運(yùn)動(dòng)的危害，特別是在近海裝置及終端附近飛行的直升機(jī)；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(jì)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(duì)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(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)；經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。GB50183－2004未明確管道放空是否采用火炬或點(diǎn)火放空，但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，輸氣站場(chǎng)均設(shè)放空管，點(diǎn)火放空；所有閥室均設(shè)放空立管，防火間距按小時(shí)放空量確定。據(jù)分析，國(guó)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(kuò)建、改線等，為可控的計(jì)劃放空，故輸氣管道閥室可以只設(shè)放空管，不點(diǎn)火。管道站場(chǎng)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(diǎn)火設(shè)施。
4放空量的確定
SH3009－2001明確了火炬總管設(shè)計(jì)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(gè)裝置同時(shí)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(chǎng)在事故狀態(tài)下或計(jì)劃內(nèi)檢修時(shí)可采用多地點(diǎn)排放，避免火炬尺寸過大。APISTD521提出：防止超壓的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)時(shí)，應(yīng)將每一泄放裝置對(duì)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(shí)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(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定均參考自國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)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(chǎng)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(guó)標(biāo)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?xì)怏w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(tái)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(tái)或建筑物頂2m以上。APISTD521-2007認(rèn)為：若將可燃?xì)怏w直接排入大氣，當(dāng)排放口速度大于150m/s時(shí)，可燃?xì)怏w與空氣迅速混合并稀釋至可燃?xì)怏w爆炸下限以下是安全的。當(dāng)將完全由蒸汽組成的烴類氣流泄放到大氣中時(shí)，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(gè)安全泄放閥通過自身放空管垂直向上排出時(shí)，可燃區(qū)域?qū)⒈幌拗圃谛狗鸥叨纫陨舷喈?dāng)有限的可確定范圍以內(nèi)。因此規(guī)定在向大氣放空可燃蒸汽的場(chǎng)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于放空管高度設(shè)置的規(guī)定更加詳細(xì)具體，基本可以滿足生產(chǎn)需求。
放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
國(guó)內(nèi)外火炬的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算，確定火炬筒中心至必須限制輻射熱強(qiáng)度（或熱流密度）的受熱點(diǎn)之間的安全距離。APIRP521規(guī)定：確定放空管系尺寸時(shí)，應(yīng)該使可能同時(shí)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(jì)示例：第一種方法是簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果。
ОНТП51-1-85規(guī)定：當(dāng)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(shí)，輸氣管段的排空時(shí)間t可由諾模圖確定。當(dāng)上述比值等于其它值時(shí)，排空時(shí)間t按下式計(jì)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(jì)算確定，火炬高度不應(yīng)小于30m。
殼牌公司根據(jù)APIRP521計(jì)算放空火炬的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)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(jì)算方法。熱輻射強(qiáng)度的可接受性取決于對(duì)人體和設(shè)備的影響，火炬筒的高度設(shè)計(jì)，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(yáng)熱輻射影響的情況下，無障礙區(qū)邊界的最大熱輻射強(qiáng)度不得超過6.3kW/m2；在不考慮太陽(yáng)熱輻射影響的情況下，在資產(chǎn)邊界的最大熱輻射強(qiáng)度不得超過3.15kW/m2。HG/T20570－95關(guān)于放空火炬的設(shè)計(jì)計(jì)算參照APIRP521提出方法的方法進(jìn)行，而SH3009－2001則使用簡(jiǎn)單逼近法計(jì)算。國(guó)內(nèi)由于針對(duì)放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、放空量計(jì)算方法、參數(shù)取值不統(tǒng)一，導(dǎo)致同樣工況下，計(jì)算結(jié)果差異較大。國(guó)外基于盡量減少放空的理念，開發(fā)了移動(dòng)式壓氣站，可將管道內(nèi)的天然氣抽取后增壓輸往截?cái)嚅y下游管道。近年來，國(guó)內(nèi)也開展了天然氣放空回收項(xiàng)目研究，而使用移動(dòng)式壓縮機(jī)對(duì)長(zhǎng)輸天然氣管道天放空然氣進(jìn)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(guó)內(nèi)外在放空管、火炬與站場(chǎng)和閥室的安全間距上均參考APIRP521根據(jù)輻射熱計(jì)算確定。但國(guó)內(nèi)針對(duì)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(chǎng)放空火炬的設(shè)計(jì)計(jì)算，國(guó)內(nèi)外均參考使用APIRP521提供的兩種方法進(jìn)行。關(guān)于放空量的計(jì)算，建議修訂國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)放空時(shí)間、放空壓力做出相應(yīng)規(guī)定，統(tǒng)一放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，明確放空量的計(jì)算方法與控制措施。
（3）根據(jù)放空量和地區(qū)特點(diǎn)，因地制宜地選擇放空方式，在滿足國(guó)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(chǎng)放空時(shí)的放空量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閥室的放空量，按目前的設(shè)計(jì)習(xí)慣，閥室的放空氣體可以直接排放，那么站場(chǎng)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(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。
