天然气净化厂放空系统设计与应用

张文超，乔光辉，张磊，刘子兵，常志波

西安长庆科技工程有限责任公司，陕西西安710018

天然气净化厂放空系统设计与应用

张文超，乔光辉，张磊，刘子兵，常志波

西安长庆科技工程有限责任公司，陕西西安710018

为做好天然气净化厂放空系统的设计工作，首先根据规范确定净化厂天然气放空量，依据放空量计算出火炬筒出口直径和火炬筒高度；同时，利用Unisim Flare软件对全厂放空系统管网进行水力计算，确定放空系统管径，利用CAESAR II软件对放空管道进行了应力分析，通过应力补偿和管道支吊架的设置减少放空管道的振动和摩擦，确定放空系统管道安装方式。该放空系统设计成果在靖边气田30亿m3/a规模的天然气净化厂的设计中采用，经现场运行，放空系统运行稳定，满足生产需要。

天然气净化厂；放空量；火炬；水力计算；管道布置

0 引言

为保证天然气净化厂安全生产，减少事故状态下排放的天然气对环境的污染，净化厂应设置火炬及放空系统[1]。根据放空气排气压力差异，天然气净化厂火炬及放空系统设置有高压放空系统和低压放空系统。高压放空系统用于净化厂及来气干线紧急事故状态下天然气的放空，低压放空系统用于工厂事故状态下低压气的放空[2-3]。本文只讨论高压放空系统的设计。

以靖边气田30亿m3/a净化规模天然气净化厂为例，该厂主体工艺包括脱硫脱水装置2套，硫磺回收装置、尾气焚烧、火炬及放空系统各1套。

放空系统的设计应首先确定天然气放空量，然后分别进行火炬筒体参数的计算、放空管网的水力计算及应力分析。

1 气体排放量的确定

当全厂站出现大面积火灾时，将启动安全仪表系统的第一级关断，截断所有进出站管道，只对站内管道和设备的气体进行放空泄压，此时的放空规模最大，决定了厂站火炬的最大泄放量和规模。

1.1 放空时间及放空压力

火灾泄压放空通常根据是否含有轻烃设置降压率，对于含轻烃的装置应满足系统压力能够在15 min内降至690 kPa或压力容器设计压力的50%，取其较低者；对于不含轻烃的装置，考虑系统压力在15 min内降至压力容器设计压力的50%[4]。

靖边气田采出气中不含凝析油、羰基硫和硫醇，因此系统压力在15 min内由5.2 MPa降至2.6 MPa。放空阀采用电动球阀+节流截止放空阀模式，正常运行时，节流截止放空阀通过开度指示仪，保证达到放空阀的泄放面积的开度，放空时利用远程控制，开启电动球阀。

1.2 放空阀泄放面积

根据壳牌DEP推荐，泄放阀泄放面积计算公式如下：

式中Av——放空阀泄放面积/m2；

B——系数，0.09；

V——系统容积/m3；

Cd——泄放系数，0.85；

t——放空时间/s；

G——气体相对密度；

z——气体压缩因子；

T——操作温度/K；

P1——泄放前压力/kPa；

P2——泄放后压力/kPa。

1.3 瞬时放空量

根据“图解法求天然气瞬时放空量[5]”，分别确定放空管路阻力因子、放空管路单位流通面积临界质量流率、放空管路实际质量流率及放空管路实际标准体积流量。

（1）放空管路阻力因子：

式中∑（fL/d）——放空管路阻力因子；

L——放空管路等效长度/m；

k——管内壁绝对粗糙度/m；

d——放空管路内径/m。

（2）放空管路单位流通面积临界质量流率：

式中m0——放空管路临界质量流率/（kg/（m2·s））；

P0——气源绝对压力/MPa；

γ——气体等熵指数，取值1.3；

M——气体摩尔质量；

R——理想气体常数，8 314.4 J/（kmol·K）；

T0——气源温度/K；

Z0——气源压缩系数。

（3）放空管路实际质量流率：

放空管路的实际质量流率m是临界质量流率m0、气源绝对压力P0和放空管路阻力因子∑（f L/d）的函数。

根据Pa/P0的比值（Pa为放空管路出口压力，可近似取环境大气压力值）和∑（f L/d）的值，查出m/m0的值，则实际质量流率：

式中m——放空管路实际质量流率/（kg/（m2·s））

（4）放空管路实际标准体积流量：

式中Q——放空管路实际标准体积流量/（m3/s）；

A——放空管路流通面积/m2；

ρ——标准状态下放空气体密度/（kg/m3）。

1.4 净化厂放空规模

净化厂内设置4个泄放区，分别为：清管集气区、1#脱硫脱水区、2#脱硫脱水区和配气区，每个区设置1个放空点。4个区的水容积、天然气余量、初始压力、结束压力和放空阀截面积等参数见表1，放空量随放空时间的变化见图1。

表1 净化厂放空规模统计表

图1 放空量随时间变化的动态模拟曲线

由表1可知，火灾工况下，净化厂厂内的总放空气量为55.46 m3/s，折合每小时流量为19.96万m3。因此，清管集气区、脱硫脱水区、配气区紧急事故状态下放空时，合计排入高压放空系统的高压放空量约为20万m3/h。

2 火炬筒体的确定

火炬筒体的计算包括火炬筒出口直径和高度两部分。

2.1 火炬筒出口直径

式中d——火炬筒出口直径/m；

W——排放气质量流速/（kg/s），本工程取0.194；

m——马赫数，高压火炬取0.5；

P——火炬筒出口内侧压力/kPa，取100.98；

T——排放气体温度（放空筒顶部内侧气体温度）/K，取422；

K——排放气体绝热系数，本工程取1.3；

M——排放气体平均分子量，本工程取17.70。

2.2 火炬筒高度

式中H——火炬筒高度/m；

τ——辐射系数；

F——辐射率；

Q——火炬释放总热量/kW；

q——允许热辐射强度/（kW/m2）；

R——受热点至火炬筒的水平距离/m；

Xc、Yc——火焰中心至火炬筒顶的水平及垂直距离/m；

h——受热点至火炬筒下地面的垂直高差/m，本工程取2。

2.3 靖边气田净化厂火炬

靖边气田净化厂高压放空量约为20万m3/h，高压火炬计算参数见表2，计算得d=0.635 7 m，H=66.72 m。

表2 火炬计算参数

从火炬中心算起，距离火炬中心10 m处，辐射热强度4.2 kW/m2，火炬高度满足“没有遮蔽物，但操作人员穿有合适的工作服，在紧急关头需要停留几分钟的区域[1]”的要求。辐射热趋势详见图2。

图2 火炬辐射热趋势

因此，靖边气田净化厂火炬筒体直径最终确定为650 mm，筒体高度确定为70 m。

3 放空系统管网水力计算

利用Unisim Flare软件，对全厂放空系统管网进行水力模拟计算[6]。

计算结果表明，各个放空点最高背压为0.336 MPa（绝压），小于安全阀最大背压0.5 MPa，系统管网完全满足放空的需要。

全厂高压放空系统工艺流程见图3。

4 放空管道布置设计

利用CAESAR II软件对放空管道进行了应力分析，表明：天然气未放空时，管道主要承受自重和介质重量等持续荷载所引起的一次应力和温度荷载所引起的二次应力；天然气放空时，管道主要承受由泄放阀排放所产生的动态应力[7]。由泄放阀排放所产生的最大动态应力集中于泄放阀后的弯头、三通等管件及管道有转角的弯头处，见图4。

根据分析结果，对放空管道的安装及支吊架设置提出以下优化建议：

（1）放空阀出口设置固定支架。

（2）厂区至火炬区放空管网优先选用水平π型弯自然补偿。

（3）除固定支架外，每个管架上的放空管道均设置导向支架或管卡。

（4）放空总管与各个装置放空支管连接处，需设置固定支架。

5 结论

（1）利用图解法求解天然气瞬时放空量，计算出30亿m3/a天然气净化厂的高压放空量约为20万m3/h。

（2）根据SH 3009-2001《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》规定，火炬筒体直径确定为DN650 mm，筒体高度确定为70 m。

（3）利用Unisim Flare模拟软件，对全厂放空系统管网进行水力计算，结果表明系统管网完全满足放空的需要。

（4）通过设置水平π型弯、管卡和固定支架，减小了放空管道的振动和摩擦，靖边气田净化厂的应用实践表明，效果良好。

图3 全厂高压放空系统工艺流程示意

图4 管道泄放阀和π型补偿结构模拟示意

[1]GB 50183-2004，石油天然气工程设计防火规范[S].

[2]刘子兵，陈小峰，薛岗，等.长庆气田天然气集输及净化处理工艺技术[J].石油工程建设，2013，39（5）：54-60.

[3]潘越，刘俊莲.天然气净化系统吹扫和压力试验工艺[J].石油工程建设，2005，31（4）：33-37.

[4]SY/T10043-2002，卸压和减压系统指南[S].

[5]石油和化工工程设计工作手册编委会.石油和化工工程设计工作手册第五册输气管道工程设计[M].山东东营:中国石油大学出版社，2010.

[6]薛茂梅，系文杰，曹枫，等.ASPEN在火炬排放系统设计的应用[J].广州化工，2010，38（6）:203-204.

[7]署恒木，魏升龙，杨远，等.天然气处理厂放空火炬系统的稳定性分析[J].中国石油大学学报（自然科学版），2013，37（1）:114-118.

Design and Application ofVenting System ofNaturalGas Purification Plant

Zhang Wenchao，Qiao Guanghui，Zhang Lei，Liu Zibing，Chang Zhibo
Xi’an Changqing Technology Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China

In the design of venting system of natural gas purification plant，the natural gas venting rate need determining according to relevant standard at first，and the flare cylinder diameter and height are calculated based on the rate of venting gas.Meanwhile，the sofeware Unisim Flare is utilized for hydraulic calculation of whole plant vent system pipeline network to determine the diameter of the venting system，and the software CAESAR II is used for venting pipe stress analysis to reduce vibration and friction of the venting pipeline by stress compensation and setting pipe hangers and supports，so as to determine venting system pipeline installation way.The result of venting system design is used in the design of 30×108m3/a Natural Gas Purification Plant Project of Jingbian Gas Field.The field operation shows that the venting system runs stably and meets production needs.

naturalgas purification plant；venting rate；flare；hydraulic calculation；pipeline layout

图片报道：靖边气田第二天然气净化厂放空火炬

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.007

张文超（1983-），男，河北邢台人，工程师，2005年毕业于西安石油大学化学工程与工艺专业，主要从事天然气处理和净化的设计及科研工作。

2013-12-21；

2014-06-10