天然气处理站(厂)放空系统规模的确定方法

王春燕 文韵豪 王天明 张哲 韩星

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国寰球工程公司；3.中国石油大学（北京））

我国在气田和地下储气库地面工程建设中，涉及站（厂）放空系统设计方面，多年来一直遵循全量放空的设计理念，即放空系统的设计规模等于全站（厂）的日处理规模。随着我国天然气工业的快速发展，高压、大规模的天然气处理站（厂）数量快速增加，调峰用地下储气库也在分批建设和投用，此类地下储气库一般具有“大进大出”的特点，集注站设计规模均比较大。在此背景下，如果放空系统设计规模仍然按照全量放空的理念确定，无疑会使得放空系统规模偏大，进而导致火炬与站（厂）间距偏大，占地面积偏大、工程费用偏高。因此，有必要学习国外先进技术，引进“先关断再放空”的设计理念。

1 典型放空系统设计实例

1.1 克拉2中央处理厂放空系统

2004年11月投产的克拉2中央处理厂（简称处理厂），建设规模3 000×104m3/d，建有6套500×104m3/d天然气处理装置，处理厂总占地面积为282 790m2。该处理厂放空设计采用全量放空的理念，共设置 3套火炬。其中，2套高压火炬，单套设计规模为 62.5×104m3/h，火炬公称直径为DN1000mm，高度为80m；1套低压火炬，设计规模为100m3/h，火炬公称直径为DN200mm，高度为30m。

火炬区占地面积6 840m2（不含5具分液罐），通往火炬区道路占地面积37 000m2。火炬区及道路占处理厂总用地面积的15.5%。

1.2 靖边气田第五净化厂放空系统

2013年 12月投产的靖边气田第五净化厂（简称净化厂）建设规模 900×104m3/d，建有 2套 450×104m3/d天然气处理装置。净化厂总占地面积为142 246m2。采用“先关断后放空”的设计理念，设置 1套高压放空系统、1套低压放空系统。其中，高压放空规模为20×104m3/h，高压火炬规模小于处理厂的火炬规模。高压火炬公称直径为DN650mm，高度为70m；低压放空规模为6 250m3/h，火炬公称直径为DN200mm，高度为70m。

火炬区占地2 794m2（含2具分液罐等），通往火炬区道路占地 340m2。火炬区及道路占净化厂总用地面积的2.2%。很明显净化厂放空系统比处理厂放空系统用地更加节省和有效。

1.3 地下储气库集注站放空系统

表1列出了中国石油已建6座地下储气库集注站放空系统的设计规模和站内采气处理装置的规模。除西南油气田分公司的相国寺地下储气库按照单套装置处理能力确定放空系统规模外，其余5座地下储气库均按“先关断再放空”的设计理念计算后确定放空规模，其放空系统设计规模均小于采气装置总处理规模。

表1 中国石油部分已建地下储气库高压火炬设计规模对比

2 放空系统设计

2.1 全量放空设计

克拉2中央处理厂放空火炬系统是按照全量放空设计理念设计的。2006年10月，处理厂由于放空系统自动控制出现故障，湿气管段的6套紧急放空阀同时打开，由于未设限流放空，出现了总放空速率超高情况，强大的气流冲击致使公称直径DN150mm的放空汇管撕裂，最终导致全厂停产。

为了解决放空系统存在的问题，处理厂对放空系统进行了改造。改造后，采用“关闭装置进出口、打开放空阀放空”的措施来实现装置的有效停车。同时，为了有效解决放空速率超高，采用了迷宫笼套式调节阀及旋塞阀+限流孔板方式实现受限放空，即装置在关闭进出口后，高压天然气通过可调节放空阀进入放空火炬，实现安全排放。

单纯采用全量放空的设计理念来确定放空火炬系统的设计规模是不科学的，且并不能保证放空系统和天然气处理站（厂）的运行安全。合理的做法是采取可靠措施控制放空速率，使其不超过放空系统的设计能力。

2.2 先关断后放空设计

“先关断后放空”的设计理念认为放空火炬系统的设计规模应按照天然气处理站（厂）ESD系统的设计，通过分析计算确定。

目前，天然气处理站（厂）和地下储气库集注站的ESD系统一般按照4级关断来设计：

零级关断：火灾关断，由手动关断按钮执行。此级将关断处理厂内所有生产系统，并打开自动泄放阀（BDV），实施紧急放空泄压，发出厂区报警并启动消防系统，关断火灾区动力电源。

一级关断：事故关断，由手动或自动控制执行。在天然气泄漏、仪表风及电源发生故障时进行关断。此级只关断生产系统，不进行放空。

二级关断：单元关断，在单元系统发生故障时，由手动或自动控制执行关断。此级只是关断发生故障的单元系统，不影响其他系统。对于处理厂来说，主要单元系统包括集气装置、各天然气处理装置、各凝液处理装置等，对于地下储气库来说，主要单元系统包括：注气系统、采气系统和排液系统等。

三级关断：设备关断，在设备发生故障时，由手动或自动控制执行关断。此级只关断发生故障的设备，其他设备不受影响。

在这4级关断中，零级关断是针对火灾工况采取的安全措施，紧急关断阀（ESD）关断并连锁打开自动泄放阀放空；而一级、二级、三级关断是针对异常工况采取的安全措施，ESD只进行关断而不连锁BDV放空，当系统出现超压时仍可通过安全阀（PSV）进行泄压。

经研究，天然气处理站（厂）放空系统出现最大放空速率的工况为零级关断并自动放空工况。因此，放空火炬系统设计规模应按照该工况进行计算后确定。

3 最大放空速率计算

按照天然气处理站（厂）放空时的最大放空速率确定站（厂）放空系统的设计规模。

3.1 计算方法和计算模型

天然气处理站（厂）和地下储气库集注站的最大操作压力一般都很高，国内现有规范和工具书中对高压放空水力计算尚无明确规定和计算方法。GB 50350—2005《油气集输设计规范》、GB 50251—2003《输气管道设计规范》、GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》均未给出最大处理量、管口流速、管口内侧压力确定的方法。

根据研究，高压放空管路中的气体流动具备的水力特性：一是，放空管路较短，但压降极大；二是，沿途温度、密度、流速差异大；三是，放空过程属非稳定流动，管路中任意点参数均随时间变化。处理厂放空模型示意见图1。

图1 处理厂放空模型示意

高压放空过程经历3种状态［1］：

一是，放空前期，壅塞流即超临界流状态。P1很高，P2Pa，马赫数=1。

二是，临界流状态，P2=Pa，马赫数=1。

三是，亚音速流状态，P2=Pa，马赫数＜1，直至P0=P1=P2=Pa，放空结束。

因此，以可压缩流体有摩擦绝热一维流动的范诺方程为基础进行计算［2］，但是，手工计算需要多次迭代，计算繁琐，推荐用软件模拟计算。

根据热力学第一定律，在天然气从开口系统中泄放时，存在以下关系式：

在放空的瞬间，站（厂）内天然气来不及与周围进行热交换或热交换量很小，放空天然气未对外做功，因此Q=0，W=0。公式（1）可简化为公式（2）：

根据公式（2），在放空的瞬间，放空气压力与环境压力（一般为大气压）的差值很大，放空初期泄放气量很大，放空气在瞬间膨胀为高速气流，天然气的焓转化为动能，天然气温度急剧降低，通过模拟可以达到-20℃或更低。

当天然气流过放空阀时，由于焦耳-汤姆逊效应（节流效应），天然气温度将进一步降低。节流效应温降见公式（3）：

式（3）中：Δt——天然气流过放空阀的温降，℃；j——焦耳-汤姆逊效应系数，℃/MPa；Δp——放空阀的节流压力降，MPa。

根据分析可知，全量放空过程中会产生低温及很大的噪声，在已出版的天然气工程资料中对站（厂）放空的论述较少，经初步研究认为，可采用Aspen HYSYS软件的动态模型来模拟计算站（厂）放空。模拟过程为：将站内所有管道和设备简化成一个压力容器，设置进站ESD阀门和出站ESD阀门。放空时，关闭进站ESD阀门和出站ESD阀门，打开BDV放空阀。BDV放空阀的开度可以调整，进而计算不同时间下的压力、放空速率、流速、温度等参数。

3.2 参数选取

3.2.1 泄放时间

泄放的根本目的是降低设备、管道的压力。当金属材料的温度由于火灾等原因高于设计温度时，即使系统压力没有超过最大允许操作压力，也可能发生应力破损。因此，发生火灾时需要对系统泄压以避免应力破损现象发生。

SY/T 10043—2002《泄压和减压系统指南》（等同采用API 521 1997年版）详细规定了泄压工况分析和泄放量的计算方法按照SY/T 10043—2002《泄压和减压系统指南》第3.19.1条，减压系统应有足够的处理能力，以便把容器应力降到不会立即损坏的程度。一般情况要求大约在15min内，设备内压力可以从最初的压力降到容器设计压力的50%。该准则是根据容器的壁温与对应破坏应力之间的关系而定，一般用于壁厚大于或等于25mm的容器，壁厚薄的容器通常需要更大的减压速度。在控制火灾时，适于对操作压力大于1.7MPa的设施进行减压。对所有处理轻烃的设备在 15min内将压力降到690kPa或者容器设计压力的50%（取较低值）。SY/T 10043—2002《泄压和减压系统指南》第3.19.2.1条，减压系统的蒸汽总量为系统中所有设备单项释放量总和，要考虑3种情况下的蒸汽量：一是，从火焰中吸热使液体蒸发产生蒸汽；二是，降压过程中内部蒸汽密度发生变化；三是，压力降低使液体闪蒸。

对于地下储气库集注站，注气系统设备和管道泄压速度可以按照15min内降至设计压力的50%计算；天然气处理站（厂）按照15min内降至690kPa计算，并需要考虑液烃闪蒸产生的气体。典型压力—时间曲线见图2。

图2 典型压力—时间曲线

3.2.2 初始泄放压力

天然气处理站（厂）初始泄放压力等于事故情况下站内紧急关断阀门的关断压力。

3.2.3 泄放总量和泄放速率计算

一般工况下，天然气处理站（厂）内的工艺设施通过ESD阀门分割成若干个区域，并设置若干个BDV阀门。应分别计算每个区域内工艺设备、管道内储存的天然气总量；BDV阀门打开时每个区域的放空速率。各个区域放空速率之和即为处理厂的总放空速率，以此确定放空系统设计规模。典型放空速率—时间曲线见图3。

图3 典型放空速率—时间曲线

由图3可以看出，放空初期，放空速率很大，随着时间延长压力下降，放空速率迅速降低。

因此，可以通过控制放空阀门开度，有效降低放空初期的最大放空速率。还可以通过不同放空区域的延时泄放，错开放空速率高峰，从而有效降低处理站（厂）总放空速率。通过上述措施，在保证处理站（厂）放空火炬系统可靠性和安全性的基础上，降低放空火炬系统设计规模，进而降低投资、减少占地。

4 结论

一是，应该按照天然气处理站（厂）放空最大放空速率确定放空系统的设计规模。按照全量放空的理念确定天然气处理站（厂）放空火炬系统的设计规模是不科学的，并不能确保安全。实际工程中，必须采取有效措施控制放空初期的最大放空速率，从而保证天然气处理站（厂）和地下储气库事故工况下的安全、有效放空。

二是，应结合天然气处理站（厂）ESD系统设置确定放空系统设计。按照目前天然气处理站（厂）的关断逻辑，处理站（厂）放空系统应按照“先关断再放空”的设计理念，通过分析计算确定放空火炬系统的设计规模。

三是，可采用Aspen HYSYS软件的动态模型来模拟计算天然气处理站（厂）的放空速率，并据此确定放空火炬系统的设计规模。

四是，对于装置数量多、规模大的天然气处理站（厂）或地下储气库集注站，有必要对放空系统设计进行优化，以便在保证处理站（厂）放空火炬系统可靠性和安全性的基础上，降低放空火炬系统设计规模，降低投资、减少占地。优化方法：通过控制放空阀门开度，有效降低放空初期的最大放空速率；通过不同放空区域的延时泄放，错开放空速率高峰，从而有效降低处理厂总放空速率。

[1] 叶学礼.图解法求天然气瞬时放空量[J].天然气与石油，1999，17(2)： 1-3.

[2] 叶学礼.天然气集输站场(厂)管路水力计算[J].天然气工业，1999(3)： 1-5.