大口径、高压力输气管道放空系统泄放后果分析及改进建议

李育天 姬忠礼 于 阳 张文花

近年来，我国输气管道向着大口径、高压力、高钢级的发展方向又迈进了一步[1-2]。高规格输气管道的选用在提高管道输送能力、降低建设投资和运行费用的同时，也给输气管道放空系统带来了新的挑战。

在输气管道的投产及运行中，若遇突发事故或因工艺改造需通过阀室或站场的放空系统将管段内的天然气释放到大气中[3]。目前，我国输气管道放空系统设计的相关规范[4-6]适用范围较为宽泛，对于不同直径和压力等级的输气管道，并未根据放空的影响后果进行有区别的规定。国内外众多专家学者对输气管道放空时间、扩散过程、热辐射强度等众多后果进行了细致研究[7]，但未见将放空影响后果与管道直径和压力进行关联性研究。为此，以处于管道建设技术前沿的大孔径、高压力输气管道为例，对输气管道的放空过程及后果进行了研究分析，并与其他4种规格的管道进行了对比分析。

1 高规格管道对放空系统的影响

为了掌握不同压力等级和不同管径的输气管道对管道放空系统的影响，将针对管径为1 422 mm且设计压力为12.0 MPa的管道、管径为1 219 mm且设计压力为10.0 MPa的管道、管径为1 016 mm且设计压力为8.0 MPa的管道、管径为813 mm且设计压力为8.0 MPa的管道，以及管径为610 mm且设计压力为6.3 MPa的管道展开研究。

1.1 管道规格对放空量的影响

相比输气干线相邻阀室之间的管段，站场内部管段的容量及管存量都要小得多[8]，干线管段的放空结果，可以一定程度地反映站场的放空规律。为此，以相邻阀室之间的干线管段为代表，计算不同地区、不同管道内径（Din）管段的管容积（V）和管存量（V′）（管内天然气温度为20 ℃），结果如表1所示。

由表1可见，从方案1到方案5，即随着管道规格的升级，对应管道的容积和管存量都显著增大。以二类地区为例，不同规格管道的管容和管存量变化如图1所示。由图1可知，随着管道规格的升级（即管道压力和管径的提高），需要放空的管存量呈指数关系增加。因此在放空时长相等的约束下，对放空系统提出了更高的要求。

1.2 管道规格对泄放速率的影响

根据《石油天然气工程设计防火规范》和《卸压和减压系统指南》等规范，一般要求12 h内将天然气管道内的压力放空至接近环境压力。条件允许情况下，为了减少放空时的天然气损失，减轻放空过程对周围环境的影响，管道初始放空时刻的压力都接近下游压缩机入口最低压力或下游用户最低需求压力[9-10]。为便于对比分析，取各方案中管道设计压力的一半作为该管道初始放空压力，并假定放空初始天然气温度为20 ℃。分别采用均匀速率放空和三段式放空方式，计算不同方式下的泄放速率。其中，均匀速率放空是指在放空过程中实时调整放空阀开度，使得泄放速率基本维持不变的放空方式[11]。三段式放空是指在放空开始时刻及中间两个时刻分别调整放空阀开度的放空方式[12]。图2对比了均匀速率放空和三段式放空泄放速率的差异，表2列出了不同管道方案的均匀速率放空的泄放速率和三段式放空的最大泄放速率。

表1 不同管道方案的管道容积和放空量统计表

图1 不同方案下的管段容积和管存量关系图

由图2可知，工程上常用的三段式放空方式，其最大泄放速率差不多为平均泄放速率的2倍，以此为基础测算的放空后果相比更为保守。从表2可以看出，随着管道规格的升级，当采用均匀速率放空时，平均泄放速率与初始管存量近似呈正比关系；当采用三段式放空方式时，最大泄放速率的增长率大于初始管存量的增长率。

图2 均匀速率放空和三段式放空的泄放速率对比图

1.3 管道规格对放空马赫数和噪声的影响

当天然气通过放空立管直接喷射到大气环境中时，高速喷射的天然气流与空气发生剧烈摩擦，产生巨大高频噪声，并对周围人员和动物产生伤害[13]。针对三段式放空方式，采用FLARENET软件对最大泄放速率、最低泄放温度下放空立管管口（立管直径为406 mm，高度为20 m）处的流速、马赫数和噪声进行仿真计算，结果如表3所示。

通过仿真计算可以看出，随着管道规格的升级，天然气流速与最大泄放速率近似呈正比。特别是方案5中管道对应的天然气马赫数及喷射噪声数值较高，据此推断其产生的不利影响将显著高于其他方案产生的影响。

表2 不同管道方案的泄放速率表

表3 不同管道方案的马赫数和噪声统计表

1.4 管道规格对可燃气体扩散半径的影响

天然气通过放空立管喷射到大气环境以后，立即与周围空气产生掺混合扩散，天然气浓度在扩散过程中逐渐降低。扩散过程中当环境中甲烷的摩尔分数介于4.4%～16.5%（即介于天然气的爆炸极限范围）时，会在点火源的作用下发生爆燃事故。为了避免此类事故发生，一般根据爆炸下限浓度的1/2（即甲烷的摩尔分数为2.2%）处的位置确定天然气的安全扩散半径[14-15]。针对三段式放空方式，采用PHAST软件对不同方案最大泄放速率和最低泄放温度下（最恶劣工况）的天然气扩散工况进行仿真（火炬口直径为406 mm，高度为20 m，环境风速为20 m/s，环境温度为10 ℃），统计各方案对应的爆炸下限半径及安全扩散半径，结果如表4所示。

由表4可知，随着管道规格的升级，对应的爆炸下限半径先增大，后逐渐变小。为了方便不同方案的对比，选用的放空立管直径相同，方案5的泄放速率最高，天然气从管口垂直向上的流速越高，迎风面越大，与空气对流扩散面积越大，天然气浓度下降越快，安全扩散半径并不是最大的。反之，方案1的泄放速率较小，天然气从立管口喷射的流速最小，迎风面最小，因此安全扩散半径并不是最小的。说明立管放空时的天然气安全扩散半径与立管直径和管口天然气流速相关，不与泄放速率呈正相关关系。

此外对比图2，可以看出每小时天然气泄放速率的变化较小，而天然气离开立管口到扩散完成的时间极短（只有几十秒），低浓度的天然气在风力和重力作用下向远离立管的方向扩散，不产生堆积效应，因此采用稳态的泄放速率作为基础，进行天然气扩散的仿真是合理的。

1.5 管道规格对热辐射半径的影响

1.2 ～1.4节讨论了立管放空模式下的后果因素分析。若采用热火炬燃烧的方式处理放空天然气，则火炬在燃烧过程中向周围环境释放大量的辐射热，对周围人员、设备和环境将造成一定程度的伤害。规范一般将4.73 kW/m2作为人员可以短时间安全工作的辐射强度，安全辐射强度到放空火炬的最远距离作为安全热辐射半径[16]。针对三段式放空方式，运用PHAST软件对不同方案三段式放空最大泄放速率、最低泄放温度下安全热辐射半径进行了仿真，结果如表5所示。

由表5可见，随着管道规格的升级，最大泄放速率显著提升，对应的安全热辐射半径不断增大。主要原因是随着泄放速率与质量流量的增加，更多的天然气燃烧，辐射源的温度和面积都显著增加，对地表造成的热辐射强度显著提高，安全热辐射半径也显著增加。

1.6 各方案后果对比

为了综合对比管径和压力对主要放空结果的影响情况，将方案1中的各项参数作为基准，记为100%，计算其他方案中各项参数的相对百分数，结果如表6所示。

从表6可以看出，对于三段放空模式，随着管道规格的升级，管道放空时产生的不利后果因素总体呈增加趋势，特别是放空时的平均泄放速率、马赫数和安全热辐射半径，分别增加了1 250%、1 250%和313%。值得注意的是，若采取立管放空的方式，天然气安全扩散半径变化不显著；而若采取热排放的方式，安全热辐射半径呈上升趋势，整体天然气安全扩散半径显著小于安全热辐射半径。

表4 不同管道方案的天然气扩散半径统计表

表5 不同管道方案的安全热辐射半径表

表6 不同管道方案的放空后果对比表

2 改进措施

以上研究表明，干线输气管道直径和设计压力的线性增加（即管道规格的升级），会引起管段容积和放空总量呈指数关系增加，给放空系统带来严重影响。为了减小管道规格升级后放空后果对人员和环境造成的影响，可以尝试采取以下措施：

1）缩短高规格管道的阀室间距，通过缩短放空管段长度的方式，减小管段容积和放空总量，最终降低放空泄放速率。其优势是可以从本质上降低阀室的泄放速率，劣势是增加了阀室数量，并增加了建设期投资和运行期维护成本。

2）增加阀室放空管数量，通过分流方式降低单个放空立管的泄放速率。其优势是增加的建设期投资较少，而劣势是需要考虑多个放空立管的布置，以及放空后果的叠加影响。

3）针对升级后的管道规格，适当地放宽放空时间的限定，用时间换取较小的泄放速率。其优势是从本质上降低阀室的泄放速率，劣势是增加了放空的时间成本，导致管道停输时间延长。

上述3种改善大口径、高压力管道放空特性的措施实施效果如表7所示。由表7可看出增加放空管数量方案的效果最好，缩短阀室间距的方式次之，增加放空时间的效果最差。实际实施过程中，每种措施也会有多种不同的方案，而且不同措施也各有利弊，因此建议根据实际工程需要选择一种或多种措施，综合降低放空产生的不利影响。

表7 不同改进方案的放空后果对比表

3 结论和建议

1）随着输气管道向着大口径、高压力的方向发展，站场或阀室的放空速率、放空立管口天然气流速、噪音和火炬燃烧产生的安全热辐射半径显著增加，对天然气安全扩散半径也有一定影响，对管道放空系统的设计、建设和运行提出了更高要求。

2）建议通过缩短高规格管道在各类地区的阀室间距，或增加阀室放空管数量，亦或延长允许放空时间的方式，降低放空系统对人员和环境的不利影响。

[ 1 ] 单磊, 孙慧, 艾勇, 田瑛. 我国天然气储运设施现状及发展趋势[J]. 石油规划设计, 2016, 27(5): 1-5.Shan Lei, Sun Hui, Ai Yong & Tian Ying. Present situation and development trend of natural gas storage and transportation facilities in China[J]. Petroleum Planning & Engineering, 2016, 27(5):1-5.

[ 2 ] 张伟卫, 李鹤, 池强, 赵新伟, 霍春勇, 齐丽华, 等. 外径1422 mm的X80钢级管材技术条件研究及产品开发[J]. 天然气工业, 2016, 36(6): 84-91.Zhang Weiwei, Li He, Chi Qiang, Zhao Xinwei, Huo Chunyong,Qi Lihua, et al. Technical specifications of the X80 large OD 1422 mm line pipes and the corresponding product development[J]. Natural Gas Industry, 2016, 36(6): 84-91.

[ 3 ] 贾保印, 王红, 林畅. 天然气管线放空过程的动态模拟与分析[J]. 石油与天然气化工, 2016, 45(6): 18-20.Jia Baoyin, Wang Hong & Lin Chang. Dynamic simulation and analysis of natural gas pipeline blowdown process[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2016, 45(6): 18-20.

[ 4 ] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 输气管道工程设计规范:GB 50251 2015[M]. 北京: 中国计划出版社, 2015.Ministry of Housing and Urban and Rural Construction in the People's Republic of China. Code for design of gas transmission pipeline engineering: GB 50251-2015[M]. Beijing: China Planning Press, 2015.

[ 5 ] 中华人民共和国建设部. 石油天然气工程设计防火规范: GB 50183 2004[S]. 北京: 中国计划出版社, 2004.Ministry of Construction of the People's Republic of China. Code for fire protection design of petroleum and natural gas engineering: GB 50183-2004[S]. Beijing: China Planning Press, 2004.

[ 6 ] 国家经济贸易委员会. 卸压和减压系统指南: SY/T 10043 2002[S]. 北京: 石油工业出版社, 2002.National Economic and Trade Commission. Guide for pressure-relieving and depressuring systems: SY/T 10043-2002[S].Beijing: Petroleum Industry Press, 2002.

[ 7 ] 许娟, 贾彦杰, 徐丽, 陈崎奇, 杨斯, 白雪. 输气干线放空系统火灾爆炸事故后果评估[J]. 化工机械, 2016, 43(3): 329-333.Xu Juan, Jia Yanjie, Xu Li, Chen Qiqi, Yang Si & Bai Xue. Fire explosion consequence assessment for gas transmission line venting system[J]. Chemical Engineering & Machinery, 2016, 43(3):329-333.

[ 8 ] 刘博. 天然气长输管道阀室冷放空风险分析与控制[D]. 成都:西南石油大学, 2015.Liu Bo. Risk analysis and control of cold venting in valve chamber of long distance natural gas pipeline[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2015.

[ 9 ] 张欣, 张洋, 邹红杰. 天然气压气站放空系统设计[J]. 油气田地面工程, 2017, 36(1): 33-36.Zhang Xin, Zhang Yang & Zou Hongjie. Venting system design for natural gas compressor station[J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2017, 36(1): 33-36.

[10] 刘革伟, 王兴畏. 输气管道放空过程分析[J]. 煤气与热力,2015, 35(6): 38-40.Liu Gewei & Wang Xingwei. Analysis of emptying process of gas transmission pipeline[J]. Gas & Heat, 2015, 35(6): 38-40.

[11] 侯庆民. 天然气管道泄漏与天然气在大气中扩散的模拟研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009.Hou Qingmin. Research on natural gas leakage and diffusion numerical simulation[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2009.

[12] 秦琴, 王玮, 张磊. 长输天然气管道放空火炬热辐射距离计算方法探讨[J]. 化工机械, 2009, 36(6): 566-569.Qin Qin, Wang Wei & Zhang Lei. Discussions on the calculation methods of the thermal radiation distance of the flare stack in long distance natural gas pipelines[J]. Chemical Engineering &Machinery, 2009, 36(6): 566-569.

[13] 李广植, 白义. 石油化工厂火炬噪声和放空噪声对环境的影响分析[J]. 化工环保, 1992, 12(6): 351-355.Li Guangzhi & Bai Yi. Analysis of environmental impact of flare noise and blowdown noise in petrochemical plant[J]. Chemical Environmental Protection, 1992, 12(6): 351-355.

[14] 卜祥军, 胡颖, 张宏亮. 输气管道工程放空系统设置现状及改进建议[J]. 天然气与石油, 2014, 32(5): 91-94.Bu Xiangjun, Hu Ying & Zhang Hongliang. Present situation and improvement suggestion of venting system in gas transmission pipeline project[J]. Natural Gas and Oil, 2014, 32(5): 91-94.

[15] 赵立丹. 天然气长输管道站场放空系统计算[J]. 油气田地面工程, 2011, 30(8): 51-52.Zhao Lidan. Calculation of emptying system of natural gas pipeline station[J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2011, 30(8):51-52.

[16] 孙殿民, 张洪磊. 天然气输气管道泄漏事故热辐射危害风险应对措施[J]. 科技与企业, 2015, 14(6): 82.Sun Dianmin & Zhang Honglei. Natural gas pipeline leakage accident risk of thermal radiation renovated response[J]. Keji Yu Qiye, 2015, 14(6): 82.