输气站场放空立管防火间距的研究

2021-03-29李世平张凯灵孙菁杨晓东梁昌晶

石油化工自动化 2021年2期

李世平，张凯灵，孙菁，杨晓东，梁昌晶

(1. 河北华北石油工程建设有限公司，河北任丘 062552；2. 中国石油西南油气田公司输气管理处，四川成都 610000；3. 中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川江油 621741；4. 中国石油华北油田公司二连分公司，内蒙古锡林浩特 026000；5. 河北华北石油港华勘察规划设计有限公司，河北任丘 062552)

中国输气站场放空作业主要通过放空立管和点火装置完成，当站场(压气站、分输站、清管站)需检修或进出站超压时，需将站场内所有存留的气体放空；当线路阀室之间的管道发生意外或检修时，需将管道内所有存留的气体放空。放空作业按照是否点火可分为冷放空和热放空。

目前，国内相关的标准有GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》、GB 50160—2008(2018年版)《石油化工企业设计防火规范》、GB 50183—2004《石油天然气防火设计规范》，其中前两个规范主要规定了放空系统的总体设置，GB 50183—2004适用于新建、扩建及改建的陆上油气田工程、管道工程和海洋石油陆上终端处理工程，详细地规定了放空系统的放空量、防火间距、立管高度、设置位置等。该标准规定，放空立管和火炬与站场的防火间距，对于冷放空，当放空量不大于1.2×104m3/h时，不应小于10 m，当放空量大于1.2×104m3/h且不小于4×104m3/h时，不应小于40 m；对于热放空，可能携带可燃液体火炬的防火间距应根据热辐射计算确定，与站场的间距为90 m。随着新建管道的直径和压力等级越来越高，管输量越来越大，大部分放空作业时量已超过4×104m3/h，该标准未给出相应作法，如按照行业的通用作法采取90 m防火间距，将导致站场及阀室占地面积大、选址困难、投资超支等问题，严重制约管道工程的发展。因此，采用DNV PHAST软件模拟不同放空量、不同风速条件下的气体扩散和热辐射范围，确定冷放空和热放空作业下的防火间距，以期为该标准的修订提供技术参考。

1 基础参数及防火间距选取原则

1.1 基础参数

放空过程属于非稳态流体流动过程，流动形式主要为湍流，在此采用UDM模型模拟立管冷放空中气体的扩散情况，该模型假设云团不发生卷吸作用、扩散气体不与空气中其他组分发生反应、在碰撞到地面后完全反弹。

参照API RP521： 1997《泄压和减压系统导则》计算立管热放空中火焰中心与地面受热点之间的热辐射强度，根据目标受热点的热辐射通量值，确定防火间距。

站场因事故状态造成的紧急放空一般为不可控放空，持续时间短、放空量大，以某站场为例，取最大瞬时放空量2×105m3/h，放空连接线和放空立管的管外径均为508 mm，立管高度25 m，初始放空压力为6 MPa，气体出口速度不大于170 m/s，气体组分的摩尔分数xB见表1所列。

表1 气体组分的摩尔分数

按照PR气体状态方程进行模拟，得到气体的爆炸上限(UEL)为16.5%，爆炸下限(LEL)为4.4%。大气稳定度根据帕斯奎尔的方法进行分类，通过调取当地气象资料，大气稳定度为D～E，空气湿度为65%。

1.2 防火间距选取原则

对于冷放空作业，当气体扩散浓度在(0.5～1.0)LEL时，只要点燃能量足够，依然会发生闪火，同时考虑到不同因素对气体扩散的影响，分析气体在不同浓度下扩散的边界分布空间，以0.5LEL的边界作为最不利条件。即冷放空作业时，立管与站场之间的防火间距不应小于0.5LEL所限定的边界空间。

为了避免站场内工艺设备、电气仪表及操作人员受火焰热辐射的影响，根据GB 50183—2004中的条文说明及API RP521： 1997的规定，对操作人员所处目标受热点的热辐射强度及条件进行了规定，见表2所列。一般站场内操作人员均穿有合适的防护服，且经过安全培训和应急疏散演练，可以在10 min内完成紧急撤离，因此选择热辐射强度4.75 kW/m2作为热放空的最不利条件。即热放空作业时，立管与站场之间的防火间距不应小于该允许热辐射条件下计算的边界空间。

表2 允许热辐射强度及条件

2 模拟计算

经研究表明，风速、放空量、大气稳定度、空气湿度、围墙高度等均会影响可燃气体云团的扩散范围，其中大气稳定度和空气湿度对云团在空气中的卷吸作用影响较小，立管高度一般超过25 m，围墙高度对云团的垂直距离影响不大，因此只研究不同风速、不同放空量条件下的气体扩散和燃烧热辐射强度范围。

2.1 冷放空

采用DHV PHAST软件模拟3种瞬时放空量5×104，1×105，2×105m3/h分别在风速1，5，10，15，20 m/s条件下的冷放空扩散范围，得到不同风速条件下0.5LEL限定的边界空间，如图1所示。不同放空量条件下气体扩散范围的规律基本一致，风速较低时，立管出口处的气体流速较高，气体主要向垂直方向扩散；风速较高时，湍流作用加强，同时立管出口处的喷射力减弱，气体从垂直方向逐渐向水平方向移动。对比相同风速不同放空量条件下，放空量越大，出口动力越强，气体的扩散范围越大。以2×105m3/h为例，风速分别为1，5，10，15，20 m/s时，可燃气体浓度为0.5LEL的下风向扩散距离分别为16.2，23.5，27.3，28.8，29.4 m。即当采取冷放空作业时，不同风速下放空立管与站场的防火间距分别为 16.2，23.5，27.3，28.8，29.4 m。此外，当风速超过10 m/s时，云团下风向的扩散能力明显减弱，风速对扩散距离的影响越来越小，主要原因是当放空量一定时，风速越大，周围空气对云团的稀释剪切作用越强，为了保持一定的出口流速，短管时效的作用越大，云团的扩散能力越弱。

图1 不同风速和放空量条件下的气体扩散范围示意

2.2 热放空

热放空作业时，气体燃烧产生的热辐射会对周围的人、设备、建筑物造成损伤，损伤的严重程度主要以热辐射值衡量。采用DNV PHAST软件模拟5×104，1×105，2×105m3/h 3种瞬时放空量分别在风速为1，5，10，15，20 m/s条件下的热放空扩散范围，得到允许热辐射强度4.75 kW/m2下的边界空间，如图2所示。当下风向距离相同时，风速越大热辐射强度越大，在同一放空量条件下，热辐射值呈先增加后减小趋势，并随着下风向距离的增加，热辐射强度逐渐趋于最小化。以放空量2×105m3/h为例，当采取热放空作业时，风速为1 m/s时，防火间距可不作限制，当风速分别为5，10，15，20 m/s时，防火间距应分别取44.5，54.9，61.7，67.2 m，均小于GB50183—2004中立管与站场间距90 m的规定。