天然氣設計論文：天然氣系統標準策劃研討范文
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作者：趙晉云周興濤劉冰鄭娟馬偉平單位：中國石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國家工程實驗室中國石油管道公司大連輸油氣分公司
國外標準
國外放空系統和放空火炬的設計普遍采用APIRP521《泄壓和降壓系統導則》和API537《通用煉油及石油化工設施火炬細則》。API/ANSISTD521-2007（ISO23257:2008（IDT））《泄壓和減壓系統導則》為分析超壓原因、確定單項釋放量及選擇、設計火炬和放空塔等處理系統提供指南。API/ANSISTD537-2008（ISO24257:2008（IDT））《通用煉油及石油化工設施火炬細則》規定了煉化廠和石油化工企業火炬的機械設計、運行和維護等相關要求。其他國外相關標準有：ASMEB31.8-2010《輸氣和配氣管道系統》、DEP80.45.10.10-Gen《壓力泄放、緊急泄壓、火炬和放空系統》、CSAZ662-2007《油氣管道系統》、ISO13623-2009《石油和天然氣工業-管道輸送系統》、ОНТП51-1-85《干線輸氣管道工藝設計規范》、СНиП2.05.06-85《干線管道設計規范》。
國內外標準差異分析
1放空系統的設置
GB50251－2003明確規定輸氣站應在進站截斷閥上游和出站截斷閥下游設置泄壓放空設施。輸氣干線截斷閥上下游均應設置放空管。放空管應能迅速放空兩截斷閥之間管段內的氣體。放空閥之間與放空管直徑應相等。該規定參考自美國國家標準ASMEB31.8第864.21條（c）款。而ASMEB31.8對于該條款的規定為：輸氣干線應安裝排放閥，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，應能在緊急情況下使管段盡快放空；在輸氣站內，基于保護環境和防火安全的考慮，對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ASMEB31.8對于站場和閥室放空系統的設置僅給出了原則性規定，并未規定在輸氣干線截斷閥上下游均應設置放空管，因此美國管道站場和閥室放空基本采用在站內由放空立管直接放空。我國在參考其制定輸氣管道的安全泄放相關條款時，要求更嚴格，要求干線截斷閥上下游均設置放空管，必然造成管道結構更復雜和投資成本更大。
此外，GB50251－2003只提到放空管應能迅速放空兩截斷閥之間管段內的天然氣，對于管道放空時間無具體規定，目前設計多按1012h計算，小時放空量大，導致噪音大，容易使周圍群眾產生恐慌。俄羅斯СНиП2.05.06-85《干線管道設計規范》規定：在截斷閥之間的輸氣管段兩端，壓縮機站的接通樞紐及清管器收發站，應設置放空管。當輸氣管道直徑小于1000mm時，放空管至截斷閥的距離不小于15m；當輸氣管道直徑不小于1000mm時，放空管至截斷閥的距離不小于50m。放空管的直徑，應根據截斷閥之間的輸氣管段在1.5～2h的排空條件確定。截斷閥和放空管至不屬于輸氣管道的建筑物的距離不小于300m。該規范要求站場和閥室均應設置放空管，對放空立管的設置規定了明確的間距和高度要求，其放空時間較短，放空間距較大，但其關于放空系統設計的合理性有待深入研究。
2防火間距
國外放空系統和放空火炬的設計普遍采用APIRP521和API537，根據輻射熱計算，確定火炬筒中心至必須限制輻射熱強度（或熱流密度）的受熱點之間的安全距離，但未明確規定安全距離。國內防火間距參照APIRP521輻射熱計算確定，對于可能攜帶可燃性液體的高架火炬，還規定了最小防火間距。GB50183－2004規定了石油天然氣站場與周圍居住區、相鄰工礦企業、交通線等的防火間距，火炬的防火間距應經輻射熱計算確定。可能攜帶可燃液體的高架火炬與外部設施的防火間距：距人口密度大于100人的居民區、村鎮、公共福利設施、相鄰廠礦企業、100人以下散居房屋、35kV及以上獨立變電所120m；距鐵路、高速公路、架空電力線路、國家Ⅰ級和Ⅱ級架空通信線80m；距一般公路、一般架空通信線60m，距爆破作業場地（如采石場）300m。石油天然氣站場的放空管，按可能攜帶可燃液體的火炬間距減少50%設計。火炬和放空管宜位于石油天然氣站場生產區最小頻率風向的上風側，且宜布置在站外地勢較高處。火炬和放空管與石油天然氣站場的防火間距：火炬依本規范第5.2.1條確定；當放空量不大于1.2×104m3/h時，不應小于10m；當放空量為1.2×104～4×104m3/h時，不應小于40m。一、二、三、四級石油天然氣站場內總平面布置的防火間距除另有規定外，應不小于該規范中表5.2.1的規定。火炬的防火間距一般根據人或設備允許的最大輻射熱強度計算確定，但火炬排放的可燃氣體中如果攜帶可燃液體時，可能因不完全燃燒而產生火雨，其灑落范圍為60～90m，而經輻射熱計算確定的防火間距可能比此范圍小。GB50183－2004明確規定了最小防火間距，未明確管道放空是否采用火炬或點火放空，也未明確放空量大于4×104m3/h的做法；但在實際操作中，當放空量大于4×104m3/h時，通常采取點火放空處理。點火放空時，放空管與站場和周圍建筑物的間距、放空管直徑，根據放空速率（以馬赫數為基準）和放空量，采用輻射熱計算確定。但現行標準規范未對放空時間、放空壓力等做出相應規定，在放空系統設計過程中，即使管徑不同、設計壓力不同，仍將放空管與閥室的間距設計為40m，占地面積和投資較大。
3選擇放空系統和火炬需要考慮的因素
ISO13623-2009明確規定選擇放空或火炬系統時宜考慮到的危險及約束條件有：放空氣體的窒息效應；放空氣體被雜散電流、靜電或其它潛在點火源點燃著火的危險性；噪聲水平極限（范圍）；對飛行器運動的危害，特別是在近海裝置及終端附近飛行的直升機；水合物的形成；閥門凍結；鋼管的脆性斷裂效應。殼牌公司在工程設計文件shellDEP80.45.10.10-Gen《壓力泄放，緊急泄壓，火炬和放空系統》也提出了選取放空系統或火炬需要考慮的因素：對環境的影響；處理系統的安全性和完整性，考慮介質是否包含不可燃成分；當地法律法規；經濟評價。GB50183－2004未明確管道放空是否采用火炬或點火放空，但在實際設計時，輸氣站場均設放空管，點火放空；所有閥室均設放空立管，防火間距按小時放空量確定。據分析，國內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建、改線等，為可控的計劃放空，故輸氣管道閥室可以只設放空管，不點火。管道站場放空系統執行站內檢修和緊急放空功能，屬于小概率事件，放空量小，放空立管可不設點火設施。
4放空量的確定
SH3009－2001明確了火炬總管設計排放量的求取方法：選取系統內最大排放裝置的一次最大排放量和同一事故中幾個裝置同時泄放的排放量總和中的較大值。排放氣體的質量流量應選取最大排放量，但也應該考慮到現場在事故狀態下或計劃內檢修時可采用多地點排放，避免火炬尺寸過大。APISTD521提出：防止超壓的設計首先需要考慮可能引起超壓的各種事故，然后根據產生壓力的大小分析此時必須的泄放流量。不同原因引起超壓的設備及大小都是不同的，設計時，應將每一泄放裝置對應每種事故，以列表的形式羅列最大泄放量，并將可能同時發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、介質物理性質等，是最大流量壓頭損失的概念。國內標準相關規定均參考自國外相關標準，國內外關于超壓放空量的確定原則大致相同。
5排氣筒、放空管的高度設置
GB50251－2003規定輸氣站場的放空豎管應設在圍墻以外，其高度及與站外及其它構筑物的距離應符合國標GB50183－2004的規定：比附近建（構）筑物高出2m以上，且總高度不應小于10m。向大氣排放的可燃氣體排氣筒、放空管的高度，GB50160－2008和GB50183－2004規定有所不同（表1），GB50160－2008規定其應高出20m/10m范圍內的平臺或建筑物頂3.5m以上，GB50183－2004規定其應高出20m/10m范圍內的平臺或建筑物頂2m以上。APISTD521-2007認為：若將可燃氣體直接排入大氣，當排放口速度大于150m/s時，可燃氣體與空氣迅速混合并稀釋至可燃氣體爆炸下限以下是安全的。當將完全由蒸汽組成的烴類氣流泄放到大氣中時，因蒸汽與空氣混合形成的可燃混合物將不可避免地出現在出口下游；多數情況下，單個安全泄放閥通過自身放空管垂直向上排出時，可燃區域將被限制在泄放高度以上相當有限的可確定范圍以內。因此規定在向大氣放空可燃蒸汽的場合，放空出口應該比鄰近設備、樓房、煙囪或其他結構物高出約3m。綜上可見，我國標準關于放空管高度設置的規定更加詳細具體，基本可以滿足生產需求。
放空系統的設計計算
國內外火炬的設計計算參考APIRP521的做法，包括確定火炬筒直徑、高度，根據輻射熱計算，確定火炬筒中心至必須限制輻射熱強度（或熱流密度）的受熱點之間的安全距離。APIRP521規定：確定放空管系尺寸時，應該使可能同時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給出了完整的根據輻射效應確定火炬筒尺寸的設計示例：第一種方法是簡單逼近方法；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算結果。
ОНТП51-1-85規定：當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，輸氣管段的排空時間t可由諾模圖確定。當上述比值等于其它值時，排空時間t按下式計算：火炬系統中容許的壓力損失應取0.1MPa，火炬直徑應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）確定，火炬高度應根據50m距離以上（火炬圍欄線以上）允許的熱流表面密度（不應超過7000W/m2）計算確定，火炬高度不應小于30m。
殼牌公司根據APIRP521計算放空火炬的設計參數，計算結果很大程度上取決于熱輻射系數F。F取決于燒嘴的形狀，制造商有自己的計算方法。熱輻射強度的可接受性取決于對人體和設備的影響，火炬筒的高度設計，除了需要考慮地形和氣象條件，還應符合下列要求：無障礙區半徑60m；在不考慮太陽熱輻射影響的情況下，無障礙區邊界的最大熱輻射強度不得超過6.3kW/m2；在不考慮太陽熱輻射影響的情況下，在資產邊界的最大熱輻射強度不得超過3.15kW/m2。HG/T20570－95關于放空火炬的設計計算參照APIRP521提出方法的方法進行，而SH3009－2001則使用簡單逼近法計算。國內由于針對放空系統的設計理念、放空量計算方法、參數取值不統一，導致同樣工況下，計算結果差異較大。國外基于盡量減少放空的理念，開發了移動式壓氣站，可將管道內的天然氣抽取后增壓輸往截斷閥下游管道。近年來，國內也開展了天然氣放空回收項目研究，而使用移動式壓縮機對長輸天然氣管道天放空然氣進行回收則需要開展相關調研和研究。
結論與建議
（1）GB50183－2004和GB50251－2003有關火炬放空條款主要參考APIRP521和ASMEB31.8制定，國內外在放空管、火炬與站場和閥室的安全間距上均參考APIRP521根據輻射熱計算確定。但國內針對可能攜帶可燃性液體的火炬，還規定了滿足最小防火間距的要求。
（2）站場放空火炬的設計計算，國內外均參考使用APIRP521提供的兩種方法進行。關于放空量的計算，建議修訂國內現行規范，對放空時間、放空壓力做出相應規定，統一放空系統設計理念，明確放空量的計算方法與控制措施。
（3）根據放空量和地區特點，因地制宜地選擇放空方式，在滿足國家和地方法律、法規的前提下，建議盡量采用放空立管，減少放空火炬。站場放空時的放空量遠遠小于閥室的放空量，按目前的設計習慣，閥室的放空氣體可以直接排放，那么站場的放空氣體直接排放應該是符合相關規范要求的。
（4）建議跟蹤API/ANSISTD521-2007（ISO23257:2008（IDT））和API/ANSISTD537-2008（ISO24257:2008（IDT）），同步更新國內標準。
