输气管道站场放空系统安全设计浅析

2022-12-22

放空系统是输气站场重要的安全设施之一, 其重要作用就是在需要放空的时候, 使站场或长输管道压力尽快地泄放至安全范围, 以防止事故的蔓延、扩大, 并为抢修赢得时间。因此, 在输气站场设计中, 放空系统的设计尤为重要, 尤其是放空系统的安全性和可靠性。

一、放空型式选择的问题

根据是否点火燃烧, 输气站场放空系统型式可分为放空竖管 (即冷放空) 和放空火炬两种型式。放空火炬在天然气放空时能够及时点火燃烧, 不易形成爆炸性混合物, 从这一方面来说, 放空火炬则比放空竖管更安全。

GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》第4.0.8条规定:放空管放空量等于或者小于1.2×104m3/h时, (放空竖管与石油天然气站场的间距) 不应小于10m;放空量大于1.2×104m3/h且等于或小于4×104m3/h时, 不应小于40m。该条款未对放空量大于4×104m3/h的放空竖管作出规定。《天然气长输管道工程设计》一书对放空竖管和放空火炬的设置原则要求如下:放空气体应经放空竖管排入大气。放空量小于1.2×104m3/h的放空竖管可不点火排放, 放空量为1.2×104~4×104m3/h时, 对放空的天然气宜点火燃烧。因此, 通常情况下业内都认为放空量大于4×104m3/h时应设置放空火炬点火排放而不是直接排放。换句话说, 若输气站场的放空量大于4×104m3/h时, 放空型式应选择放空火炬;放空量小于或者等于4×104m3/h时, 可选择放空火炬, 也可选择放空竖管。

放空火炬按照燃烧器是否远离地面可分为地面火炬和高架火炬。地面火炬具有占用防护区面积较小、维修方便、光污染、空气污染、噪声污染较小等优点, 但同时也具有投资大、处理量小、万一不正常工作时有潜在蒸气云聚集的危险等缺点。截至目前, 地面火炬在长输管道输气站场放空系统中很少采用, 采用的火炬型式最普遍的还是高架火炬。

高架火炬按照火炬塔的支撑方法不同可分为自支撑式、绷绳支撑式和塔式支撑式。自支撑式火炬塔一般是最符合要求, 但其投资最大, 一般限制火炬塔高为61m~92m;绷绳支撑式火炬塔投资最小, 但占地最大 (典型的绷绳半径等于火炬塔总高的一半) , 目前已经使用的绷绳支撑式火炬塔最大高度可达245m;塔式支撑式火炬塔仅仅用于较大火炬塔且自支撑式无法实现, 或者可使用的区域排除了使用绷绳设计的可能。目前, 在长输管道输气站场放空系统中使用最普遍的高架火炬主要是绷绳支撑式和塔式支撑式。

二、放空火炬及放空竖管最近安装距离选取的问题

放空竖管与天然气站场的最近安装距离按照GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》第4.0.8条的规定执行, 与周边设施、场所的最近安装距离按照GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》第4.0.4条表4.0.4的规定执行。

放空火炬与天然气站场、周边设施、场所的最近安装距离应经辐射热计算确定, 辐射热强度一般建议取值为1.58k W/m2。当火炬高度确定后, 根据放空火炬的高度计算公式整理出火炬距离站场、周边设施、场所的最近安装距离公式为:

式中, R—受热点至火炬筒的水平距离, m;

τ—辐射系数;

F—气体扩散焰辐射率;

Q—火炬释放的总热量, k W;

q—允许热辐射强度, k W/m2;

H—火炬筒高度, m;

Yc—火焰中心至火炬筒顶的垂直距离, m;

h—受热点至火炬筒下地面的垂直高差, m;

Xc—火焰中心至火炬筒顶的水平距离, m。

任意给定一个D (火焰中心至受热点的距离) 值, 根据辐射系数的计算公式, 有:

式中, r—大气相对湿度, %;

D—火焰中心至受热点的距离, m。

采用迭代计算、逐步收敛的方法, 可以计算出火炬距离站场或周边其他场所、设施的最近安装距离。

在不考虑风速、火焰长度以及计算精度不高的情况 (如可行性研究阶段) 下, 也可按照SY/T10043-2002《泄压和减压系统指南》第4.4.2.3.3条由Hajek和Ludwig推导的下述公式来确定火炬至必须限制辐射热的暴露目标之间需要的最小距离:

式中符号与前述符号意义相同。

三、高、低压放空管分开设置的问题

高、低压放空同时排入同一管道系统, 若处置不当, 可能发生事故。例如, 四川气田开发初期, 某厂酸性气体紧急放空管与DN100原料气放空管相连并接入40m高的放空火炬, 发生过原料气与酸性气体同时放空时, 由于原料气放空量大、压力高 (4MPa) , 使紧急放空管压力上升, 造成酸性气体系统压力升高, 致使酸性气体水封罐防爆孔憋爆的事故。因此, 当高、低压放空管压差较大时, 分别设置是必要的。此外, 高、低压放空管分别设置往往还可以降低放空系统的建设费用, 故大型站场宜优先选择这样的放空系统。

为简化流程, 在某些情况下, 高、低压也可只设一个放空系统。例如, 在高压放空气量较小或者高、低压放空的压差不大 (如压差为0.5~1.0MPa) 时, 即可只设一个放空系统。但是, 此时必须对可能同时排放的各放空点背压进行计算, 使放空系统的压降减少到不会影响各排放点安全排放的程度。根据美国石油学会标准《泄压和减压系统导则》API RP521规定, 在确定放空管系尺寸时, 应使可能同时排放的各安全阀后的累积回压限制在该安全阀定压的10%左右。

四、回火与脱火的问题

在火炬工作的情况下, 火焰前沿通常是在火炬塔的顶部。然而, 在天然气速度很低、气流量很小的情况下, 也即气流速度低于燃烧速度时, 火焰焰峰有可能回入火炬内部燃烧而发生“回火”;若速度更小, 气量更低, 可能在火炬顶部发生空气的返混, 在火炬中形成爆炸混合物。相反, 若天然气的速度过大, 火炬塔管顶端的火焰升到烧嘴之上与空气湍流混合, 会产生“离焰”, 并发生严重的颤动。若速度再增加, 火焰会继续上浮, 将有火焰熄灭的危险, 即产生“脱火”。

试验表明:如果保持足够的可燃气体就能产生一个从地面上看得见的火焰, 空气进入塔管内与天然气混合的情况通常很少出现。因此, 为了安全的目的, 需要在火炬预调试和随后阶段用不含氧气的介质连续吹扫火炬塔。预吹扫置换了火炬塔中存在的任何空气, 连续吹扫保证了在低流量条件操作期间空气不能经过火炬头进入火炬塔。为了减少防止空气渗入火炬塔中所需要的连续吹扫的气量, 通常在火炬头或低于火炬头处设置两种常见的机械密封, 即滞止型密封 (分子型密封) 和速度型密封。滞止型密封利用吹扫气和渗入空气的分子质量差来形成重力密封, 从而防止空气进入火炬塔中;这种密封通常把经过火炬头的所要求的吹扫气速度降低到0.25mm/s。速度型密封是一个锥形头部障碍物, 并带有一个或者多个折流板, 这些折流板迫使空气离开火炬塔内壁, 在那里遇到集中的吹扫气流并被冲出火炬头;这种密封通常把经过火炬头的所要求的吹扫气速度降低到0.50mm/s~1.00mm/s之间。需要注意的是, 吹扫气速度减小密封不是火焰阻火器, 即它们不能阻止逆燃;它们被设计成能量保存装置, 目的是减少要求的吹扫气流量, 通过减少空气渗入火炬塔的量来防止逆燃。滞止型密封与速度型密封相比, 虽然可以把吹扫气的速度降低到更小的数值, 但是这个吹扫流量并不能防止火炬头内衬烧损, 导致火炬头寿命缩短, 且这种烧损是隐蔽的。因此, 大多数分子密封是以12.7mm/s的流速吹扫, 保持火焰在火炬头外部, 以保证适当的火炬寿命。带有速度密封的火炬头安装在火炬顶部, 在非常低的吹扫流量下可消除这种烧损。

用来防止逆燃的还有阻火器。阻火器存在以下缺点:一是阻火器容易堵塞, 甚至在火炬系统内形成障碍物;二是当排出热物质之后紧跟着冷却时, 空气可能通过阻火器被抽进火炬系统。因此, 只有当可燃气体是无腐蚀性的干燥气体而且没有可凝固的液体时才推荐采用;否则, 宜设置带有爆破片的旁通放空管路, 以防止阻火器堵塞之后放空系统憋压。

控制火炬塔不出现“脱火”现象的主要措施是控制火炬出口出的马赫数;马赫数是指火炬出口处的排放气体允许线速度与声波在该气体中的传播速度的比值。马赫数的选取可依据GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》条文说明第6.8.7条进行选取:对站场发生事故, 原料或产品气体需要全部排放时, 按最大排放量计算, 马赫数可取0.5;单个装置开、停工或者事故泄放, 按需要的最大气体排放量计算, 马赫数可取0.2。