輸氣管道站場泄放系統(tǒng)的計算

摘 要：天然氣長輸管道站場放空系統(tǒng)的計算是站場設(shè)計的重要內(nèi)容之一，本文主要從站場放空系統(tǒng)的重要性、放空系統(tǒng)的構(gòu)成、放空系統(tǒng)中重要泄放裝置的選型計算等幾個方面來研究，并就該系統(tǒng)的完善給出了部分建議。

關(guān)鍵詞：天然氣；站場；放空系統(tǒng)；計算；

中圖分類號：TK0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-04-00253-02

放空系統(tǒng)是天然氣站場的重要系統(tǒng)之一，放空系統(tǒng)不僅可以在工程投產(chǎn)、維搶修時有組織的將管線和設(shè)備中的天然氣引致放空立管或火炬，還可以在站場或上下游管線發(fā)生事故時及時泄放掉管線和設(shè)備內(nèi)的天然氣，以防止事故的滋生和蔓延。

一、天然氣長輸管道站場放空系統(tǒng)計算的構(gòu)成

分解放空系統(tǒng)的計算為：設(shè)備、容器安全閥放空計算，站場事故放空計算，進出站管線放空計算，放空匯管尺寸計算，放空立管和放空火炬計算。

（一）安全閥放空計算。放空系統(tǒng)中安全閥的計算主要是用來協(xié)助安全閥的選型，計算內(nèi)容主要包括最大泄放量計算、安全閥喉管面積的計算。1、安全閥的選型計算。安全閥的選型計算可按照該思路進行：估算被保護設(shè)備、容器或管線的有效容積——依照API RP 521規(guī)定求解事故工況時允許的最小最大泄放量（15min內(nèi)將設(shè)備或容器內(nèi)的壓力泄放至0.69MPa，具體計算可采用HYSYS、VISUAL FLOW等軟件）——安全閥喉管面積計算（根據(jù)安全閥以允許的最大泄放量泄放時閥出口處馬赫數(shù)不超過0.9反算喉管面積）——安全閥選型（依據(jù)計算喉管面積選擇合適尺寸的安全閥）——校核采用所選安全閥時的最大泄放量和出口馬赫數(shù)是否滿足要求（若滿足15min內(nèi)可泄放至0.69MPa和出口處馬赫數(shù)不超過0.9則計算結(jié)束，否則重新選型核算）。2、閥前管徑計算。為了防止過大壓損產(chǎn)生震動，造成對泄放裝置的危害，需要限制該壓損的大小。按照API RP520規(guī)定，該段壓損不得高于安全閥設(shè)定壓力的3%，以此為邊界條件反算最大泄放量時可允許的最小閥前管徑，但最終選取管徑不得小于安全閥入口口徑。3、閥后管徑的計算。閥后管徑的計算思路為：閥后允許背壓大小的確定（依據(jù)選用安全閥的類型、設(shè)定壓力及系統(tǒng)中其他有可能同時泄放的安全閥的設(shè)定壓力合理確定。API RP521規(guī)定：在確定放空管系尺寸時，應(yīng)使可能同時泄放的各安全閥后的累積回壓在該安全閥定壓的10%左右）——閥至放空終端間管線的允許壓降（安全閥最大允許背壓減去附加背壓）——求得閥后管線允許最小管徑（據(jù)該段管線的允許壓降、最大泄放量和API中閥后出口管線流速低于1Ma、干管及總管流速低于0.7Ma的要求反算管徑）——圓整計算管徑并校核選用管徑管線放空時閥后背壓的實際值。

（二）站場事故放空計算。站場發(fā)生重大事故時需要切斷進出站管線，同時泄放站場內(nèi)管線和設(shè)備的壓力。站場事故放空計算主要包括站場BDV閥和閥后限流孔板的計算。1、BDV閥選型計算。BDV閥選型計算的關(guān)鍵在于閥口徑的計算，而廠家在確定口徑時需知道要求閥所具有的最大泄放量和以最大泄放量泄放時閥的流量系數(shù)（Cv值）。計算思路如下：站場有效容積的估算——利用HYSYS建立Depressing動態(tài)泄放模型——計算得出滿足規(guī)范要求的最大泄放量和Cv值——選取滿足要求的BDV閥——根據(jù)所選閥門的Cv值校核閥的最大流通量。2、限流孔板計算。限流孔板應(yīng)用于以下幾個方面：（a）工藝物料需要降壓且精度要求不高；（b）在管道中閥門上、下游需要有較大壓降時，為減少流體對閥門的沖蝕，當經(jīng)孔板節(jié)流不會產(chǎn)生氣相時，可在閥門上游串聯(lián)孔板；（c）流體需要小流量且連續(xù)流通的地方；（d）需要降壓以減少磨損或噪聲的地方，如放空系統(tǒng)；（e）保證安全操作

限流孔板選型的計算思路為：安裝位置最大泄放量的確定（同BDV閥最大泄放量）——根據(jù)限流孔板前后壓差選擇孔板的形式（單板還是多板）——按照孔徑計算公式計算限流孔板的孔徑d0（公式可參照HGT-20570.15）——根據(jù)臨界流率壓力比（γe）—絕熱指數(shù)（k）—孔徑/管徑（d0/D）關(guān)系表查得γe——判斷孔板前后壓力之比（P2/P1）與γe的相對大小（若P2/P1≤γe，則可使流量限定在一定數(shù)值，說明計算值d0有效，否則需調(diào)整壓降或管徑，重新計算。）——圓整孔徑計算值。

使用限流孔板降壓時，為了避免使用限流孔板的管路出現(xiàn)噎塞流，限流孔板后壓力不能小于板前壓力的55%，否則選用多板，其板數(shù)要保證每塊孔板的板后壓力大于板前壓力的55%（臨界限流壓力PC的推薦值：飽和蒸汽0.58P1；過熱蒸汽及多原子氣體0.55P1；空氣及雙原子氣體0.53P1，P1為限流孔板前的壓力。）3、限流孔板后管徑計算。影響限流孔板后管徑尺寸的主要因素是孔板后的壓力、最大泄放量和管內(nèi)允許的最大流速（API規(guī)定不大于0.7Ma）。在已知泄放量和管內(nèi)允許流速后反算孔板后壓力，只要壓力不高于氣體的臨界流動壓力即可。

（三）進出站管線放空計算。進出站管線上BDV閥的選型同站場事故放空管線上BDV閥的計算，區(qū)別在于最大泄放量的確定，計算思路為：確定事故時所需BDV閥的最大泄放量（最大泄放量的確定跟站場與臨近閥室間距、管線設(shè)計壓力及允許事故泄放時間等有關(guān)，據(jù)西氣東輸一線運行經(jīng)驗，緊急情況下事故段線路管線需要在10-12h內(nèi)完成泄放）——按最大泄放量和調(diào)節(jié)閥Cv值的計算公式計算所需Cv值——據(jù)計算Cv值和最大泄放量選擇合適尺寸的BDV閥——校核選用該尺寸BDV閥時閥的最大泄放量、出口處流速和管線泄放所需時間。

二、放空匯管尺寸計算

放空匯管尺寸的計算主要受以下限制因素的影響：

（一）放空匯管所要承擔的最大泄放量。多個裝置安裝的公用總管系統(tǒng)和管匯一般是根據(jù)最壞的情況計算的，即在單獨過壓事故中合理地假設(shè)所有裝置可能同時排放所需要的疊加流量，以此來作為放空匯管所需承擔的最大泄放量。

（二）同放空匯管在同一放空系統(tǒng)中且存在同時放空可能的各泄放裝置的最大允許背壓。安全閥背壓就是安全閥的出口壓力，是安全閥開啟前出口處的靜壓（附加背壓）與安全閥開啟后介質(zhì)流動所產(chǎn)生的壓降（積聚背壓）之和。附加背壓包括可變背壓和不變背壓，可變背壓是由于其他泄放裝置泄放而使安全閥出口增加的靜壓力，不變背壓一般為當?shù)卮髿鈮骸７e聚背壓主要影響安全閥起跳后的泄放量，積聚背壓和附加背壓之和（安全閥背壓）一般應(yīng)小于氣體的臨界流動壓力值。

（三）放空匯管的管路長度。當站場平面布置確定后，放空匯管的管路長度也就隨之確定了。適當減小匯管的長度有利于降低匯管的管徑尺寸。上述三個因素確定后就可以對匯管的尺寸進行計算了，計算時的邊界條件除了最大允許背壓外還有匯管內(nèi)的氣體流速，流速不得超過0.7Ma。

（四）放空立管計算1、放空立管管徑計算。放空立管管徑主要取決于放空立管的放空量和出口處允許的馬赫數(shù)，可通過提高出口處氣體的馬赫數(shù)來減小放空管徑，但馬赫數(shù)偏高會導(dǎo)致放空噪聲過大。根據(jù)規(guī)范GB 50183-2004規(guī)定，事故狀態(tài)下，出口馬赫數(shù)不高于0.5。因此在計算時，可以根據(jù)出口處馬赫數(shù)為0.5來反算放空立管的管徑。2、放空立管高度計算。非點火放空立管高度可根據(jù)規(guī)范GB 50183-2004規(guī)定確定。當放空量不大于1.2×104m3/h是，放空立管據(jù)閥室或站場距離不小于10m，當放空量大于1.2×104m3/h且小于4.0×104m3/h時，間距不得小于40m

（五）放空火炬的計算。1、放空火炬筒徑（火炬頭）計算。放空火炬筒徑的大小主要取決于放空系統(tǒng)的最大泄放量和火炬頭出口處的最大允許流速，根據(jù)GB 50183-2004規(guī)定（同API RP521有關(guān)規(guī)定）：對站場發(fā)生事故，原料或產(chǎn)品氣體需要全部排放時，按最大排放量計算，馬赫數(shù)可取0.5；單個裝置開、停工或事故泄放，按需要的最大氣體泄放量計算，馬赫數(shù)可取0.2。故在火炬筒徑計算時可按下面思路進行：放空系統(tǒng)最大泄放量的確定（可取放空匯管的最大排放量）——按火炬頭出口處馬赫數(shù)為0.5反算所需筒徑——向上圓整筒徑尺寸，并以圓整后的尺寸校核以最大泄放量泄放時的馬赫數(shù)和單個裝置開、停工或事故泄放時的馬赫數(shù)。2、放空火炬高度計算。可參照GB 50183-2004中的公式，計算思路為：分析火炬周圍的設(shè)施及環(huán)境狀況，確定敏感點（需考慮輻射影響的設(shè)施）——火焰最大長度的計算（火焰長度可從GB 50183-2004中火焰長度和釋放熱量Q-L關(guān)系曲線圖查得，也可按照《石油化工設(shè)計手冊》中有關(guān)規(guī)定確定）——按規(guī)范中火炬高度的計算公式進行計算，并予以圓整——以圓整后的高度計算火炬的地面輻射范圍，進而確定火炬放空區(qū)需要的征地面積。3、放空火炬筒徑和高度的關(guān)系。在放空量相同時增加放空火炬的筒徑，火炬輻射的范圍會相應(yīng)的增加，這就需要增加征地面積；同樣，減小筒徑時，火炬燃燒時豎直方向的輻射范圍將增加，水平方向的范圍會相應(yīng)減小，這樣就可以減少火炬放空區(qū)域的征地面積。利用DNV的PHAST軟件對放空火炬高度與筒徑間關(guān)系進行模擬可以發(fā)現(xiàn)：在放空量相同時，增大筒徑的大小，火炬燃燒時產(chǎn)生的輻射強度會隨之增加，需要保護的輻射區(qū)域面積也將相應(yīng)加大。故在計算放空筒徑的大小時可以直接以0.5馬赫的流速要求確定筒徑，然后再確定征地范圍的大小。相同泄放量、相同高度、不同筒徑時的計算結(jié)果比較見下圖：示例：火炬高度40m，泄放量130×104m3/d，組分CH4，計算平面為離地面2m處的水平面。