放散管的工藝計算方法

劉靜　薛登存

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司,北京 100085)

放散管的工藝計算方法

劉靜薛登存

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司,北京 100085)

放散管是國內外油田地面建設工程中常用的一種放空設備,在詳細闡述了放散管的設計及應用過程中需要考慮的各個因素之后,參考API RP 521,給出了放散管尺寸及高度的詳細工藝計算方法,可在實際設計過程中進行廣泛應用。

放散管工藝計算方法安全因素

1　前言

在油田地面工程及長輸管線中，當設備或天然氣/油管線出現故障或需要檢修時，為避免天然氣對周邊環境及人員造成危害，必須設置必要的放空系統用以排放需泄放的天然氣，除火炬外，放散管也是放空系統中常用的一種設備，俗稱“冷放空”。

2　放散管設計時需要考慮的因素

在以往的設計過程中，放散管口徑的設計往往會給予重視，但高度的確定卻常常帶有主觀性，缺乏詳細的計算過程。經過對第2008版API 521的詳細研究，總結出放散管高度確定時需考慮以下幾個方面的因素:

圖1　放散管高度計算尺寸關系圖

(1)放散管出口流速。較低的流速不利于擴散，而較高的流速(接近音速)則可能導致系統背壓較高，從而影響上游壓力保護裝置非正常開啟;

(2)熱輻射的影響。規范中要求在任何情況下，對于可燃性介質的泄放，必須對放散管的熱輻射強度進行評估，其評估方法與火炬相同，且熱輻射強度的限制值也應與火炬相同;

(3)可燃性氣體及有毒性氣體擴散濃度。兩者的最高擴散濃度需滿足相應的環保要求;

(4)放散管口徑及高度對系統背壓的影響;

(5)設置的放散管高度必須比鄰近的設備、建筑、煙囪或其他結構高出3m。

3　放散管的設計計算

放散管尺寸的設計計算分為兩部分，首先是放散管直徑的確定，其次是放散管高度的確定。

3.1放散管直徑的計算

放散管直徑的計算涉及到的因素主要有以下幾個方面:泄放介質的分子量、絕熱指數、質量流量、馬赫數以及放散管出口處壓力和溫度等。

首先需要根據介質分子量和放散管出口處壓力及溫度確定泄放介質的密度，具體計算公式如下:

ρ—放散管出口處介質密度 kg/m3;

MW—泄放介質分子量;

P2—放散管出口處壓力(絕對壓力)，kPa;

T—放散管出口介質溫度，K;

R—氣體常數，8.314;

得出泄放介質密度后，可根據介質絕熱指數算出聲速VS:

式中:

Kg—泄放介質絕熱指數;

Vs—聲速，m/s;

在計算放散管出口流速之前需先確定泄放介質的馬赫數m，API 521第7.3.4.1節中提到，當放散管出口氣體流速在150m/s時能夠提供極好的擴散效果，因此馬赫數m可在0.4～0.5選取，放散管出口處流速及出口截面積可由以下公式計算:

式中:

m—放散管出口馬赫數;

v—放散管出口處介質流速，m/s;

W—泄放介質質量流量，kg/h;

AT—放散管出口截面積，m2;

確定了流速及出口截面積后，即可由下面公式計算得放散管直徑:

式中:

D—放散管出口直徑，m;

3.2放散管高度的計算

根據規范，在確定放散管高度時可先假定放散管為燃燒狀態，其次確定其熱輻射強度限制值，而后依據火炬高度計算的方法來確定放散管的高度。下面就放散管高度計算給出具體計算過程，大體包括以下幾步:火焰長度的確定，火焰變形計算，以及放散管高度計算。

3.2.1火焰長度(L)的計算

放散管火焰的長度主要取決于總熱量，其計算公式如下:

式中:

Q—燃燒釋放的總熱量，kW;

QL—泄放氣體的低熱值，k J/kg;

W—泄放介質質量流量，kg/h;

計算出釋放總熱量后可在API-PR-521，figure 7中查出對應的火焰長度L(m)。

3.2.2火焰變形長度計算

火焰變形計算需計算出介質的體積流量和放散管出口處的實際介質流速，公式如下:

式中:

Qvap—泄放氣體體積流量，Nm3/d;

T0—標準溫度，273K;

T—泄放介質操作溫度，K;

qvap—泄放氣體工況下體積流量，m3/s;

d—放散管出口直徑，m;

uj—放散管出口處流速，m/s;

由此，火焰中心距放散管頂部的垂直距離可由Yc=0.5×yΔ∑算得;火焰中心距放散管中心的水平距離可由Xc=0.5×XΣΔ算得;

3.2.3放散管高度的計算

首先需要計算出火焰中心至受熱點的距離，計算公式如下:

式中:

D—火焰中心至受熱點的距離，m;

τ—大氣中的熱輻射系數;

F—熱輻射因子(取決于泄放介質，參考API-PR-521，Table10進行取值);

Q—標準溫度，273K;

K—允許的最大熱輻射強度值，kW/m2;

K’—最大太陽熱輻射強度值，kW/m2;

r—大氣相對濕度，%;

在計算時，需使用試差法進行試算，首先假定τ值，從而可由公式計算出D，將D帶入τ的計算式中，若計算出的τ值與假定值一致，則計算結束。

放散管高度與火焰中心、受熱點位置的關系可見圖1。

由圖1可以得出以下關系:

h’=h+ 0.5∑Δy; R’=R-0.5∑Δx

式中:

R－受熱點至放散管中心間距，m;

R’－受熱點至火焰中心間距，m;

h－放散管高度，m;

h’－火焰中心至受熱點的垂直距離，m;

考慮最保守工況時，可令R’=0，即受熱點在火焰中心的正下方，此時R’=0，R=Xc。

由D2=R’2+h’2可知，當R’=0時，h’=D。若是有人員在受熱點時，還需考慮人員自身高度，保守起見，可使受熱點抬高至距離地面2m處，即h’在計算的結果之上再加2m。

從而由h=h’-Yc即可得到放散管的設計高度。

計算出放散管高度后，設計人員還需進行其他幾個方面的核算:一是泄放介質中有毒氣體擴散濃度，常規可使用FLARE SIM軟件進行計算，若擴散濃度能夠滿足環保要求，則計算值可用，否則需要進一步增加放散管高度后再次核算，直至滿足環保要求為止;二是可燃氣體濃度擴散核算，方法同有毒氣體擴散;三是校核系統背壓是否滿足上游壓力保護裝置正常開啟要求，通常可用FLARE NET 軟件進行核算。四是校核該設計的高度是否比周邊設備、建筑、煙囪及其他結構高出3m。

4　結語

相對火炬而言，放散管的配備沒有火炬系統復雜和完備，但其使用卻也非常普遍。隨著環保意識的不斷加強，放散管對環境的影響也逐漸引起人們的高度重視，因此在設計計算時必須嚴格按照規范核算其熱輻射強度、有毒氣體及可燃性氣體擴散對周邊環境的影響。API 521就放散管的尺寸及高度計算給出了詳細過程，在實際設計過程中參考使用。

[1]API RP 521 Pressure-relieving and Depressuring Systems, ADDENDUM,MAY 2008.

Cold vent pipe is a common relieving facility in oil field surface engineering in domestic or overseas. After expatiating each safety factor which need to be considered for design and application,the detail of process calculation method for size and height of vent pipe has been provided according to API RP 521. This can be used in practice design.

Cold Vent Pipe;Process Calculation Method;Safety factor

劉靜(1981—),女,新疆克拉瑪依人,中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司、中級工程師、碩士,研究方向:油田地面工程設計。