對輸氣站放空管設置的幾點看法

張章

摘 要：針對輸氣管道工程的站場放空系統，本文采用SAFER TRACETM化學事件分析系統，對放空管和放空火炬進行泄放擴散模擬，得出一定工況下對周邊的影響范圍；通過對相關國內外標準規范規定要求的比較，分析放空管設置的合規性；從安全、經濟、占地、事故概率以及標準執行等方面論證了放空管設置的可行性。

關鍵詞：輸氣管道；輸氣站；放空管；放空火炬；放空量

目前中國已成為繼美國和俄羅斯之后全球第三大天然氣消費國，2014年我國天然氣消費量1800×108m3/a，《能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）》提出2020年我國天然氣供應能力將達3760×108m3/a，從一定意義來說，2005年以來我國輸氣管道工程建設的高峰期仍將持續，可是由于對放空管設置的認識問題，致使人們片面認為放空管不安全，必須采用放空火炬，受限地區甚至被迫采用了地面火炬，由此帶來了用地擴大、投資增加等一系列的問題。就此筆者提出幾點看法。

1 放空管的作用

輸氣站是輸氣管道工程的主要構成之一，而放空系統又是輸氣站不可缺少的內容。由于處理工藝及介質的差異較大，輸氣站的放空系統與油氣田站場、石油化工廠相比，無論是在放空介質，還是在工藝流程環節都要簡單的多。圖1為輸氣管道工程典型分輸站工藝流程圖。

為使放空系統表達的更清楚，圖1對除放空系統以外的內容進行了簡化處理。從圖1所示看出，輸氣站的放空系統一般由泄壓設備（閥）、管線、放空管（或放空火炬）組成，其主要功能包括設備放空、站場放空、站外管線放空。

設備放空：壓縮機組、儀表風儲罐、排污罐等設備上設有安全閥，當設備壓力達到設定壓力時安全閥起跳，實現緊急放散；同時設備還有手動放空，能夠在檢修時實現放空；站場放空：工藝裝置區各管段都設有手動放空，在設備進行維護和檢修時可將管段內天然氣放空。站內進、出口處安裝了緊急放空閥BDV和限流孔板，BDV與ESD系統聯動，根據具體情況可實現保壓關斷或泄壓關斷。當站內出現緊急事故，全站一級關斷時，BDV閥門迅速自動開啟，將天然氣通過放空管放空；站外管線放空：通過進、出站緊急關斷閥前后的放空閥能夠將站場與上、下游截斷閥室間的天然氣，實施檢維修。

簡單來說，輸氣站的放空系統就是為完成超壓泄放、緊急放空及開、停工或檢修時排放出的天然氣進行收集和處理而設置的。

在放空系統中，放空管或放空火炬是天然氣排至大氣的最后一道工序，區別在于前者是將天然氣（甲烷）直接排入大氣，后者

是將甲烷燃燒轉化為二氧化碳（與水蒸氣）后排入大氣，兩者對周邊安全、環境影響各有不同，本文僅對其周邊安全的影響進行分析。

2 放空管與放空火炬對周邊的影響

為從安全角度更好地對放空管與放空火炬進行比較，本文對放空管擴散范圍和放空火炬熱輻射范圍進行模擬計算。

計算采用的軟件為SAFER TRACETM化學事件分析系統，TRACE軟件可用于泄漏到大氣中的有毒、易燃、易爆等化工產品的危險評估，可通過一整套復雜的計算方法來模擬儲罐故障、管線泄漏、泄漏源的物理現象、重質氣體模擬、高斯擴散等有毒、易燃氣體的泄漏，還可模擬熱輻射半徑和爆炸超壓沖擊區域，幫助我們建立一整套用于處理緊急事件的行動方案，由于TRACE軟件的強大功能和靈活性，TRACE軟件已廣泛地用于意外泄漏模擬、潛在危險評估、風險管理方案、量化風險評估、人員傷害評估等領域。

通過該軟件建立的“天然氣擴散影響”的相關模型，均基于高斯模型。該模型為穩態泄放擴散模擬，天然氣擴散范圍分為兩個區域。在第一區域中，初始釋放濃度和速度（被假定為均勻分布在整個出口平面）逐漸轉變為高斯分布。在第二區即的流動區域中，速度和濃度分布具有一定的高斯形狀。模型中，假定噴射流建立的柱的橫截面是圓形羽狀區域內的。在噴射流建立區域由于大氣湍流的各向異性，橫截面為橢圓狀，主要的軸的DZY和DSZ為常數。見圖2。

為便于放空管與放空火炬對周邊的影響分析比較，根據目前國內輸氣管道工程的輸氣站放空系統設置情況，選擇三種工況條件進行模擬：

工況一：泄放量1.2×104m3/h，泄放口徑DN100，泄放口高度：放空管、放空火炬均為15m；

工況二：泄放量4.0×104m3/h，泄放口徑DN150，泄放口高度：放空管15m，放空火炬25m；

工況三：泄放量10.0×104m3/h，泄放口徑DN300，泄放口高度：放空管15m，放空火炬40m。

模擬條件為：

①放空管影響范圍為天然氣爆炸下限，即在空氣中5%濃度時，距離管中心位置的最大擴散距離；

②放空火炬影響范圍為距地面一定高度時，水平面所受的熱輻射強度為1.58kW/m2時，距離火炬中心位置的最大熱輻射范圍；

③風速分別按2m/s、5m/s、8m/s取值；

④泄放時間為30min。

各工況下放空管與放空火炬對周邊的影響范圍模擬情況見圖3～圖20，具體數值匯總見表1。

通過SAFER TRACETM建立的“天然氣擴散影響”模型對各工況下放空管與放空火炬對周邊的影響范圍進行模擬的結果表明：

①雖然兩者影響因素不同，前者控制的是安全距離，后者控制的是熱輻射，但綜合比較，在泄放量相同的情況下，放空管較放空火炬的影響范圍小的多；

②在一定的范圍內，放空量對放空管的影響不大，但對放空火炬的影響很大；

③在一定的范圍內，風速對放空管的影響不大，但對放空火炬的影響很大。

3 放空管設置的相關標準

美國國家標準《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》ASME B31.8-2012第843.3.3“安全裝置”、第843.3.4“壓縮機站限壓要求”、第845.3“對于泄壓設計和限壓裝置要求”以及第846“閥門”等條款均對放空作了規定，“緊急停車系統應在站內氣體區域以外至少設兩個能單獨使用的操作點，最好設在壓縮機站圍墻出口附近，但距站界不要超過150m。放空管應延伸到在放空氣體時不會危及壓縮機站及附近區域的位置”、“泄壓閥的放空管線應延伸到放氣時不會發生危險之處。放空管線應有足夠的流通能力，使其不阻礙泄壓閥的動作”、“泄壓設備的排氣孔、放空管或出口應安裝在易于排放到大氣而不會對環境產生危害的地方。應該考慮暴露在附近的情況，包括天然氣管道與電力線并行時應考慮排污管線排出的氣體遠離電導體。需要保護的設備，排氣孔或放空管應加雨罩防止進入水”、“陸上新的輸氣干線在實施時應安裝截斷閥，當管道維修或出現緊急事故時用來隔離。當確定截斷閥間距時，首先考慮截斷閥易于操作的安裝的位置”、“分段截斷閥應安裝在易于接近操作的地方，并且保護不受到損壞或隨意操作。若裝有放空閥，選擇時安裝位置應保證在放空過程不會截斷閥產生危害”“安裝放空閥，便于主閥門之間的管線均能放空。放空管線規格和能力，應滿足在緊急情況的快速放空”。俄羅斯СНиП 2.05.06-85《干線管道設計規范》也規定了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。

《輸氣管道工程設計規范》GB50251-2003在編制過程參考了ASME B31.8的作法，其第3.4條“輸氣管道的安全泄放”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”、“輸氣站存在超壓可能的受壓設備和容器，應設置安全閥。安全閥泄放的氣體可引入同級壓力的放空管線”、“放空氣體應經放空豎管排入大氣，并應符合環境保護和安全防火要求”、“輸氣干線放空豎管應設在圍墻外，與站場及其他建（構）筑物的距離應符合現行國家標準《石油天然氣工程設計防火規范》GB50183的規定”?！妒吞烊粴夤こ淘O計防火規范》GB50183-2004第4.0.8條規定，“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：火炬由本規范第5.2.1條確定；放空管放空量等于或小于1.2×104m3/h時，不應小于10 m；放空量大于1.2×104且等于或小于4×104m3/h時，不應小于40m”。

從中看出，ASME B31.8強調的是輸氣干線及壓縮機站應設置放空系統，型式為放空閥或放空管，而《輸氣管道工程設計規范》GB50251對放空管的設置規定參照了ASME B31.8的相關條款內容，是一致的，主要是放空量、安全距離等涉及到《石油天然氣工程設計防火規范》GB50183的規定中存在含糊的問題，如放空管的防火間距是否合理，超過4×104m3/h是否就要設置成火炬等，這些給實際工程設計和建設帶來了很大的不便。

4 幾點看法

①放空管控制的是天然氣爆炸下限，即在空氣中5%濃度時，距管中心位置的最大擴散距離，放空火炬控制的是距地面一定高度時，水平面所受的熱輻射強度為1.58kW/m2（本文采用值）時，距火炬中心位置的最大熱輻射距離。通過SAFER TRACETM建立的“天然氣擴散影響”模型對各工況下放空管與放空火炬對周邊的影響范圍進行模擬的結果表明，放空管受放空量或風速的大小影響不大，而放空火炬受之影響很大，相對來說，設置放空管更易受控，也是安全的。

②工程建設必須執行相關標準規定，且首先應滿足國家標準要求，而國外標準僅為參考。對輸氣管道工程項目來說，《輸氣管道工程設計規范》GB50251-2003對放空管的要求已經十分明確，關鍵在《石油天然氣工程設計防火規范》GB50183-2004對放空量的規定較為模糊，目前《輸氣管道工程設計規范》GB50251-2015已經建設部頒布，將于2015年10月1日起實施，其在放空管的規定要求上更進一步作了明確要求，而《石油天然氣工程設計防火規范》GB50183正在報批中。因此放空管的采用，在國家標準的執行方面是不存在問題的。

③從事故概率角度，人們的目標是“零容忍”，即追求事故概率為零。按照事故概率理論，全過程的事故概率為過程事故概率的乘積，其應為內部條件和外部條件的組合，對于輸氣管道工程的放空管來說，事故概率需考慮到結構本體、操作規范、周邊環境、自然條件以及人的活動等，其事故概率是很小的，從國內外輸氣管道工程事故統計來看，尚未出現因設置放空管發生安全事故的案例。

④設置放空管較放空火炬也是最為經濟的做法。輸氣管道事故放空的頻率非常低，一般多出現在管道工程改擴建以及系統檢維修時的放空，量小且時間短，完全可以采用放空管，目前線路截斷閥室就是這種作法。放空火炬的投資較放空管大的多，且設置復雜，電氣元件多，反而對設備系統的安全性要求高。

⑤在充分考慮風向對相關設施的影響的前提下，放空管完全可以設置在站內。我國人均土地面積在世界排110位以后，耕地面積排在126位以后，有664個市縣的人均耕地在聯合國確定的人均耕地0.8畝的警戒線以下。放空管的設置在一定意義上可以有效減少占地，這也是我們每一個工程建設者應考慮的問題。