天然氣長輸管道火炬放空擴散規(guī)律研究

梁 俊 奕

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司 西南分公司，四川 成都 610041）

天然氣長輸管道火炬放空擴散規(guī)律研究

梁 俊 奕

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司 西南分公司，四川 成都 610041）

天然氣的放空擴散非常危險，研究天然氣長輸管道火炬放空擴散的規(guī)律，可以為其安全放空提供指導(dǎo)依據(jù)。PHAST軟件是公認(rèn)的最權(quán)威最準(zhǔn)確的后果分析軟件，可以用于長輸管道的天然氣放空擴散計算。采用該軟件建立天然氣長輸管道系統(tǒng)的亞臨界流不點火放空的擴散模型，確定天然氣在不點火放空過程中可能燃燒的危險區(qū)域。以某實際長輸管道為例，計算兩種工況下天然氣擴散規(guī)律。結(jié)果顯示，在放空過程中風(fēng)速影響天然氣的擴散。低風(fēng)速時，天然氣會向上擴散，在高風(fēng)速時，天然氣向水平方向擴散。天然氣50%LFL云團(tuán)水平距離隨風(fēng)速的增大而增加，云團(tuán)高度隨風(fēng)速的增加而減小。

天然氣；管道；立管；火炬；擴散

天然氣是多種烴的混合物，其中主要成分是CH4，天然氣在大氣中的爆炸極限為 5%～15%，在爆炸極限內(nèi)遇明火即爆炸，不僅會造成裝置的損壞，同時也會對周圍人員、環(huán)境等產(chǎn)生威脅，為了避免天然氣放空過程中造成的巨大損失。本文研究了天然氣長輸管道放空的擴散規(guī)律，為長輸管道天然氣放空提供指導(dǎo)依據(jù)。

韋煥杰對長輸管道天然氣放空所需時間計算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并將計算結(jié)果與其他計算方式進(jìn)行了分析對比，為生產(chǎn)調(diào)度與事故搶修等工作提供了理論依據(jù)[1]。秦琴運用國標(biāo)和 API標(biāo)準(zhǔn)的計算方法和Brzustowski-Sommer計算方法研究了長輸管道放空熱輻射的距離，并與PHAST軟件的計算結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)兩種計算方法結(jié)果較保守[2]。孔吉民根據(jù)天然氣放空時間及放空量進(jìn)行演算推理，得出了計算公式，并根據(jù)實際管道的參數(shù)計算了兩個閥室之間管線的放空時間和放空量[3]。齊建波根據(jù)西氣東輸二線閥室放空立管的參數(shù)，采用PHAST軟件對放空立管的出口天然氣擴散過程進(jìn)行了模擬，得出了天然氣燃燒后的熱影響強度和范圍[4]。

1 放空建模

PHAST軟件是定量的后果分析軟件，由 DNV公司開發(fā)，可以用于以下多個方面的后果分析：①氣體、液體及氣液兩相在大氣中的擴散；②火災(zāi)后果分析（包括：沸騰液體、池火、噴射火等）；③模擬爆炸后果（受限和不受限環(huán)境）；④物料泄漏速率計算。該軟件可以采用圖形來顯示模擬結(jié)果，還可以以文字的方式對結(jié)果進(jìn)行簡單的分析，PHAST軟件已被廣泛用于石油、天然氣和石油化工領(lǐng)域，至今已有20多年使用經(jīng)驗[5,6]。PHAST是公認(rèn)的計算后果最權(quán)威最準(zhǔn)確的軟件，對于擴散計算，其原理是通過導(dǎo)入放空口出口之后氣體膨脹至壓力為大氣壓時的溫度、流量、速度的這一狀態(tài)，模擬出一個穩(wěn)定持續(xù)放空工況下的擴散范圍。

通過 PHAST軟件來計算天然氣長輸管道系統(tǒng)的亞臨界流不點火放空的擴散過程，確定天然氣在不點火放空過程中可能燃燒的危險區(qū)域（危險區(qū)域邊界濃度為0.5LFL值）。

PHAST建模為不可視建模，沒有建模圖形，所有的建模通過參數(shù)輸入完成。現(xiàn)將模型簡化為天然氣在放空立管出口的持續(xù)排放。且排放出的天然氣壓力為大氣壓。對于擴散可燃性選擇模塊為 user defined，選擇泄放形式為 leak。瞬間擴張采用standard method，噴射氣體動量采用morton et.al 方程。擴散計算模型采用version 2。

建模過程中的關(guān)鍵參數(shù)的選取原則如下：

（1）放空質(zhì)量流量：由站場或線路放空系統(tǒng)水力計算獲得。對于線路有控制放空，可取規(guī)定放空時間內(nèi)的平均流量。

（2）放空立管口徑：由站場或線路放空系統(tǒng)水力計算獲得；

（3）放空立管高度：可選取類似規(guī)模工程的設(shè)計參數(shù)作為試算值，一般為20，25和30 m；

（4）風(fēng)速：根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)選取；

（5）大氣穩(wěn)定度：帕斯奎爾穩(wěn)定度，其取值與風(fēng)速有關(guān)。簡化選取方法為：風(fēng)速1 ～2.9 m/s為F；3 ～4.9 m/s為E；5 m/s以上為D；

（6）放空立管排放口天然氣溫度：此參數(shù)對擴散計算的結(jié)果影響較小。一般計算中可取天然氣由放空初始狀態(tài)節(jié)流到大氣壓后的溫度，精確計算時通過站場或線路放空系統(tǒng)水力計算確定排放溫度。

2 長輸管道放空擴散計算實例

以某長輸管道為例，管道中氣體組分見表1。

表1 天然氣組分表Table 1 Component table of natural gas

天然氣可燃性表見表2。放空系統(tǒng)的放空立管排放天然氣溫度5 ℃，放空立管高20 m，立管直徑DN400，排放角度為90°，環(huán)境溫度20 ℃，大氣相對濕度70%，一旦放空系統(tǒng)建設(shè)完后，擴散主要受風(fēng)速和周圍大氣溫度度影響，所以分別選取兩種工況，工況一：周圍大氣穩(wěn)定度為E，當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速3 m/s；工況二：周圍大氣穩(wěn)定度為D，當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速10 m/s，計算兩種工況下的擴散范圍。

表2 天然氣可燃性表Table 2 Flammability table of natural gas

3 計算結(jié)果

放空口的位置坐標(biāo)為(0,20)，風(fēng)向為從左至右，放空立管高度為20 m，經(jīng)過計算后擴散計算結(jié)果分別如圖1-2所示。

圖1 風(fēng)速和大氣穩(wěn)定為3E時天然氣濃度云圖Fig.1 Cloud chart of gas concentration when speed and atmospheric stability is 3E

圖2 風(fēng)速和大氣穩(wěn)定為10D時天然氣濃度云圖Fig.2 Cloud chart of gas concentration when speed and atmospheric stability is 10D

對比圖1和圖2可知，在放空過程中，在低風(fēng)速時，天然氣會向上擴散，在高風(fēng)速時，天然氣向水平方向擴散，形成一定的可燃?xì)怏w云團(tuán)。天然氣50% LFL云團(tuán)水平距離隨風(fēng)速的增大而增加，云團(tuán)高度隨風(fēng)速的增加而減小。在放空立管規(guī)格為DN400，高度20 m，放空量為17.03 kg/s(8.9×104m3/h)的條件下，天然氣放空過程中濃度達(dá)到LFL的距離最遠(yuǎn)為6.6 m，高度范圍為20～37.1 m；天然氣濃度達(dá)到50% LFL的最遠(yuǎn)距離為16.8 m，高度范圍為20～43.4 m(表3)。

Study on Diffusion Law of Gas During Long Distance Gas Pipeline Venting

LIANG Jun-yi
（China Petroleum Engineering Co.,Ltd.Southwest Company，Sichuan Chengdu 610041，China）

Diffusion of gas is very dangerous during flare venting. The research on the diffusion law of gas during long distance gas pipeline flare venting can provide guidance for gas blowdown.PHAST is recognized as the most authoritative and accurate consequence analysis software and can be used to calculate the flare venting. The software is adopted to establish subcritical flow diffusion model of gas during long distance gas pipeline venting. Danger zone of gas ignition can be determined. In this paper, taking a practical long-distance pipeline as an example, diffusion law of natural gas was calculated under the two conditions. The results show that wind speed can affect the gas diffusion.The gas upward diffuses when wind speed is low; the gas horizontally diffuses when wind speed is high.Natural gas 50% LFL cloud horizontal distance increases with the increase of wind speed and cloud height decreases with the increase of wind speed.

Natural gas；Pipeline；Riser；Flare；Diffusion

TE 88

A

1671-0460（2016）03-0559-02

2015-03-18

梁俊奕（1989-），男，四川成都人，助理工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：主要從事天然氣長輸站場工藝方面的設(shè)計和研究。E-mail：Liangjunyi_sw.cnpc.com.cn。