輸氣站場放空立管防火間距的研究

李世平，張凱靈，孫菁，楊曉東，梁昌晶

(1. 河北華北石油工程建設有限公司，河北 任丘 062552；2. 中國石油西南油氣田公司 輸氣管理處，四川 成都 610000；3. 中國石油西南油氣田公司 川西北氣礦，四川 江油 621741；4. 中國石油華北油田公司 二連分公司，內蒙古 錫林浩特 026000；5. 河北華北石油港華勘察規劃設計有限公司，河北 任丘 062552)

中國輸氣站場放空作業主要通過放空立管和點火裝置完成，當站場(壓氣站、分輸站、清管站)需檢修或進出站超壓時，需將站場內所有存留的氣體放空；當線路閥室之間的管道發生意外或檢修時，需將管道內所有存留的氣體放空。放空作業按照是否點火可分為冷放空和熱放空。

目前，國內相關的標準有GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》、GB 50160—2008(2018年版)《石油化工企業設計防火規范》、GB 50183—2004《石油天然氣防火設計規范》，其中前兩個規范主要規定了放空系統的總體設置，GB 50183—2004適用于新建、擴建及改建的陸上油氣田工程、管道工程和海洋石油陸上終端處理工程，詳細地規定了放空系統的放空量、防火間距、立管高度、設置位置等。該標準規定，放空立管和火炬與站場的防火間距，對于冷放空，當放空量不大于1.2×104m3/h時，不應小于10 m，當放空量大于1.2×104m3/h且不小于4×104m3/h時，不應小于40 m；對于熱放空，可能攜帶可燃液體火炬的防火間距應根據熱輻射計算確定，與站場的間距為90 m。隨著新建管道的直徑和壓力等級越來越高，管輸量越來越大，大部分放空作業時量已超過4×104m3/h，該標準未給出相應作法，如按照行業的通用作法采取90 m防火間距，將導致站場及閥室占地面積大、選址困難、投資超支等問題，嚴重制約管道工程的發展。因此，采用DNV PHAST軟件模擬不同放空量、不同風速條件下的氣體擴散和熱輻射范圍，確定冷放空和熱放空作業下的防火間距，以期為該標準的修訂提供技術參考。

1 基礎參數及防火間距選取原則

1.1 基礎參數

放空過程屬于非穩態流體流動過程，流動形式主要為湍流，在此采用UDM模型模擬立管冷放空中氣體的擴散情況，該模型假設云團不發生卷吸作用、擴散氣體不與空氣中其他組分發生反應、在碰撞到地面后完全反彈。

參照API RP521： 1997《泄壓和減壓系統導則》計算立管熱放空中火焰中心與地面受熱點之間的熱輻射強度，根據目標受熱點的熱輻射通量值，確定防火間距。

站場因事故狀態造成的緊急放空一般為不可控放空，持續時間短、放空量大，以某站場為例，取最大瞬時放空量2×105m3/h，放空連接線和放空立管的管外徑均為508 mm，立管高度25 m，初始放空壓力為6 MPa，氣體出口速度不大于170 m/s，氣體組分的摩爾分數xB見表1所列。

表1 氣體組分的摩爾分數

按照PR氣體狀態方程進行模擬，得到氣體的爆炸上限(UEL)為16.5%，爆炸下限(LEL)為4.4%。大氣穩定度根據帕斯奎爾的方法進行分類，通過調取當地氣象資料，大氣穩定度為D～E，空氣濕度為65%。

1.2 防火間距選取原則

對于冷放空作業，當氣體擴散濃度在(0.5～1.0)LEL時，只要點燃能量足夠，依然會發生閃火，同時考慮到不同因素對氣體擴散的影響，分析氣體在不同濃度下擴散的邊界分布空間，以0.5LEL的邊界作為最不利條件。即冷放空作業時，立管與站場之間的防火間距不應小于0.5LEL所限定的邊界空間。

為了避免站場內工藝設備、電氣儀表及操作人員受火焰熱輻射的影響，根據GB 50183—2004中的條文說明及API RP521： 1997的規定，對操作人員所處目標受熱點的熱輻射強度及條件進行了規定，見表2所列。一般站場內操作人員均穿有合適的防護服，且經過安全培訓和應急疏散演練，可以在10 min內完成緊急撤離，因此選擇熱輻射強度4.75 kW/m2作為熱放空的最不利條件。即熱放空作業時，立管與站場之間的防火間距不應小于該允許熱輻射條件下計算的邊界空間。

表2 允許熱輻射強度及條件

2 模擬計算

經研究表明，風速、放空量、大氣穩定度、空氣濕度、圍墻高度等均會影響可燃氣體云團的擴散范圍，其中大氣穩定度和空氣濕度對云團在空氣中的卷吸作用影響較小，立管高度一般超過25 m，圍墻高度對云團的垂直距離影響不大，因此只研究不同風速、不同放空量條件下的氣體擴散和燃燒熱輻射強度范圍。

2.1 冷放空

采用DHV PHAST軟件模擬3種瞬時放空量5×104，1×105，2×105m3/h分別在風速1，5，10，15，20 m/s條件下的冷放空擴散范圍，得到不同風速條件下0.5LEL限定的邊界空間，如圖1所示。不同放空量條件下氣體擴散范圍的規律基本一致，風速較低時，立管出口處的氣體流速較高，氣體主要向垂直方向擴散；風速較高時，湍流作用加強，同時立管出口處的噴射力減弱，氣體從垂直方向逐漸向水平方向移動。對比相同風速不同放空量條件下，放空量越大，出口動力越強，氣體的擴散范圍越大。以2×105m3/h為例，風速分別為1，5，10，15，20 m/s時，可燃氣體濃度為0.5LEL的下風向擴散距離分別為16.2，23.5，27.3，28.8，29.4 m。即當采取冷放空作業時，不同風速下放空立管與站場的防火間距分別為 16.2，23.5，27.3，28.8，29.4 m。此外，當風速超過10 m/s時，云團下風向的擴散能力明顯減弱，風速對擴散距離的影響越來越小，主要原因是當放空量一定時，風速越大，周圍空氣對云團的稀釋剪切作用越強，為了保持一定的出口流速，短管時效的作用越大，云團的擴散能力越弱。

圖1 不同風速和放空量條件下的氣體擴散范圍示意

2.2 熱放空

熱放空作業時，氣體燃燒產生的熱輻射會對周圍的人、設備、建筑物造成損傷，損傷的嚴重程度主要以熱輻射值衡量。采用DNV PHAST軟件模擬5×104，1×105，2×105m3/h 3種瞬時放空量分別在風速為1，5，10，15，20 m/s條件下的熱放空擴散范圍，得到允許熱輻射強度4.75 kW/m2下的邊界空間，如圖2所示。當下風向距離相同時，風速越大熱輻射強度越大，在同一放空量條件下，熱輻射值呈先增加后減小趨勢，并隨著下風向距離的增加，熱輻射強度逐漸趨于最小化。以放空量2×105m3/h為例，當采取熱放空作業時，風速為1 m/s時，防火間距可不作限制，當風速分別為5，10，15，20 m/s時，防火間距應分別取44.5，54.9，61.7，67.2 m，均小于GB50183—2004中立管與站場間距90 m的規定。

圖2 不同風速和放空量條件下的熱輻射范圍示意

3 結束語

采用DNV PHAST軟件模擬分析了不同放空量和不同風速下的氣體擴散和熱輻射范圍，特點如下：

1) 在綜合考慮各影響因素的前提下，規定了防火間距的選取原則，對于冷放空作業，立管與站場之間的防火間距不應小于0.5LEL所限定的邊界空間；對于熱放空作業時，立管與站場之間的防火間距不應小于4.75 kW/m2允許熱輻射條件下計算的邊界空間。

2)當放空量為2×105m3/h，風速20 m/s時，冷放空的防火間距為29.4 m，熱放空的防火間距為67.2 m，均小于GB50183—2004中立管與站場防火間距的規定。