輸氣站放空火炬熱輻射影響與安全距離研究

李新建

國家管網集團西氣東輸公司合肥輸氣分公司

天然氣分輸站放空系統用于生產設備在維檢修和應急狀態時，對需緊急泄放的天然氣進行高空排放或燃燒，以保證輸氣站場的安全。輸氣站放空分為熱放空和冷放空兩種形式：點火燃燒放空天然氣稱為熱放空；不點燃放空天然氣，把天然氣直接排放到大氣稱為冷放空。絕大部分站場的放空系統具備熱放空條件，個別站場由于條件所限，只設放空立管，無點火裝置，只能冷放空。熱放空過程會產生大量的熱輻射，可能會對周圍的操作人員、設備、樹木、建筑物帶來嚴重的損害；因此，需要計算放空火炬熱輻射的安全距離，避免熱放空對放空區周邊的人員、設備和建筑物造成傷害[1]。

1 熱輻射及其影響因素分析

氣體燃燒是在一定條件下，可燃成分與氧氣發生激烈的氧化反應，并伴隨發光、放熱。天然氣熱放空時，一般放空量很大，會呈現不完全燃燒現象，產生炭黑并形成發光火焰。火焰的輻射射線投射到其他物體上，部分穿透物體，部分被反射，還有一部分被吸收。天然氣火焰中具有輻射能力的是CO2、水蒸氣、NOx等氣體，以及炭黑粒子。炭黑粒子的存在大大提高了輻射強度，火焰射線形成超過3 m，熱輻射可簡化為黑體輻射。根據Stefan-Boltzmann 定律，黑體表面單位面積輻射出的總功率與黑體本身的熱力學溫度的四次方成正比，溫度升高會極大提高輻射強度。

放空天然氣射流燃燒屬于非預混擴散噴射火焰，對周邊人員、設備和環境的危害，主要來源于火焰燃燒的熱量傳遞，熱傳遞包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式，熱輻射起主要作用[2]。熱輻射與火焰溫度、燃燒介質組分，以及輻射特征、環境介質的輻射吸收與散射、輻射層有效厚度相關，燃燒介質的輻射、散射能力與其輻射波長相關[3]。

1.1 熱輻射強度要求

安全熱輻射強度是指人員、設備在沒有防護情況下，能長時間、安全承受的最大熱輻射。國內外的標準、規范沒有對熱放空影響范圍給出明確規定，要求熱放空影響范圍應根據安全熱輻射強度計算。國內的兩個重要規范GB 50183—2015《原油天然氣工程設計防火規范》、SB 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》，都參考了美國石油協會API 521—2020《泄壓和減壓系統》推薦的安全熱輻射值。

SB 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》將4 kW/m2作為人員可以接受的熱輻射上限，超過該熱輻射強度的區域內人員可能存在燒傷風險；將12.5 kW/m2作為設備可以承受的熱輻射上限，超過該熱輻射強度會對設備造成損傷；將37.5 kW/m2作為嚴格禁止區[4]。

1.2 熱輻射范圍影響因素

放空燃燒火焰對周圍的影響過程復雜，受放空速率、風速、風向、放空火炬出口直徑與高度、障礙物等因素的影響[5]。

（1）放空速率。放空速率與放空壓力和閥門開度有關，熱輻射強度和影響范圍隨放空速率變大而變大，放空火焰的長度也越大。當放空速率逐漸增大時，火炬噴射的燃料較多，燃料上升到一定高度才被完全燃燒；因此，火焰越來越長，在近地面產生的熱輻射強度等值線圖越來越趨于中心對稱分布，風對火焰的傾斜角度和熱輻射強度分布的影響越來越小[6]。

（2）風速、風向。風速會加快天然氣與空氣之間熱量和物質的交換，加劇燃燒，同時還會使火焰傾斜；下風向熱輻射強度明顯大于上風向，下風向地面熱輻射強度隨著與火炬地面距離增加，而先增大后減小。相同條件下，地面熱輻射強度隨風速增強而變大。

（3）火炬出口直徑與高度。火炬出口直徑會直接影響放空氣體的流量，進而引起燃燒熱量和熱輻射范圍的變化。火炬出口直徑越大，熱輻射影響范圍越大，最大熱輻射強度值出現的位置與火炬的距離也越大；火炬越高，熱輻射對地面的影響范圍越小；但是，增加火炬口徑和高度，會增加放空區的征地范圍和火炬采購成本。

（4）障礙物。由于長輸天然氣管道站場閥室放空區附近可能有山體、樹林、建筑物等障礙物，會影響熱輻射的分布。熱輻射主要聚集在障礙物上方，障礙物頂部更易因高強度熱輻射而發生事故。隨著障礙物與火炬間距増加，障礙物迎風面的熱輻射影響區域變大、強度變小。

2 放空形式分析與風險控制措施

熱輻射對放空區周邊人員、設備、植物及建筑物構成威脅，熱放空作業時需注意下風向的易燃易爆物、高大樹木、較高的山體或者建筑物。熱放空作業前，需根據模擬或者計算得到的熱放空安全距離，砍伐該范圍內的樹木，轉移可燃物，在安全距離的基礎上加上裕量，設置警戒線，疏散居民，防止無關人員進入警戒區。山體、障礙物迎風面和頂部的熱輻射強度值很大，尤其需要加強安全防范措施和警戒范圍。

冷放空不存在熱輻射問題，安全半徑僅為相同條件下熱放空的20%～40%。近年來，西氣東輸公司越來越多地采用冷放空形式泄放天然氣。冷放空時，當大氣中天然氣濃度低于爆炸濃度下限時，無燃燒爆燃風險，對地面沒有直接影響。但是，大氣中天然氣濃度不易準確測量，特定條件下可燃氣體聚集遇明火會爆燃，形成后果嚴重的沖擊波和熱輻射。冷放空時也應建立警戒區，防范煙花爆竹、孔明燈等意外火源，避免雷電天氣。天然氣主要組分CH4對遠紅外輻射的吸收比CO2更強烈，溫室效應約是CO2的16倍，因此冷放空對環境保護具有不利因素[7]。

3 熱放空安全距離計算

熱放空安全距離是指人體或設備與火炬所保持的水平半徑，在此半徑下能安全承受的最大輻射熱。根據運行經驗及工程慣例，輸氣站放空系統計算僅考慮緊急放空的極端工況。緊急放空是指當發生火災、爆炸、較大泄漏等嚴重危害安全生產事故時，觸發ESD（緊急停車系統）的情況，需將輸氣站管存天然氣快速放空。其特點是發生頻率低、持續時間短、瞬時流量大、過程不可控[8]。在進行放空系統計算時，一般遵循GB50251—2015《輸氣管道工程設計規范》和美國石油協會API 521—2020《泄壓和減壓系統》的要求，按照15 min 內把輸氣站壓力降至690 kPa 或降至50%的設計壓力（取較低值）計算安全距離、設計放空系統[9]。

合肥北站2019 年建成投產，主要功能是接收上游來氣，經站內過濾、計量、調壓后給下游用戶分輸供氣。以西氣東輸合肥北站為例，計算緊急熱放空的安全距離。合肥北站放空系統參數見表1。

表1 合肥北站放空系統參數Tab.1 Venting system parameters of Hefei North Station

放空火炬出口天然氣流量由最大放空量確定。合肥北站全站放空物理管容為75 m3，最大運行壓力為設計壓力10 MPa（實際放空時可選運行壓力）。緊急放空時，按照15 min 內將站內設備的壓力降至690 kPa 計算，10 MPa 時管存天然氣為7 835 m3（標況，是指在0攝氏度1個標準大氣壓下的氣體體積，下同），690 kPa時管存天然氣為516 m3，15 min 內放空天然氣7 319 m3，火炬出口天然氣體積流量Qv為8.13 m3/s。

3.1 單點源模型安全距離計算

單點源模型是指將火炬的出口到火焰的頂端距離的1/3處的一個點視為火源[10-11]，將火焰燃燒產生的全部熱量視為從這個點發出。單點源模型安全距離見圖1。

圖1 單點源模型安全距離示意圖Fig.1 Schematic diagram of safe distance of single point source model

單點源模型熱輻射量的計算方法如下：

式中：I為輻射點源對目標點處的熱輻射量，kW/m2；η為燃燒效率因子，噴射火焰取0.35；Xg為大氣穿透因子，噴射火焰取0.2；Qv為放空氣體的體積流量，m3/s；HL為燃氣的標況低位發熱值，天然氣取36 533 kJ/m3；D為輻射點源到目標點的距離，m。

根據API 521—2020《泄壓和減壓系統》，人體長期暴露無不適感的熱輻射量取1.58 kW/m2；根據SH 3009—2001《石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范》，太陽熱輻射均值取0.93 kW/m2；火焰安全熱輻射量取上述二者的差值0.65 kW/m2。

由式（1）求解得出D為50.5 m。根據SB3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》，按照120 倍的火炬出口直徑Df近似計算，火焰長度L=120×0.25 m=30 m。火焰中心即輻射點源位置取火焰長度的1/3處，火炬高度H加火焰長度L的1/3為輻射點源距離地面高度（25 m）；再根據勾股定理可求出放空火炬的安全距離R為43.9 m，取44 m。

3.2 輻射熱強度模型安全距離計算

輻射熱強度是指單位時間內單位面積所受到的熱輻射量。不同的輻射熱強度下，人所能耐受的時間也不同。由圖2 可知，輻射熱強度在1.5 以下時，曲線趨向于水平，人可以長時間耐受，以此輻射熱強度作為確定放空火炬高度或安全距離的標準[12]。因此，人可以長時間耐受的輻射熱強度為6.27×103kJ/(m2·h)。輻射熱強度模型安全距離見圖3。

圖2 人體耐受時間與輻射熱強度關系Fig.2 Relationship between human tolerable time and radiant heat intensity

圖3 輻射熱強度模型安全距離示意圖Fig.3 Schematic diagram of safe distance of radiant heat intensity model

輻射熱強度計算公式如下：

式中：q為輻射熱強度，取6.27×103kJ/(m2·h)；ε為火焰輻射率；Q為火焰的總發熱量，Q=QvHL，kJ/h。

其中火焰輻射率ε 的經驗計算公式[13]為：ε=，M為相對分子質量，天然氣取16.654，因此天然氣的火焰輻射率為0.2。對于合肥北站，依據Q為1.07×109kJ/h 計算，可以得出D為52.1 m；合肥北站放空火炬高度H為15 m（不考慮火焰的高度）；再根據勾股定理可求出放空火炬的安全距離R為49.9 m，取50 m。

3.3 考慮環境因素的單點源模型分析

風速、風向、濕度、溫度等環境因素會影響熱放空的火焰形狀，進而影響熱放空安全距離（圖4）。受到風速、風向的影響，火焰會產生偏移，長度也會變化。對于火焰長度L的計算，需要考慮環境溫度、天然氣射流速度、馬赫數等因素；對于火焰中心水平偏移距離ΔX、垂直偏移距離ΔY的計算，需要根據當天的環境風速與天然氣射流速度的比值，查詢工程數據手冊（石油工業出版社1987年第10版）；為了更加精確計算安全距離，還需要進一步計算火焰的升空距離B。考慮環境因素的單點源模型計算過程較為復雜，計算結果小于單點源模型但更加精確，二者相對誤差15%左右；與輻射熱強度模型計算結果的相對誤差為30%。涉及環境因素的單點源模型多用于工程設計領域的精確計算。

圖4 考慮環境因素的單點源模型輻射示意圖Fig.4 Schematic diagram of radiation of single point source model considering environmental factors

4 結論

天然氣熱放空的速率、風速、風向、放空火炬高度等因素，直接影響火炬熱輻射的安全距離。放空作業中，要考慮到上述因素的影響，調整警戒布控范圍。輸氣站熱放空操作前計算熱輻射的安全距離，可以給操作人員采取安全措施、確定警戒范圍提供依據，避免對放空區周邊人員、設施造成傷害。

輻射熱強度模型安全距離計算結果偏保守，單點源模型安全距離計算結果相對準確，這兩種計算方法都非常簡單，可供一線生產人員便捷使用。考慮環境因素的單點源模型計算方法，其計算結果更加精確，但計算過程非常復雜。

合肥北站放空火炬距離站內工藝設備50 m，距離附近農業生產設施120 m，距離附近高鐵線路180 m，均符合熱輻射安全距離的要求。