壓氣站火炬熱輻射影響范圍及控制措施分析

茍建仁

國家管網集團聯合管道有限責任公司西部分公司塔里木輸油氣分公司，新疆庫爾勒 841000

壓氣站是天然氣增壓設備的站場，壓氣站的可燃氣體通過火炬進行處理[1]。當放空火炬點火時，所產生的熱輻射會對附近的人員、設備設施造成影響，甚至損毀[2]。因此對放空火炬燃燒熱輻射進行分析十分重要[3]。

天然氣放空一般分為冷放空和熱放空。熱放空就是通過點火方式將放空的天然氣處理掉，主要后果為噴射火焰以及熱輻射對周圍的影響；冷放空是直接將天然氣排放，若立即點燃則與熱放空危害相同，如延遲點燃則會形成可燃氣云，遇到周圍點火源存在閃火的風險[4]。因此，需要計算放空火炬熱輻射的影響范圍，避免對附近的人員、設備和建筑物造成損害[5]。

目前大多數學者對放空火炬燃燒熱輻射進行數值模擬研究。王東寶等[6]基于CFD 數值模擬軟件對海洋平臺放空燃燒和熱輻射進行了模擬，對熱輻射的危害性進行評估。Ferrara 等人[7]基于非穩態RANS 方法建立了二維軸對稱CFD 模型，通過改變點火位置、管道直徑和長度等，研究可燃氣體通過泄壓管道排放時的爆炸情況，得到氣體放空速率是爆炸嚴重程度重要影響因素的結論。張明等[8]用Fluent軟件對可燃氣體的冷放空擴散情況進行了數值模擬。張家豪[9]利用Fluent 軟件研究火焰溫度分布及放空火焰安全熱輻射距離的計算方法。以上研究通過CFD 數值模擬軟件，基于流動和傳熱對放空氣體擴散的影響因素進行分析，但缺乏相關安全方案的評估和有效的風險減緩措施。

輪南壓氣站地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，是西氣東輸一線首站和西氣東輸二線輪吐支干線首站。在輪南壓氣站，距離放空火炬1 km 內有大量設備設施和紅柳樹。大量可燃氣體燃燒時產生熱輻射，可能對站場工作人員和設備造成危害，因此必須對放空火炬熱輻射的危害性進行評估。本文根據輪南壓氣站實際放空參數和周圍情況，結合設施及可燃物質的熱輻射限值，基于事故后果分析軟件PHAST，對該站場火炬放空開展熱輻射影響分析，評估放空熱輻射對周圍設施的影響，對于超出限值的工況提出有效的風險減緩措施。

1 關鍵參數

1.1 基礎數據

以輪南壓氣站放空系統的放空火炬為例，對其開展熱輻射分析。輪南站天然氣管容為1 266 m3，放空管高度為28 m，放空管直徑為350 mm，氣體出口溫度為55 ℃，設計壓力為10 MPa，運行壓力為9.8 MPa，排放物為天然氣（92.3%為甲烷）。

氣象參數根據輪南壓氣站所在地的溫度、氣壓、太陽輻射等環境因素綜合確定，白天平均大氣溫度為19.0 ℃，夜間平均大氣溫度為5.0 ℃，大氣壓力0.102 9 MPa，太陽輻射值0.5 kW/m2。根據SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風險評價導則》中推薦的大氣穩定度和風速組合選擇方法，結合輪南站所在地區近一年來的風速統計數據，本次選擇大氣穩定度和風速組合數據下的3種典型風頻數據：1.5 m/s（A 穩定）、5.0 m/s（D 中等）、10.8 m/s（D中等）。

1.2 現場情況

放空火炬周圍1 km內的設施如表1所示。

表1 放空火炬周圍設施

1.3 熱輻射準則

天然氣放空形成可燃氣云或噴射火?？扇細庠品秶撝颠x擇爆炸下限的50%，放空氣體可燃極限為2.5%～15%；噴射火熱輻射強度閾值見表2。

表2 噴射火熱輻射強度閾值

考慮到放空火炬系統排放和環境噪聲的要求，按照SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》，本文所涉及閥室放空火炬出口的馬赫數應不大于0.5，放空火炬出口馬赫數的計算公式如下：

式中：qm為氣體放空流量，kg/h；p2為火炬出口壓力，kPa；d為火炬出口內徑，m；Z為放空氣體壓縮系數；T為放空氣體熱力學溫度，K；k為放空氣體的絕熱指數；M為放空氣體平均分子量，g/mol。

2 計算結果與分析

2.1 輻射范圍影響分析

火焰熱輻射是火炬放空的主要風險，根據表2中輻射強度閾值進行不同風速（1.5、5.0、10.8 m/s）下的輻射范圍分析，如圖1～圖3 所示。通過圖1～圖3 發現，下風向比上風向熱輻射影響范圍更遠，所以選取下風向熱輻射影響范圍作為放空系統熱輻射影響范圍的研究對象。

圖1 1.5 m/s風速條件下火炬熱輻射影響范圍側視圖

圖3 10.8 m/s風速條件下火炬熱輻射影響范圍側視圖

選取距離地面25 m 處的下風向處進行分析，不同風速不同輻射值下的熱輻射影響范圍如圖4所示?？梢钥闯龅洼椛鋸姸扔绊懛秶S著風速增大變小，這是由于環境風速增大時，風將放空產生的高溫煙氣迅速稀釋并降溫，導致熱輻射影響范圍降低。高輻射強度影響范圍隨著風速增大而變大，這是由于高架火炬放空時，火焰等值線傾角受到風速變化的影響較大，隨著風速增大火焰向地面傾斜角度變小，即火焰越趨于向地面靠攏，導致高強度熱輻射影響范圍變大。

圖4 風速與熱輻射影響范圍的關系

根據放空火炬周圍設施的高度，選取距地面高度為1.5、5、6、7、9、10、15、18、25 m，計算相應高度的熱輻射影響范圍如圖5所示?？梢钥闯鲭S著高度的增加，輻射影響范圍變大，這是由于火焰燃燒產生的全部熱量在放空火炬出口到火焰的頂端距離1/3 處發出，高度越高，距離熱量發出點就越近，所以輻射影響范圍相對較大。

圖5 高度與輻射影響范圍關系

2.2 設備設施安全性分析

根據上述模擬計算結果，針對不同設備設施進行輻射影響分析，對熱輻射超出標準限值的設備設施進行熱輻射影響范圍調整。通過調整放空閥開度，將可燃氣體進行降速排放，以減少熱輻射影響范圍。

2.2.1 不同風速下熱輻射對輸電線路的影響

在風速5.0、10.8 m/s 工況下，正西方向50 m處和正南方向41 m 處的輸電線路在放空期間所受熱輻射強度超出了標準限值的要求。經PHAST 軟件計算，當放空閥開度調整為10%時，熱輻射范圍能夠符合標準要求，如表3所示。該放空閥開度對應的氣體質量放空速率為102.05 kg/s，對應的馬赫數為0.04。

表3 不同風速下熱輻射對輸電線路影響情況

2.2.2 不同風速下熱輻射對紅柳樹的影響

火炬周圍35 m 處紅柳樹在放空期間所受熱輻射強度超出標準限值要求，如表4所示。首先，需保證避免達到木材燃燒最小能量，即12.5 kW/m2；然后，需保證不超出樹木持續暴露在熱輻射下的損傷限值，即3 kW/m2。經計算，閥門開度為15%時，熱輻射限值部分可滿足12.5 kW/m2標準要求，該閥門開度對應的氣體質量放空速率為165.89 kg/s，對應的馬赫數為0.06；但無法滿足樹木持續暴露在熱輻射下的損傷限值，為避免樹木在熱輻射下受損，可考慮采用冷放空。冷放空在各天氣條件下的可燃氣云（側視圖）如圖6所示。

表4 不同風速下熱輻射對紅柳樹的影響

從圖6可以看出，高度低于50 m的可燃氣云釋放距離小于10 m，因此火炬冷放空形成的可燃氣云不會接觸到周圍設施/建（構）筑物。

2.2.3 不同風速下熱輻射對空冷設備的影響

250 m 處壓氣站空冷設備在放空期間所受熱輻射強度超出標準限值要求，考慮從調整放空閥開度來控制熱輻射范圍，經計算，閥門開度為45%時，熱輻射限值部分可滿足標準要求，如表5 所示。該閥門開度對應的氣體質量放空速率為597.05 kg/s，對應的馬赫數為0.23。

表5 空冷設備在不同風速下熱輻射強度影響情況

2.2.4 不同風速下熱輻射對工藝管道的影響

站內離火炬最近的工藝管道等設施在放空期間所受熱輻射強度超出標準限值要求，如表6 所示。閥門開度為45%時，熱輻射限值部分可滿足標準要求，該閥門開度對應的氣體質量放空速率為597.05 kg/s，對應的馬赫數為0.23。

表6 工藝管道在不同風速下熱輻射強度影響情況

通過以上分析，為保障放空火炬周圍人員和設備設施的安全，給出了場內對應區域熱放空時的參數。由于操作人員可以承受的最大熱輻射限值4.73 kW/m2，對應的影響范圍為285.65 m，建議熱放空期間禁止操作人員進入該范圍區域內開展室外作業。若采用冷放空，按照放空火炬出口馬赫數的限值要求，建議放空開始時將放空閥的開度控制在85%以內，當壓力下降至8.8 MPa 以下時，可將閥門開度恢復到100%。

3 結論

本文對輪南壓氣站火炬放空開展熱輻射影響分析，得出如下結論：下風向的熱輻射影響范圍大于上風向的熱輻射影響范圍；當熱輻射強度較小時，影響范圍隨著風速增大而變小；當熱輻射強度較高時，影響范圍隨著風速增大而變大；不同高度下，隨著距離地面高度的增加輻射影響范圍變大。結合設備設施及可燃物質的熱輻射限值，評估放空熱輻射對周圍人員、設備、樹木、建（構）筑物的影響，對于超出限值的工況，通過調節放空閥的開度可進行有效的風險減緩。