天然氣長輸管道火炬放空擴散規律研究

梁俊奕

摘 要：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律，可以為其安全放空提供指導依據。PHAST軟件是公認的最權威最準確的后果分析軟件，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域。以某實際長輸管道為例，計算兩種工況下天然氣擴散規律。結果顯示，在放空過程中風速影響天然氣的擴散。低風速時，天然氣會向上擴散，在高風速時，天然氣向水平方向擴散。天然氣50%LFL云團水平距離隨風速的增大而增加，云團高度隨風速的增加而減小。

關 鍵 詞：天然氣；管道；立管；火炬；擴散

中圖分類號：TE 88 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）03-0559-02

Abstract： 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.

Key words： Natural gas；Pipeline；Riser；Flare；Diffusion

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、環境等產生威脅，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律，為長輸管道天然氣放空提供指導依據。

韋煥杰對長輸管道天然氣放空所需時間計算公式進行了推導，并將計算結果與其他計算方式進行了分析對比，為生產調度與事故搶修等工作提供了理論依據[1]。秦琴運用國標和API標準的計算方法和Brzustowski-Sommer計算方法研究了長輸管道放空熱輻射的距離，并與PHAST軟件的計算結果進行了對比，發現兩種計算方法結果較保守[2]。孔吉民根據天然氣放空時間及放空量進行演算推理，得出了計算公式，并根據實際管道的參數計算了兩個閥室之間管線的放空時間和放空量[3]。齊建波根據西氣東輸二線閥室放空立管的參數，采用PHAST軟件對放空立管的出口天然氣擴散過程進行了模擬，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，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果，還可以以文字的方式對結果進行簡單的分析，PHAST軟件已被廣泛用于石油、天然氣和石油化工領域，至今已有20多年使用經驗[5， 6]。PHAST是公認的計算后果最權威最準確的軟件，對于擴散計算，其原理是通過導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，模擬出一個穩定持續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域（危險區域邊界濃度為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輸入完成。現將模型簡化為天然氣在放空立管出口的持續排放。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。

建模過程中的關鍵參數的選取原則如下：

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

（2）放空立管口徑：由站場或線路放空系統水力計算獲得；

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

（4）風速：根據當地氣象參數選取；

（5）大氣穩定度：帕斯奎爾穩定度，其取值與風速有關。簡化選取方法為：風速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：此參數對擴散計算的結果影響較小。一般計算中可取天然氣由放空初始狀態節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。

天然氣可燃性表見表2。放空系統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°，環境溫度20 ℃，大氣相對濕度70%，一旦放空系統建設完后，擴散主要受風速和周圍大氣溫度度影響，所以分別選取兩種工況，工況一：周圍大氣穩定度為E，當地平均風速3 m/s；工況二：周圍大氣穩定度為D，當地平均風速10 m/s，計算兩種工況下的擴散范圍。

3 計算結果

放空口的位置坐標為（0，20），風向為從左至右，放空立管高度為20 m，經過計算后擴散計算結果分別如圖1-2所示。

對比圖1和圖2可知，在放空過程中，在低風速時，天然氣會向上擴散，在高風速時，天然氣向水平方向擴散，形成一定的可燃氣體云團。天然氣50% LFL云團水平距離隨風速的增大而增加，云團高度隨風速的增加而減小。在放空立管規格為DN400，高度20 m，放空量為17.03 kg/s（8.9×104 m3/h）的條件下，天然氣放空過程中濃度達到LFL的距離最遠為6.6 m，高度范圍為20～37.1 m；天然氣濃度達到50% LFL的最遠距離為16.8 m，高度范圍為20～43.4 m（表3）。 因此，綜合不同大氣條件下的天然氣擴散模擬結果，危險區域劃定為半徑16.8 m，高度范圍為20～43.4 m的區域。

參考文獻：

[1]韋煥杰. 天然氣長輸管道放空時間的探討[J]. 化工管理， 2014（8）： 43-44.

[2]秦琴，王瑋，張磊. 長輸天然氣管道放空火炬熱輻射距離計算方法探討[J]. 化工機械，2009， 36（6）： 566-569.

[3]孔吉民. 對管線內天然氣放空時間及放空量的探討[J]. 石油化工應用， 2005， 24（4）： 18-20.

[4]齊建波， 孫立剛， 張文偉， 等. 西氣東輸二線閥室放空系統設置[J].油氣儲運， 2009， 28（9）： 63-65.

[5]石天雄. PHAST軟件預測火炬的氣體擴散和熱輻射[J]. 安全、健康和環境， 2010， 10（7）： 35-38.

[6]朱伯齡， 於孝春. PHAST軟件對液化天然氣泄漏擴散的研究[J]. 計算機與應用化學.2009，26（11）：1418-1422.