天然氣管道放空系統防火間距計算研究

岳 偉，王 璐，徐勝軍，楊 婧，郄曉敏，吳 穎

1.華北油田公司儲氣庫管理處，河北廊坊 065000

2.華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司，江蘇鎮江 212000

3.中國石油華北油田公司二連分公司，內蒙古錫林浩特 026000

4.中國石油華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552

隨著國民經濟的增長，我國建設了大量的輸氣管道，當站場設備維檢修或出現進出站超壓時，需要對站場內設備和管路內的氣體進行放空；當閥室間的管道出現故障或意外時，需要對兩閥室之間的管道氣進行放空[1-3]。放空作業主要是通過放空立管和放空點火裝置完成，按照是否點火分為冷放空和熱放空。

目前，我國與放空系統相關的規范主要有GB 50251—2014《輸氣管道工程設計規范》[4]和 GB 50183—2004《石油天然氣防火設計規范》[5]，GB 50251對放空系統的總體設計原則進行了規定，GB 50183對放空系統的防火間距、總平面布置、高度、管徑計算等進行了更為詳細的規定。GB 50183中指出，當放空管放空量≤1.2×104m3/h時，放空管與站場之間的防火間距不應小于10 m，當1.2×104m3/h＜放空量≤4×104m3/h時，防火間距不應小于40 m；火炬的防火間距應根據熱輻射計算確定，對可能攜帶可燃液體的高架火炬與站內儲罐和設備的間距不應小于90 m[6-7]。隨著我國西氣東輸、川氣東送、中緬天然氣管道、中亞天然氣管道等一系列大型工程的實施，無論是計劃放空還是事故放空，管道的瞬時放空量已大幅提升，規范中沒有給出放空量大于4×104m3/h的放空規定，工程經驗通常直接選擇間距80 m以上，對火炬放空的防火間距規定也較為粗糙，如按照上述標準進行設計，會導致輸氣站場和線路閥室的占地面積大、投資高、征地困難等問題，嚴重制約管道的建設工期[8]。因此，采用挪威船級社的DNV PHAST軟件分別對冷放空和熱放空兩種方式進行模擬計算，確定不同影響因素下的氣體泄漏擴散和熱輻射范圍，從而確定放空立管與站場的防火間距。

1 數學模型

放空過程屬于非穩態流動問題，在此采用UDM模型模擬可燃氣體連續釋放的擴散過程，UDM模型中包含了如Gaiss、BM、P-G等多種模型，可繪制不同氣體體積分數下的擴散云圖，對順風和垂直方向上的氣體擴散進行定量分析。UDM模型假設氣體不發生卷吸作用、擴散中與空氣中的介質不發生化學反應、氣體在碰撞地面時完全反彈，模型公式如下：

式中：ρ（x，y，z） 為氣體質量濃度，kg/m3；x為順風風向距離，m；y為垂直風向距離，m；z為水平方向到云團中心線的距離，m；ρO為云團中心線氣體的質量濃度，kg/m3；Fh（y）為氣體在垂直方向上的質量濃度分布；Fv（z）為氣體在水平方向上的質量濃度分布；Ry、Rz為擴散系數，無量綱；m、n為常數。

熱輻射強度參照API RP521《泄壓和減壓系統導則》進行計算，確定熱放空中火炬中心與受熱點之間的熱輻射強度，假設熱量集中在火焰的中心位置，并由此向外輻射熱量，則目標接收到的熱輻射通量為：

式中：I為目標可接受到的熱輻射通量，kW/m2；T為大氣傳遞系數，無量綱；Q為火焰的熱釋放速率，kW；R為目標距離火焰中心點的距離，m。

2 防火間距選取原則

GB 50183中規定，排放設施中可燃氣體限制區域應滿足氣體濃度的要求，當冷放空中氣體擴散到爆炸下限（LFL）的一半以上時，依然有發生閃火和閃燃的風險，因此取0.5 LFL作為氣體擴散濃度的邊界距離。即冷放空時，放空立管與站場的防火間距應大于0.5 LFL時的最遠順風擴散距離。

為了保證站場內人員活動及周邊設施的安全，API RP521（見表1）和國家質檢總局的《安全評價》（見表2）中對操作人員允許的熱輻射強度進行了規定。綜合考慮，選取4.75 kW/m2的熱輻射強度作為熱放空時的邊界距離，在放空前，首先對該放空半徑內的人員和牲畜進行驅離，在該區域內沒有遮蔽物，要求操作人員穿著合適的防護工作服，可以在緊要關頭停留幾分鐘，但受熱輻射20 s以上感覺疼痛。即熱放空時，放空立管與站場的防火間距應大于4.75 kW/m2熱輻射強度時的最遠順風擴散距離。

表1 API RP521中允許的熱輻射強度[9]

表2 《安全評價》中不同強度的熱輻射造成的損害[10]

3 模擬計算

3.1 基本參數

經研究表明，影響氣體擴散的因素有初始放空壓力、風速、大氣穩定度、大氣濕度、放空量等，其中大氣穩定度和濕度對氣體擴散云團的形成影響較小，天然氣管道在放空前會采取降壓或節流措施，在下游有壓氣站時利用下游壓縮機抽氣降壓，在下游無壓氣站時利用分輸站盡量減少管內放空量，一般初始放空壓力為5～6 MPa，故主要模擬不同風速和放空量條件下氣體擴散、燃燒熱輻射的影響范圍和強度，這也直接影響放空立管與站場之間的防火間距。

以某壓氣站為例，放空管線和放空立管管道規格均為D508 mm×17.5 mm，放空管線長度100 m，放空立管高20 m，初始放空壓力為5 MPa，定義為瞬時泄放，立管出口按照站場發生事故時緊急放空，氣體全部排出，馬赫數不超過0.5計算。通過調取該地區的氣象資料，大氣相對濕度設定為55%，風速分別選擇1、5、10、15、20 m/s進行模擬，放空量選擇5×104、10×104、20×104m3/h進行模擬，大氣穩定度為D級。氣源組分（摩爾分數） 為：97.26% CH4、1.51% N2、0.25% CO2，0.98% H2，選擇PR狀態方程進行混合，得到氣源的爆炸上限為17.9%、爆炸下限為4.4%，0.5LFL為2.2%。

3.2 冷放空

對不同風速和放空量條件下的氣體擴散范圍進行模擬，如圖1所示。

圖1 不同風速和放空量條件下的氣體擴散范圍

結果表明，當放空量相同時，隨著風速的增加，氣體的湍流作用逐漸加強，在立管出口處的噴射慣性力逐漸減小，低風速時，氣體向垂直方向擴散，高風速時，氣體向水平方向擴散，且風速越大，水平方向的擴散范圍越大；當風速相同時，隨著放空量的增加，氣體的擴散區域加大，氣體在水平方向的擴散范圍增大。以放空量20×104m3/h為例，風速1 m/s時，濃度為0.5 LFL的最遠順風擴散距離為16.1 m；風速5 m/s時，濃度為0.5 LFL的最遠順風擴散距離為23.2 m；風速10 m/s時，濃度為0.5 LFL的最遠順風擴散距離為27.1 m；風速15 m/s時，濃度為0.5 LFL的最遠順風擴散距離為28.8 m；風速20 m/s時，濃度為0.5 LFL的最遠順風擴散距離為29.6 m。即當天然氣冷放空時，風速為1、5、10、15、20 m/s的防火間距應分別大于 16.1、23.2、27.1、28.8、29.6 m。

為了直觀顯示風速和放空量對0.5 LFL順風擴散距離的影響程度，繪制了隨風速變化的順風擴散距離曲線，如圖2所示。

圖2 風速和放空量對0.5 LFL順風擴散距離的影響

風速對擴散距離的影響程度隨風速的增加逐漸減小，當風速大于15 m/s以后，風速的增加對于擴散距離的影響不大。這是由于風速增加，有利于可燃氣體擴散和空氣迅速混合，但總體的放空量是一定的，且風速越大稀釋作用越強，對云團產生剪切作用，當立管出口的馬赫數達到最大值時，擴散距離不再明顯增加。

3.3 熱放空

天然氣在立管出口被點燃后，形成噴射火，其危害形式主要以火焰的熱輻射強度進行衡量。對不同風速和放空量條件下地面所能接受到的熱輻射強度進行模擬，如圖3所示。

結果表明：當順風距離相同時，風速越大熱輻射強度越大；隨著順風距離的增加，熱輻射強度呈先增大后減小的拋物線趨勢，并存在一個熱輻射強度峰值點。以放空量20×104m3/h為例，風速1 m/s時，距離放空立管24.7m處的熱輻射強度最大，為3.37 kW/m2，未達到邊界限制4.75 kW/m2；風速5 m/s時，4.75 kW/m2熱輻射強度時的最遠順風擴散距離為44.4 m；風速10 m/s時，4.75 kW/m2熱輻射強度的最遠順風擴散距離為54.7 m；風速15 m/s時，4.75 kW/m2熱輻射強度時的最遠順風擴散距離61.1 m；風速20 m/s時，4.75 kW/m2熱輻射強度時的最遠順風擴散距離66.9 m。即當天然氣熱放空時，風速選擇1 m/s的防火間距可不作限制，風速5、10、15、20 m/s的防火間距應分別大于44.4、54.7、61.1、66.9 m，但均小于GB 50183中規定的90 m間距。

圖3 不同風速和放空量條件下熱輻射范圍

綜合對比冷放空和熱放空的工況，當風速較小時，采用熱放空時的防火間距可不作限制，當風速較大時，采用熱放空時的防火間距遠大于冷放空，此時應考慮采用冷放空，將防火間距控制在最小。在此，定義一個臨界風速作為選取放空作業方式的原則，通過大量模擬試算，放空量為5×104m3/h時，常年平均風速＜7.5 m/s采用熱放空，常年平均風速≥7.5 m/s采用冷放空；放空量為10×104m3/h時，風速＜5m/s采用熱放空，風速≥5m/s采用冷放空；放空量為20×104m3/h時，風速＜3.5m/s采用熱放空，風速≥3.5 m/s采用冷放空。

4 結論

（1）利用PHAST軟件對氣體擴散和熱輻射范圍進行了模擬，確定了冷放空和熱放空防火間距的選取原則，當放空量為20×104m3/h時，常年平均風速20 m/s，冷放空和熱放空的防火間距分別為29.6 m和66.9 m，小于GB 50183中規定的90 m間距。

（2）定義了臨界風速作為選取放空作業方式的原則，即臨界風速以下可以考慮采用熱放空，臨界風速及以上應采用冷放空，且放空量越大臨界風速越低。

（3）采用冷放空時，由于可燃氣體比空氣輕，大部分可燃氣體均聚集在放空立管上方，在考慮防火間距時可適當減小。

（4）對于環保要求嚴格的地區，選取放空作業方式時還應綜合考慮地方政府的相關要求。

（5）將模擬結果與現場監測數據進行對比，不斷完善防火間距的數據庫，可為國內相關規范的更新和編制提供參考。