天然氣站場瞬時放空關鍵參數設計方法研究

梁 林 張景山 黃建敏 李士斌 方 軍 王常順

1. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000;2. 中國船級社質量認證公司, 北京 100006;3. 中石油北京天然氣管道有限公司, 北京 100025

0 前言

作為天然氣運輸的基本手段之一,輸氣管道在安全、環境保護及效率方面有著更高的要求[1-2],當輸氣管道出現事故時將對下游用戶的安全甚至國家的能源安全造成嚴峻的威脅[3]。天然氣管道放空是管道進行維搶修及改擴建工程中必不可少的環節[4-5]。天然氣站場放空系統包括安全閥、放空閥、截斷閥、放空管道、分液罐、火炬等設備設施,其中緊急截斷閥與放空閥是放空系統的重要組成部分,其設置的規范性和放空能力對站場本質安全至關重要[6-7]。本文通過對現行與天然氣站場放空系統相關的設計規范梳理,提出現階段在天然氣站場新建和改擴建項目中進行放空系統設計時應遵守的要求。與此同時,本文對放空系統的設計原理和計算方法做出相應的說明,且使用HYSYS軟件進行典型天然氣站場放空系統設計,以期為天然氣站場工程設計人員和審查人員提供參考。

1 放空系統設計理論及標準要求

1.1 天然氣管道放空過程狀態

放空管道系統模型見圖1。高壓天然氣的放空過程經歷的狀態如下。

圖1 放空管路系統模型圖Fig.1 Model of venting pipe system

1.2 相關規范對放空時間的設置要求

GB 50183—2015《石油天然氣工程設計防火規范》、GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》、SH 3009—2008《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》等石油天然氣設計規范均沒有對緊急放空降壓速率做明確規定。在放空時間要求方面,GB 50349—2015《氣田集輸設計規范》規定:“站場工藝系統在火災情況下的緊急放空,壓降速率宜按照15 min內將系統壓力降至0.69 MPa或設計壓力的50%(二者取較小值)確定”[9],GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》規定:“當輸氣站設置緊急放空系統時,設計應滿足在15 min內將站內設備及管道內壓力從最初的壓力降到設計壓力的50%”[10-11]。

2 放空系統

2.1 放空系統主要設備設置

放空系統設計時須進行設備選型,設備選型偏小會因緊急狀況下不能短時間內安全泄放造成更大的事故,設備選型偏大會造成瞬時放空量過大且工程投資增加。由于天然氣處理廠站內管道介質包含天然氣、凝析液和水,故放空系統需要具有處理氣體和液體的能力。在天然氣站場放空系統設備選型時,首先要選擇合理的放空方案。放空方案一：分液罐與放空立管(或火炬)配合使用;放空方案二：燃燒坑(可同時處理氣體和液體)。對比分析以上放空方案發現,放空方案一投資成本低,設計制造技術成熟,放空方案二占地面積大且投資成本高,甚至可能帶來一定的環境污染問題,因此大多選擇分液罐與放空立管(或火炬)配合使用的放空方案。需要說明的是,無論站場規模、壓力和管徑大小,放空管大多設置點火功能[12]。

2.2 設計內容

天然氣站場放空系統的設計內容包含以下幾方面:確定限流孔板口徑;確定放空管線直徑;計算放空過程產生的最低溫度,為管材選擇提供依據;確定放空過程中的最大瞬時放空流量;校核放空閥及限流孔板的放空能力;如果設置分液罐,需校核分液罐的處理能力;計算放空過程產生的噪聲強度;計算直接放空對應的氣體擴散范圍及點火放空產生的熱輻射強度。

2.3 計算方法

由于天然氣站場緊急截斷放空過程屬于瞬態過程,對應的瞬時放空流量及放空時間的計算過程不能僅僅通過經驗公式進行粗略估算,需要借助合適的仿真軟件進行放空過程計算。HYSYS軟件可以用于油氣站場穩態模擬(物料平衡計算)、水露點模擬、烴露點模擬、緊急泄放瞬態模擬等,國內用戶總數已超過50家,所有的油田設計系統全部采用HYSYS軟件進行工藝設計。

針對站場緊急放空瞬態仿真,HYSYS軟件中有單獨Depressuring-Dynamics模塊,該模塊可用于模擬壓力容器的安全閥放空、事故工況放空、絕熱工況放空等一系列動態放空的過程[13-15]。泄壓原理是將2個截斷閥之間的設備及管道之間的管容用固定容器的容積表示,在給定初始的介質組分、溫度、壓力等參數的情況下,可以用限流孔板控制壓降速率為15 min內將容器的壓力從最高泄放至0.69 MPa。與此同時,將泄放產生的噪音控制在85 dB以內,泄放氣體流速低于0.7馬赫。

利用HYSYS軟件的具體計算步驟如下:1)搭建物料及容器HYSYS模型,見圖2；2)通過Depressuring-Dynamics模塊,輸入需要緊急泄放的介質溫度、壓力、組分等參數;3)根據配管安裝圖及設備廠家圖紙,計算2個截斷閥之間的管容;4)給定孔板口徑初始值,迭代計算最終的孔板口徑,并計算放空過程中最大瞬時放空流量及最低溫度;5)借助Flarenet軟件計算放空管道的直徑,見圖3;6)規定放空時間為15 min,且放空后壓力為0.69 MPa。

圖2 物料及容器HYSYS模型Fig.2 HYSYS model of materials and containers

圖3 Flarenet輸入界面Fig.3 Flarenet input interface

通過上述模擬,最終得到壓力、溫度、泄放流量等參數隨時間的變化曲線,及需要的最小孔板口徑,并按規定的時間間隔記錄相應的歷史數據,例如最大瞬時放空流量、管內流體最低溫度等,為之后Flarenet軟件對放空系統的氣體流速、噪音等參數的仿真提供依據。

3 典型天然氣站場放空系統設計

天然氣站場內緊急放空的放空場景一般是站場發生緊急事故(如可燃氣體泄漏、火災等)時觸發ESD(Emergency Shut Down)而進行的放空[16]。根據站場ESD分級,一般可分為設備級、工藝設備區域級以及全站級的緊急放空,全站級放空的最大瞬時放空量較大且較難準確控制,屬于站場中最壞的放空場景,依照規范要求,需15 min內將站場管道壓力降至設計壓力的50%或0.69 MPa。

通常，在緊急泄放閥開啟后的開始階段,氣體瞬時放空流量達到峰值,然后隨著放空過程的進行而逐漸減少。峰值流量時,氣體處于臨界流動狀態,放空的流量與閥后壓力、儲氣量等參數無關,僅僅與初始壓力和泄放孔直徑有關,在初始壓力一定的前提下,主要關注泄放孔直徑即限流孔板的口徑[17]。HYSYS軟件可計算天然氣管道緊急放空所需要限流孔板口徑的面積,計算放空過程介質的最低溫度和最大流量等參數,指導工程設計中放空系統材質和尺寸的選取[18-20]。本節主要針對全站級緊急放空場景進行放空系統的設計,選擇壓氣站A為研究對象,利用HYSYS軟件對關鍵管件限流孔板的口徑進行計算并進行放空系統ESD功能驗證。

3.1 限流孔板孔徑計算

天然氣組分和天然氣站場管道及設備主要參數見表1～2。HYSYS軟件計算限流孔板孔徑見表3。

表1 天然氣組分表Tab.1 Natural gas compositions

表2 天然氣站場管道及設備主要參數表Tab.2 Main parameters of station pipelines and equipments

表3 限流孔板孔徑計算結果表Tab.3 Calculation results of the aperture of the restricting orifice

3.2 現場功能測試及結果分析

3.2.1 現場測試

針對壓氣站A,現場業主方對緊急泄放閥進行了現場測試,即關斷設備上下游截斷閥,打開緊急泄放閥,借助壓力變送器觀察管道壓力變化,關注緊急截斷放空的降壓速率是否符合規范要求。以燃料氣出口匯管處的緊急泄放閥BDV202為例，根據現場測試數據可知,緊急泄放閥能保證 15 min 內將設備內的壓力從初始壓力降低到0.69 MPa,泄放時間為1 140 s。

3.2.2 軟件仿真計算

以BDV001為例的軟件仿真計算界面見圖4。

圖4 BDV001的HYSYS模型圖Fig.4 HYSYS model of BDV001

3.2.3 結果對比分析

整理現場測試和軟件仿真得到的放空數據匯總,見表4。

由表4可知,在保證15 min內將設備內的壓力從初始壓力降低到0.69 MPa的前提下,對比放空時間的測試結果與軟件仿真結果,兩者誤差均在10%范圍內,因此可以說明運用HYSYS軟件計算天然氣站場緊急放空系統的方法是可靠的,該軟件可作為天然氣站場放空系統設計的有效工具。

表4 現場測試和軟件仿真對應的各緊急泄放閥的放空數據表Tab.4 Venting data of each pressure relief valve corresponding to field test and software simulation

4 結論

采用HYSYS及Flarenet軟件進行放空計算時應注意：操作運行壓力是基于操作狀態下的最高操作壓力；管容和設備容積對計算結果影響大,如果設備內部有其他構件,如塔盤、濾網、槳葉、補霧裝置、除沫器、分離原件、支撐件等,在有條件的情況下,應盡量去除其構件體積,以保證容積計算的準確性；背壓對放空時間有影響,在計算模型中應提前通過預設背壓考慮背壓對仿真結果產生的影響。