分區分時放空方案在壓氣站的應用

楊旭光，胡梅花，段秋生，熊建森，邢 通

中油國際管道有限公司，北京 100029

放空系統是保障天然氣壓縮機組設備安全的最后一道保護設施，也是壓縮機組的重要系統之一[1]。壓氣站放空主要包括兩種類型：其一，操作人員根據運行需要，在壓縮機組正常停機后，對單體或壓氣站進行放空泄壓；其二，壓氣站場在緊急情況下，需要盡快泄放高壓天然氣時的事故放空。事故放空通常指當發生地震、火災等嚴重危及到管道運行安全的意外事故，以及管道出現較大泄漏甚至破裂，或者站內發生可燃氣體泄漏或其他事故觸發ESD系統等情況時，需要快速泄放管道內氣體，其特點是發生頻率較低，放空持續時間一般較短，且為不可控放空，瞬時放空流量較大。根據實際工程經驗及國際工程慣例，在站場放空系統工況計算時，一般僅考慮緊急放空工況[2]。天然氣站場放空系統設計主要包括放空管模型的構建、放空時間的確定以及在一定放空量下放空設施的選擇等。

1 壓氣站基本情況

哈薩克斯坦某天然氣管道干線總長1 477 km，管徑1 067 mm，最大年輸氣能力150×108m3。若年輸氣量大于29×108m3時，需要啟動壓氣站。壓氣站配備有5臺15 MW的壓縮機，單臺輸送天然氣能力20×108m3/a，天然氣經過壓縮后，出站壓力可達9.8 MPa。壓氣站運行分成兩個階段：第一階段，壓縮機氣源來自氣源A，氣體壓力較低，到壓縮機入口壓力基本穩定在3.3 MPa左右，輸量為60×108m3/a；第二階段，氣源A方向來氣不斷減少，氣源B最初按照40×108m3/a輸氣量進入壓氣站，壓縮機入口壓力高達6.8 MPa。隨著壓氣站上游天然氣配氣量的調整，氣源A來氣量逐步降低，氣源壓力基本穩定不變；氣源B來氣量階梯性增加到90×108m3/a左右，進氣壓力也相應由6.8 MPa降低到5.3 MPa。

2 緊急放空工況的技術要求

該管道壓氣站進、出站壓縮機的進、出口均設有ESD閥（Emergency Shutdown Valve）。當發生事故時，系統會自動切斷事故區域兩端ESD閥，打開BDV（BlowDown Valve） 閥放空，壓氣站放空系統組成如圖1所示。

圖1 壓氣站放空系統組成

長輸天然氣管道壓氣站場具有高壓力、大口徑等特點，放空管路內的介質流動屬于非穩定流動，放空管路短，介質流速高，高速氣流的雷諾數大，放空氣體流動參數如壓力、密度、溫度等均隨時間變化。放空系統的放空量要根據放空壓力、放空時間、放空速度等來確定[3]。在事故放空場景下，進出站管道放空BDV閥的選擇，放空管道、放空立管的尺寸及與站場的安全間距，均需要滿足站場最大放空量的要求，因此最大放空量的確定顯得尤為重要。

放空系統的常用規范有API STD 521“Pressure-relieving and Depressuring Systems”[4]、API STD520“Sizing，Selection，and Installation ofPressure Relieving Devices in Refineries”[5]、GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》[6]以及具體項目的規范要求。根據API STD 521第4.6.6條要求，在火災情況下，通常需要在15 min以內將設備內部壓力降低到設備設計壓力的50%或690 kPa（G）（取其中較低的壓力）。

3 分區分時放空方案和計算

按照最苛刻情況（整個站場面臨緊急情況）計算，應同時對站內所有生產設施進行放空減壓，以便盡快降低安全風險，保護主要生產設施。然而，對于放空系統設計來說，面臨著全站放空量太大，造成放空系統設備及放空管超大等問題。

為減少不必要天然氣浪費，降低放空初期巨大的峰值放空量，站場設置了4個獨立的隔離放空區域，區域1（氣源A方向進氣區，壓力3.5 MPa）、區域2（氣源B方向進氣區，壓力6.9 MPa）為低壓區域，區域3（氣體壓縮機區，壓力9.5MPa）、區域4（出站匯管區，壓力9.81MPa） 為高壓區域。在滿足安全要求的情況下，通過關閉區域進、出口的緊急切斷閥（ESD閥），采取各個區域分時放空，盡量不泄放站內未受災區域的天然氣。

放空系統設置了高壓和低壓放空管，從氣源進站至壓縮機上游工藝設備以及燃料氣系統排放的天然氣，接入低壓放空管（對應區域1、區域2）；經過壓縮機增壓，氣體壓力較高，從壓縮機下游工藝設備至出站緊急切斷閥排放的天然氣，接入高壓放空管（對應區域3、區域4）。壓氣站系統及區域劃分如圖2所示。

圖2 壓氣站系統及區域劃分

對于放空計算，假定系統內部不存在液體，放空計算基于絕熱工況，采用等熵效率93%計算，以確定瞬時最大泄放量和出現的最低溫度。放空系統容積采用系統內容器體積加上管道容積計算，管道容積采用PDMS模型預估管道長度確定。通過Aspen HYSYS軟件計算單個區域的瞬時放空量，由于瞬時放空量較大，可考慮設置區域內各個BDV閥開啟順序，采用延遲打開的方式避免出現瞬時泄放量的疊加。

放空管的放空量確定后，在設定合理的壓降和背壓等條件下，借助FlareNet軟件確定了放空系統管徑。最后，在滿足熱輻射值的要求下，按照API STD 521規范確定了放空管尺寸以及距離壓氣站的合理位置。

4 分時放空方案在壓氣站的應用

對于站內低壓放空系統來說，由于區域2的最高操作壓力和泄放容積均高于區域1的最高操作壓力和容積，因此區域2首先泄壓，延遲4 min后壓力與區域1相當，區域1開始泄壓。

按照API STD 521放空規范要求，對于放空區域2，考慮15 min內將該區域壓力從6.9 MPa降至0.69 MPa；對于放空區域1，考慮11 min內將該區域壓力從3.5 MPa降至0.69 MPa。低壓放空系統經過分區延時放空，可以很好地規避2個區域同時放空產生的最大泄放量疊加問題。

對于站內高壓放空系統來說，首先考慮放空區域3的泄放，以保護壓縮機裝置為首要任務，再考慮放空區域4的泄放。

根據GTCU供應商的要求，壓縮機泄壓需要保證以不超過2 MPa/min的速度泄壓，壓縮機區域考慮15 min內，壓力由9.5 MPa降至0.69 MPa。放空區域4考慮延遲5 min泄壓，即10 min內將放空區域4的天然氣降壓至0.69 MPa。

不同放空區域儲氣容積及初始泄放條件如表1所示。

表1 放空區域儲氣容積及初始泄放條件

通過Aspen HYSYS軟件計算放空區域的瞬時放空量，延遲放空低壓放空系統泄放量、泄放壓力隨時間變化如圖3、圖4所示，延遲放空高壓放空系統泄放量、泄放壓力隨時間變化如圖5、圖6所示，即時放空及延遲放空下的最大放空量數據如表2所示。

圖3 低壓放空系統泄放量隨時間變化曲線

圖4 低壓放空系統泄放壓力隨時間變化曲線

圖5 高壓放空系統泄放量隨時間變化曲線

圖6 高壓放空系統泄放壓力隨時間變化曲線

表2 放空區域最大瞬時放空量

由表2可知，采用延遲放空方案，低壓放空系統峰值放空量由619 804 kg/h降至397 806 kg/h，放空量降低了35.8%；高壓放空系統峰值放空量由原來的907 850 kg/h降低至614 365 kg/h，放空量降低了32.3%。利用FlareNet模型，核算放空管道整個管網的流速和壓力分布，而由于放空量的降低，低壓放空立管的尺寸可由22 in（1in=25.4 mm）降至16 in，高壓放空立管的尺寸由32 in降至20 in。

5 結束語

在放空量計算中，當站場總存氣量確定時，通過劃分放空區域，并在確定了每個區域最大時間的基礎上，采用錯峰分時放空的設計，有效減少了每個放空管的放空量及放空系統的尺寸。由于天然氣放空量的降低，放空氣體對放空立管周圍的影響也得到有效控制，放空設施占地面積也較傳統方案有所節省。由此可得出以下結論：分時放空方案在壓氣站的應用，在滿足放空時間要求的前提下，在降低放空量、減少設備、節約用地方面是有效可行的。