天然氣站場放空風險分析與建議

王董祥，章友明，嚴冬輝

(國家管網集團浙江省天然氣管網有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

我國是僅次于美國和俄羅斯的第三大天然氣消費國，2022年天然氣消耗量為3.663×1011m3，天然氣長輸管線總里程超過11萬千米。

當管道因事故、施工需要進行維修、擴建等動火作業時，需要將管道內的天然氣進行放空處理。根據放空時是否產生火炬，可以將放空過程分為冷放空和熱放空，前者是指通過放空立管將天然氣直接排入大氣中；后者是指通過放空火炬燒掉需要放空的天然氣。冷放空的優點是立管結構簡單、不需要額外的設備，缺點是放空后立管周圍會形成一個可燃性云團，一旦遇到火花就可能發生閃燃或者爆炸事故，因此雷雨天氣嚴禁開展冷放空作業；熱放空的優點是燃燒產物危害性低，但火炬結構復雜，天然氣燃燒時產生的熱輻射對周圍設備、人員、環境會產生不良影響，因此在火炬所處地勢低洼、草木茂密的山區嚴禁熱放空作業。

由于放空立管往往設置在天然氣站場附近(甚至是在站場內部)，因此開展放空作業安全評估對于保持站場安全、平穩運行具有十分重要的意義。

1 放空系統風險分析

1.1 放空系統組成

站場內常見放空系統由管道、立管以及管道上的閥門等設備組成，如圖1所示。

圖1 放空系統組成

正常輸氣時，放空管路上的旋塞閥呈關閉狀態，天然氣經過氣液聯動閥直接輸往下游的天然氣管道；當上游天然氣管段需要進行維修或者改造時，該管段兩側站場/閥室的氣液聯動閥會立刻關閉，旋塞閥會逐步開啟，天然氣經過放空管路到達火炬/立管進行放空處理。

1.2 放空管路流體特征

與長輸管道相比，放空系統內氣體流動有以下特點：(1)起點和終點壓差較大，立管內氣體流速快速增加(亞音速流動)；(2)氣體參數(壓力、流速等)參數(如溫度、流速等)會隨時間產生較大的變化，屬于非定常流動；(3)根據放空時壓力與大氣壓力的比值變化，可能存在幾種不同氣體狀態：壅塞流狀態、臨界流狀態、亞音速流狀態[1]。

2 放空危險性分析

英國石油公司(BP)曾對石油行業檢維修操作中出現的安全事故進行過統計，認為導致事故頻發的原因有三點：(1)對作業過程中存在的風險以及危險源缺乏準確、清晰的認識；(2)未正確估計作業自身與周圍環境、設備的相互影響，未能采取有效的安全隔離措施；(3)作業規范性較差，先作業后補作業票的情況經常出現。

由于國內管道公司對天然氣放空都有一套完整的作業規程，幾乎不存在先作業后補票的情況，因此主要針對放空系統自身風險和放空作業風險進行分析。

2.1 放空系統常見問題

根據QSY 65.3—2010《油氣管道安全生產檢查規范第3部分：天然氣管道》對天然氣放空及點火系統的要求，分析放空時常見故障及原因，如表1所示。

表1 放空常見故障及原因

可以看出，閥門故障、點火器失效、管道堵塞/泄漏均可能導致放空失敗，因此管道公司在日常維護過程中要重點關注這些設備的完備情況。

2.2 放空作業危險分析

2.1中分析了導致放空作業失敗的常見故障，本章將重點介紹正常放空時出現的幾種危險因素，分析放空作業對周圍環境、設備的影響，以采用合適的保護或者隔離措施。

2.2.1 放空閥處低溫

放空前，為了減少天然氣排放量，一般會進行降壓操作，但是氣體仍然具有較高的壓力，仍然需要使用閥門對其進行進一步節流、降壓。為了控制放空時的天然氣流量，放空時放空閥門的初始開度不會超過30%，天然氣經過閥門時會產生很大的壓降，導致閥門后氣體溫度會明顯降低、甚至出現“起霜”現象，人們把這種現象稱為“焦耳-湯姆遜效應”或“節流效應”[2]。由于熱量會自發地從高溫物體轉移至低溫物體，隨著放空時間的推移，放空閥前溫度也會逐漸降低。圖2為放空初始壓力分別為4 MPa和8 MPa時不同初始溫度下壓降對溫度的影響。

圖2 壓降對天然氣溫度的影響

從圖中可以看出，初始壓力、壓降相同時，低溫氣體溫降更為明顯，說明低溫氣體節流效應比高溫流體更為明顯；初始溫度、壓力相同時，溫降與壓降之比和后者同步變化，如圖2(a)所示，壓力從4 MPa降為3 MPa、2 MPa、1 MPa時，產生的溫降值分別為5.279 ℃、10.87 ℃、16.77 ℃，可以看出溫降值有少許增加；總起來說，壓力每降低1 MPa，天然氣溫度值下降約5 ℃。

2.2.2 放空管路振動

天然氣在放空管路中流動時，氣體流動方向會發生幾次明顯的變化，在流向變化過程中不斷與立內壁面發生摩擦、碰撞，使得放空立管發生振動，這種振動被稱為流致振動[3]。也有學者認為，氣體在流向變化時會產生渦流，這些渦流具有一定的激振頻率，當激振頻率與放空立管的固有頻率滿足某種數值關系時，就會加劇放空立管的振動幅度，這種現象被稱為共振。振動幅度隨氣體流量、壓力增加而增大，長時間的振動容易使立管焊縫處發生疲勞、甚至開裂的情況，造成天然氣泄漏，嚴重威脅站場的安全運行。

2.2.3 放空噪聲

放空氣體從立管噴入大氣時，會產生刺耳的噪聲，這是由于高速帶壓氣流沖入大氣時，會與周圍相對靜止的空氣產生剪切運動引起氣體劇烈擾動而產生的，人們將這類噪聲稱為空氣動力性噪音[4]。圖3為利用仿真軟件模擬的不同放空速率下噪聲分貝值隨距離的變化情況。可以看出，當放空氣體速率達到20×104m3/h時，即使站在距離放空管40 m外的地方，噪聲仍然達到120 dB，遠遠超出了GB 12348—2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》中70 dB的噪聲上限。

圖3 放空速率、距離對噪聲分貝值的影響

2.2.4 氣體積聚與爆燃

冷放空時，由于放空管出口遠遠高于地面，放空氣體會高速沖入大氣，向四周快速膨脹，形成一個云團然后逐漸消散，一般不會在地表處發生積聚現象[5]。但是，當放空立管下風向附近存在高大的障礙物，比如樹林、山坡、建筑時，由于它們會阻礙氣體向周圍擴散，天然氣極有可能在這些區域發生聚集。當天然氣達到5%～15%的爆炸極限范圍時，就可能發生閃燃或者爆炸，對人員、設備、環境造成嚴重的威脅。

2.2.5 熱輻射

熱放空時，立管口天然氣與空氣邊混合邊燃燒，屬于擴散燃燒，火焰位于天然氣噴射形成的擴散層外側，其影響范圍以燃燒火焰為中心向外擴散[6]。熱輻射會對立管周圍人員安全造成一定的威脅，根據SH：3009—2010《石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范》的規定，人體安全熱輻射強度為1.5 kW/m2(包括太陽熱輻射強度)；當輻射強度達到4.7 kW/m2時僅允許進行短時間無防護工作。

3 建議

3.1 日常檢查

由于放空不是日常作業，放空系統常年處于非工作狀態，因此一定要對其進行檢查，檢查內容包括：

(1)檢查閥門開關作業是否正常；

(2)放空管是否失效，內部是否存在積水等，是否嚴密性完好，是否發生堵塞；

(3)檢查儀表、儀器(如氣體濃度探測器、通訊裝置)是否正常工作，壓力表零位是否正常，保護裝置是否失效；

(4)檢查氣體流向改變處焊縫是否存在缺陷，如彎管、匯管、管道連接處等。

3.2 防止低溫

節流效應產生的低溫不僅可能損壞閥門結構，還可能生成天然氣水合物，造成放空管路發生堵塞，因此放空時一定要注意閥門開度，避免產生過大的壓降。

3.3 做好防護措施

放空作業充滿了危險性，必須采取足夠的安全保障措施，防止出現事故，包括：(1)根據放空立管周圍環境、天氣情況、放空氣量等因素選擇合適的放空措施，制定嚴密的放空方案；(2)放空前采用仿真等手段，分析放空作業的影響區域；(3)設置放空隔離區域，隔離區域嚴格禁火；(4)嚴格檢查潛在火源，比如可能出現泄漏的部位、氣體可能積聚的區域以及內部有電流通過的設備等；(5)在放空管周圍設置濃度監測設備，特別是放空閥門處、放空管周圍較為高大的障礙物附近以及低洼處等氣體可能聚集的區域；(6)做好消防工作，準備足夠的消防器材；(7)做好人員防護，使用防爆設備、衣物，佩戴耳塞等隔噪設備。

4 結語

放空是天然氣管道改建、維修、擴容等作業前的一項重要操作，準確識別可能引起放空失敗的原因、放空作業過程中的危險并采取針對性的措施對于保障放空作業正常進行具有重要的意義。