劉靜　薛登存

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司,北京 100085)

放散管的工藝計算方法

劉靜薛登存

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司,北京 100085)

放散管是國內(nèi)外油田地面建設(shè)工程中常用的一種放空設(shè)備,在詳細(xì)闡述了放散管的設(shè)計及應(yīng)用過程中需要考慮的各個因素之后,參考API RP 521,給出了放散管尺寸及高度的詳細(xì)工藝計算方法,可在實際設(shè)計過程中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

放散管工藝計算方法安全因素

1　前言

在油田地面工程及長輸管線中，當(dāng)設(shè)備或天然氣/油管線出現(xiàn)故障或需要檢修時，為避免天然氣對周邊環(huán)境及人員造成危害，必須設(shè)置必要的放空系統(tǒng)用以排放需泄放的天然氣，除火炬外，放散管也是放空系統(tǒng)中常用的一種設(shè)備，俗稱“冷放空”。

2　放散管設(shè)計時需要考慮的因素

在以往的設(shè)計過程中，放散管口徑的設(shè)計往往會給予重視，但高度的確定卻常常帶有主觀性，缺乏詳細(xì)的計算過程。經(jīng)過對第2008版API 521的詳細(xì)研究，總結(jié)出放散管高度確定時需考慮以下幾個方面的因素:

圖1　放散管高度計算尺寸關(guān)系圖

(1)放散管出口流速。較低的流速不利于擴(kuò)散，而較高的流速(接近音速)則可能導(dǎo)致系統(tǒng)背壓較高，從而影響上游壓力保護(hù)裝置非正常開啟;

(2)熱輻射的影響。規(guī)范中要求在任何情況下，對于可燃性介質(zhì)的泄放，必須對放散管的熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行評估，其評估方法與火炬相同，且熱輻射強(qiáng)度的限制值也應(yīng)與火炬相同;

(3)可燃性氣體及有毒性氣體擴(kuò)散濃度。兩者的最高擴(kuò)散濃度需滿足相應(yīng)的環(huán)保要求;

(4)放散管口徑及高度對系統(tǒng)背壓的影響;

(5)設(shè)置的放散管高度必須比鄰近的設(shè)備、建筑、煙囪或其他結(jié)構(gòu)高出3m。

3　放散管的設(shè)計計算

放散管尺寸的設(shè)計計算分為兩部分，首先是放散管直徑的確定，其次是放散管高度的確定。

3.1放散管直徑的計算

放散管直徑的計算涉及到的因素主要有以下幾個方面:泄放介質(zhì)的分子量、絕熱指數(shù)、質(zhì)量流量、馬赫數(shù)以及放散管出口處壓力和溫度等。

首先需要根據(jù)介質(zhì)分子量和放散管出口處壓力及溫度確定泄放介質(zhì)的密度，具體計算公式如下:

ρ—放散管出口處介質(zhì)密度 kg/m3;

MW—泄放介質(zhì)分子量;

P2—放散管出口處壓力(絕對壓力)，kPa;

T—放散管出口介質(zhì)溫度，K;

R—?dú)怏w常數(shù)，8.314;

得出泄放介質(zhì)密度后，可根據(jù)介質(zhì)絕熱指數(shù)算出聲速VS:

式中:

Kg—泄放介質(zhì)絕熱指數(shù);

Vs—聲速，m/s;

在計算放散管出口流速之前需先確定泄放介質(zhì)的馬赫數(shù)m，API 521第7.3.4.1節(jié)中提到，當(dāng)放散管出口氣體流速在150m/s時能夠提供極好的擴(kuò)散效果，因此馬赫數(shù)m可在0.4～0.5選取，放散管出口處流速及出口截面積可由以下公式計算:

式中:

m—放散管出口馬赫數(shù);

v—放散管出口處介質(zhì)流速，m/s;

W—泄放介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h;

AT—放散管出口截面積，m2;

確定了流速及出口截面積后，即可由下面公式計算得放散管直徑:

式中:

D—放散管出口直徑，m;

3.2放散管高度的計算

根據(jù)規(guī)范，在確定放散管高度時可先假定放散管為燃燒狀態(tài)，其次確定其熱輻射強(qiáng)度限制值，而后依據(jù)火炬高度計算的方法來確定放散管的高度。下面就放散管高度計算給出具體計算過程，大體包括以下幾步:火焰長度的確定，火焰變形計算，以及放散管高度計算。

3.2.1火焰長度(L)的計算

放散管火焰的長度主要取決于總熱量，其計算公式如下:

式中:

Q—燃燒釋放的總熱量，kW;

QL—泄放氣體的低熱值，k J/kg;

W—泄放介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h;

計算出釋放總熱量后可在API-PR-521，figure 7中查出對應(yīng)的火焰長度L(m)。

3.2.2火焰變形長度計算

火焰變形計算需計算出介質(zhì)的體積流量和放散管出口處的實際介質(zhì)流速，公式如下:

式中:

Qvap—泄放氣體體積流量，Nm3/d;

T0—標(biāo)準(zhǔn)溫度，273K;

T—泄放介質(zhì)操作溫度，K;

qvap—泄放氣體工況下體積流量，m3/s;

d—放散管出口直徑，m;

uj—放散管出口處流速，m/s;

由此，火焰中心距放散管頂部的垂直距離可由Yc=0.5×yΔ∑算得;火焰中心距放散管中心的水平距離可由Xc=0.5×XΣΔ算得;

3.2.3放散管高度的計算

首先需要計算出火焰中心至受熱點(diǎn)的距離，計算公式如下:

式中:

D—火焰中心至受熱點(diǎn)的距離，m;

τ—大氣中的熱輻射系數(shù);

F—熱輻射因子(取決于泄放介質(zhì)，參考API-PR-521，Table10進(jìn)行取值);

Q—標(biāo)準(zhǔn)溫度，273K;

K—允許的最大熱輻射強(qiáng)度值，kW/m2;

K’—最大太陽熱輻射強(qiáng)度值，kW/m2;

r—大氣相對濕度，%;

在計算時，需使用試差法進(jìn)行試算，首先假定τ值，從而可由公式計算出D，將D帶入τ的計算式中，若計算出的τ值與假定值一致，則計算結(jié)束。

放散管高度與火焰中心、受熱點(diǎn)位置的關(guān)系可見圖1。

由圖1可以得出以下關(guān)系:

h’=h+ 0.5∑Δy; R’=R-0.5∑Δx

式中:

R－受熱點(diǎn)至放散管中心間距，m;

R’－受熱點(diǎn)至火焰中心間距，m;

h－放散管高度，m;

h’－火焰中心至受熱點(diǎn)的垂直距離，m;

考慮最保守工況時，可令R’=0，即受熱點(diǎn)在火焰中心的正下方，此時R’=0，R=Xc。

由D2=R’2+h’2可知，當(dāng)R’=0時，h’=D。若是有人員在受熱點(diǎn)時，還需考慮人員自身高度，保守起見，可使受熱點(diǎn)抬高至距離地面2m處，即h’在計算的結(jié)果之上再加2m。

從而由h=h’-Yc即可得到放散管的設(shè)計高度。

計算出放散管高度后，設(shè)計人員還需進(jìn)行其他幾個方面的核算:一是泄放介質(zhì)中有毒氣體擴(kuò)散濃度，常規(guī)可使用FLARE SIM軟件進(jìn)行計算，若擴(kuò)散濃度能夠滿足環(huán)保要求，則計算值可用，否則需要進(jìn)一步增加放散管高度后再次核算，直至滿足環(huán)保要求為止;二是可燃?xì)怏w濃度擴(kuò)散核算，方法同有毒氣體擴(kuò)散;三是校核系統(tǒng)背壓是否滿足上游壓力保護(hù)裝置正常開啟要求，通?？捎肍LARE NET 軟件進(jìn)行核算。四是校核該設(shè)計的高度是否比周邊設(shè)備、建筑、煙囪及其他結(jié)構(gòu)高出3m。

4　結(jié)語

相對火炬而言，放散管的配備沒有火炬系統(tǒng)復(fù)雜和完備，但其使用卻也非常普遍。隨著環(huán)保意識的不斷加強(qiáng)，放散管對環(huán)境的影響也逐漸引起人們的高度重視，因此在設(shè)計計算時必須嚴(yán)格按照規(guī)范核算其熱輻射強(qiáng)度、有毒氣體及可燃性氣體擴(kuò)散對周邊環(huán)境的影響。API 521就放散管的尺寸及高度計算給出了詳細(xì)過程，在實際設(shè)計過程中參考使用。

[1]API RP 521 Pressure-relieving and Depressuring Systems, ADDENDUM,MAY 2008.

Cold vent pipe is a common relieving facility in oil field surface engineering in domestic or overseas. After expatiating each safety factor which need to be considered for design and application,the detail of process calculation method for size and height of vent pipe has been provided according to API RP 521. This can be used in practice design.

Cold Vent Pipe;Process Calculation Method;Safety factor

劉靜(1981—),女,新疆克拉瑪依人,中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司、中級工程師、碩士,研究方向:油田地面工程設(shè)計。