張章

摘 要：針對輸氣管道工程的站場放空系統(tǒng)，本文采用SAFER TRACETM化學(xué)事件分析系統(tǒng)，對放空管和放空火炬進行泄放擴散模擬，得出一定工況下對周邊的影響范圍；通過對相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定要求的比較，分析放空管設(shè)置的合規(guī)性；從安全、經(jīng)濟、占地、事故概率以及標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行等方面論證了放空管設(shè)置的可行性。

關(guān)鍵詞：輸氣管道；輸氣站；放空管；放空火炬；放空量

目前中國已成為繼美國和俄羅斯之后全球第三大天然氣消費國，2014年我國天然氣消費量1800×108m3/a，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020年）》提出2020年我國天然氣供應(yīng)能力將達3760×108m3/a，從一定意義來說，2005年以來我國輸氣管道工程建設(shè)的高峰期仍將持續(xù)，可是由于對放空管設(shè)置的認(rèn)識問題，致使人們片面認(rèn)為放空管不安全，必須采用放空火炬，受限地區(qū)甚至被迫采用了地面火炬，由此帶來了用地擴大、投資增加等一系列的問題。就此筆者提出幾點看法。

1 放空管的作用

輸氣站是輸氣管道工程的主要構(gòu)成之一，而放空系統(tǒng)又是輸氣站不可缺少的內(nèi)容。由于處理工藝及介質(zhì)的差異較大，輸氣站的放空系統(tǒng)與油氣田站場、石油化工廠相比，無論是在放空介質(zhì)，還是在工藝流程環(huán)節(jié)都要簡單的多。圖1為輸氣管道工程典型分輸站工藝流程圖。

為使放空系統(tǒng)表達的更清楚，圖1對除放空系統(tǒng)以外的內(nèi)容進行了簡化處理。從圖1所示看出，輸氣站的放空系統(tǒng)一般由泄壓設(shè)備（閥）、管線、放空管（或放空火炬）組成，其主要功能包括設(shè)備放空、站場放空、站外管線放空。

設(shè)備放空：壓縮機組、儀表風(fēng)儲罐、排污罐等設(shè)備上設(shè)有安全閥，當(dāng)設(shè)備壓力達到設(shè)定壓力時安全閥起跳，實現(xiàn)緊急放散；同時設(shè)備還有手動放空，能夠在檢修時實現(xiàn)放空；站場放空：工藝裝置區(qū)各管段都設(shè)有手動放空，在設(shè)備進行維護和檢修時可將管段內(nèi)天然氣放空。站內(nèi)進、出口處安裝了緊急放空閥BDV和限流孔板，BDV與ESD系統(tǒng)聯(lián)動，根據(jù)具體情況可實現(xiàn)保壓關(guān)斷或泄壓關(guān)斷。當(dāng)站內(nèi)出現(xiàn)緊急事故，全站一級關(guān)斷時，BDV閥門迅速自動開啟，將天然氣通過放空管放空；站外管線放空：通過進、出站緊急關(guān)斷閥前后的放空閥能夠?qū)⒄緢雠c上、下游截斷閥室間的天然氣，實施檢維修。

簡單來說，輸氣站的放空系統(tǒng)就是為完成超壓泄放、緊急放空及開、停工或檢修時排放出的天然氣進行收集和處理而設(shè)置的。

在放空系統(tǒng)中，放空管或放空火炬是天然氣排至大氣的最后一道工序，區(qū)別在于前者是將天然氣（甲烷）直接排入大氣，后者

是將甲烷燃燒轉(zhuǎn)化為二氧化碳（與水蒸氣）后排入大氣，兩者對周邊安全、環(huán)境影響各有不同，本文僅對其周邊安全的影響進行分析。

2 放空管與放空火炬對周邊的影響

為從安全角度更好地對放空管與放空火炬進行比較，本文對放空管擴散范圍和放空火炬熱輻射范圍進行模擬計算。

計算采用的軟件為SAFER TRACETM化學(xué)事件分析系統(tǒng)，TRACE軟件可用于泄漏到大氣中的有毒、易燃、易爆等化工產(chǎn)品的危險評估，可通過一整套復(fù)雜的計算方法來模擬儲罐故障、管線泄漏、泄漏源的物理現(xiàn)象、重質(zhì)氣體模擬、高斯擴散等有毒、易燃?xì)怏w的泄漏，還可模擬熱輻射半徑和爆炸超壓沖擊區(qū)域，幫助我們建立一整套用于處理緊急事件的行動方案，由于TRACE軟件的強大功能和靈活性，TRACE軟件已廣泛地用于意外泄漏模擬、潛在危險評估、風(fēng)險管理方案、量化風(fēng)險評估、人員傷害評估等領(lǐng)域。

通過該軟件建立的“天然氣擴散影響”的相關(guān)模型，均基于高斯模型。該模型為穩(wěn)態(tài)泄放擴散模擬，天然氣擴散范圍分為兩個區(qū)域。在第一區(qū)域中，初始釋放濃度和速度（被假定為均勻分布在整個出口平面）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚狗植?。在第二區(qū)即的流動區(qū)域中，速度和濃度分布具有一定的高斯形狀。模型中，假定噴射流建立的柱的橫截面是圓形羽狀區(qū)域內(nèi)的。在噴射流建立區(qū)域由于大氣湍流的各向異性，橫截面為橢圓狀，主要的軸的DZY和DSZ為常數(shù)。見圖2。

為便于放空管與放空火炬對周邊的影響分析比較，根據(jù)目前國內(nèi)輸氣管道工程的輸氣站放空系統(tǒng)設(shè)置情況，選擇三種工況條件進行模擬：

工況一：泄放量1.2×104m3/h，泄放口徑DN100，泄放口高度：放空管、放空火炬均為15m；

工況二：泄放量4.0×104m3/h，泄放口徑DN150，泄放口高度：放空管15m，放空火炬25m；

工況三：泄放量10.0×104m3/h，泄放口徑DN300，泄放口高度：放空管15m，放空火炬40m。

模擬條件為：

①放空管影響范圍為天然氣爆炸下限，即在空氣中5%濃度時，距離管中心位置的最大擴散距離；

②放空火炬影響范圍為距地面一定高度時，水平面所受的熱輻射強度為1.58kW/m2時，距離火炬中心位置的最大熱輻射范圍；

③風(fēng)速分別按2m/s、5m/s、8m/s取值；

④泄放時間為30min。

各工況下放空管與放空火炬對周邊的影響范圍模擬情況見圖3～圖20，具體數(shù)值匯總見表1。

通過SAFER TRACETM建立的“天然氣擴散影響”模型對各工況下放空管與放空火炬對周邊的影響范圍進行模擬的結(jié)果表明：

①雖然兩者影響因素不同，前者控制的是安全距離，后者控制的是熱輻射，但綜合比較，在泄放量相同的情況下，放空管較放空火炬的影響范圍小的多；

②在一定的范圍內(nèi)，放空量對放空管的影響不大，但對放空火炬的影響很大；

③在一定的范圍內(nèi)，風(fēng)速對放空管的影響不大，但對放空火炬的影響很大。

3 放空管設(shè)置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國國家標(biāo)準(zhǔn)《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》ASME B31.8-2012第843.3.3“安全裝置”、第843.3.4“壓縮機站限壓要求”、第845.3“對于泄壓設(shè)計和限壓裝置要求”以及第846“閥門”等條款均對放空作了規(guī)定，“緊急停車系統(tǒng)應(yīng)在站內(nèi)氣體區(qū)域以外至少設(shè)兩個能單獨使用的操作點，最好設(shè)在壓縮機站圍墻出口附近，但距站界不要超過150m。放空管應(yīng)延伸到在放空氣體時不會危及壓縮機站及附近區(qū)域的位置”、“泄壓閥的放空管線應(yīng)延伸到放氣時不會發(fā)生危險之處。放空管線應(yīng)有足夠的流通能力，使其不阻礙泄壓閥的動作”、“泄壓設(shè)備的排氣孔、放空管或出口應(yīng)安裝在易于排放到大氣而不會對環(huán)境產(chǎn)生危害的地方。應(yīng)該考慮暴露在附近的情況，包括天然氣管道與電力線并行時應(yīng)考慮排污管線排出的氣體遠(yuǎn)離電導(dǎo)體。需要保護的設(shè)備，排氣孔或放空管應(yīng)加雨罩防止進入水”、“陸上新的輸氣干線在實施時應(yīng)安裝截斷閥，當(dāng)管道維修或出現(xiàn)緊急事故時用來隔離。當(dāng)確定截斷閥間距時，首先考慮截斷閥易于操作的安裝的位置”、“分段截斷閥應(yīng)安裝在易于接近操作的地方，并且保護不受到損壞或隨意操作。若裝有放空閥，選擇時安裝位置應(yīng)保證在放空過程不會截斷閥產(chǎn)生危害”“安裝放空閥，便于主閥門之間的管線均能放空。放空管線規(guī)格和能力，應(yīng)滿足在緊急情況的快速放空”。俄羅斯СНиП 2.05.06-85《干線管道設(shè)計規(guī)范》也規(guī)定了在截斷閥之間的輸氣管段兩端，壓縮機站的接通樞紐及清管器收發(fā)站，應(yīng)設(shè)置放空管。

《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》GB50251-2003在編制過程參考了ASME B31.8的作法，其第3.4條“輸氣管道的安全泄放”規(guī)定，“輸氣站應(yīng)在進站截斷閥上游和出站截斷閥下游設(shè)置泄壓放空設(shè)施”、“輸氣干線截斷閥上下游均應(yīng)設(shè)置放空管。放空管應(yīng)能迅速放空兩截斷閥之間管段內(nèi)的氣體。放空閥之間與放空管直徑應(yīng)相等”、“輸氣站存在超壓可能的受壓設(shè)備和容器，應(yīng)設(shè)置安全閥。安全閥泄放的氣體可引入同級壓力的放空管線”、“放空氣體應(yīng)經(jīng)放空豎管排入大氣，并應(yīng)符合環(huán)境保護和安全防火要求”、“輸氣干線放空豎管應(yīng)設(shè)在圍墻外，與站場及其他建（構(gòu)）筑物的距離應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》GB50183的規(guī)定”?！妒吞烊粴夤こ淘O(shè)計防火規(guī)范》GB50183-2004第4.0.8條規(guī)定，“火炬和放空管宜位于石油天然氣站場生產(chǎn)區(qū)最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)，且宜布置在站外地勢較高處?；鹁婧头趴展芘c石油天然氣站場的防火間距：火炬由本規(guī)范第5.2.1條確定；放空管放空量等于或小于1.2×104m3/h時，不應(yīng)小于10 m；放空量大于1.2×104且等于或小于4×104m3/h時，不應(yīng)小于40m”。

從中看出，ASME B31.8強調(diào)的是輸氣干線及壓縮機站應(yīng)設(shè)置放空系統(tǒng)，型式為放空閥或放空管，而《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》GB50251對放空管的設(shè)置規(guī)定參照了ASME B31.8的相關(guān)條款內(nèi)容，是一致的，主要是放空量、安全距離等涉及到《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》GB50183的規(guī)定中存在含糊的問題，如放空管的防火間距是否合理，超過4×104m3/h是否就要設(shè)置成火炬等，這些給實際工程設(shè)計和建設(shè)帶來了很大的不便。

4 幾點看法

①放空管控制的是天然氣爆炸下限，即在空氣中5%濃度時，距管中心位置的最大擴散距離，放空火炬控制的是距地面一定高度時，水平面所受的熱輻射強度為1.58kW/m2（本文采用值）時，距火炬中心位置的最大熱輻射距離。通過SAFER TRACETM建立的“天然氣擴散影響”模型對各工況下放空管與放空火炬對周邊的影響范圍進行模擬的結(jié)果表明，放空管受放空量或風(fēng)速的大小影響不大，而放空火炬受之影響很大，相對來說，設(shè)置放空管更易受控，也是安全的。

②工程建設(shè)必須執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且首先應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，而國外標(biāo)準(zhǔn)僅為參考。對輸氣管道工程項目來說，《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》GB50251-2003對放空管的要求已經(jīng)十分明確，關(guān)鍵在《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》GB50183-2004對放空量的規(guī)定較為模糊，目前《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》GB50251-2015已經(jīng)建設(shè)部頒布，將于2015年10月1日起實施，其在放空管的規(guī)定要求上更進一步作了明確要求，而《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》GB50183正在報批中。因此放空管的采用，在國家標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行方面是不存在問題的。

③從事故概率角度，人們的目標(biāo)是“零容忍”，即追求事故概率為零。按照事故概率理論，全過程的事故概率為過程事故概率的乘積，其應(yīng)為內(nèi)部條件和外部條件的組合，對于輸氣管道工程的放空管來說，事故概率需考慮到結(jié)構(gòu)本體、操作規(guī)范、周邊環(huán)境、自然條件以及人的活動等，其事故概率是很小的，從國內(nèi)外輸氣管道工程事故統(tǒng)計來看，尚未出現(xiàn)因設(shè)置放空管發(fā)生安全事故的案例。

④設(shè)置放空管較放空火炬也是最為經(jīng)濟的做法。輸氣管道事故放空的頻率非常低，一般多出現(xiàn)在管道工程改擴建以及系統(tǒng)檢維修時的放空，量小且時間短，完全可以采用放空管，目前線路截斷閥室就是這種作法。放空火炬的投資較放空管大的多，且設(shè)置復(fù)雜，電氣元件多，反而對設(shè)備系統(tǒng)的安全性要求高。

⑤在充分考慮風(fēng)向?qū)ο嚓P(guān)設(shè)施的影響的前提下，放空管完全可以設(shè)置在站內(nèi)。我國人均土地面積在世界排110位以后，耕地面積排在126位以后，有664個市縣的人均耕地在聯(lián)合國確定的人均耕地0.8畝的警戒線以下。放空管的設(shè)置在一定意義上可以有效減少占地，這也是我們每一個工程建設(shè)者應(yīng)考慮的問題。