李世平,張凱靈,孫菁,楊曉東,梁昌晶
(1. 河北華北石油工程建設(shè)有限公司,河北 任丘 062552;2. 中國石油西南油氣田公司 輸氣管理處,四川 成都 610000;3. 中國石油西南油氣田公司 川西北氣礦,四川 江油 621741;4. 中國石油華北油田公司 二連分公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000;5. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計有限公司,河北 任丘 062552)
中國輸氣站場放空作業(yè)主要通過放空立管和點火裝置完成,當(dāng)站場(壓氣站、分輸站、清管站)需檢修或進出站超壓時,需將站場內(nèi)所有存留的氣體放空;當(dāng)線路閥室之間的管道發(fā)生意外或檢修時,需將管道內(nèi)所有存留的氣體放空。放空作業(yè)按照是否點火可分為冷放空和熱放空。
目前,國內(nèi)相關(guān)的標準有GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》、GB 50160—2008(2018年版)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》、GB 50183—2004《石油天然氣防火設(shè)計規(guī)范》,其中前兩個規(guī)范主要規(guī)定了放空系統(tǒng)的總體設(shè)置,GB 50183—2004適用于新建、擴建及改建的陸上油氣田工程、管道工程和海洋石油陸上終端處理工程,詳細地規(guī)定了放空系統(tǒng)的放空量、防火間距、立管高度、設(shè)置位置等。該標準規(guī)定,放空立管和火炬與站場的防火間距,對于冷放空,當(dāng)放空量不大于1.2×104m3/h時,不應(yīng)小于10 m,當(dāng)放空量大于1.2×104m3/h且不小于4×104m3/h時,不應(yīng)小于40 m;對于熱放空,可能攜帶可燃液體火炬的防火間距應(yīng)根據(jù)熱輻射計算確定,與站場的間距為90 m。隨著新建管道的直徑和壓力等級越來越高,管輸量越來越大,大部分放空作業(yè)時量已超過4×104m3/h,該標準未給出相應(yīng)作法,如按照行業(yè)的通用作法采取90 m防火間距,將導(dǎo)致站場及閥室占地面積大、選址困難、投資超支等問題,嚴重制約管道工程的發(fā)展。因此,采用DNV PHAST軟件模擬不同放空量、不同風(fēng)速條件下的氣體擴散和熱輻射范圍,確定冷放空和熱放空作業(yè)下的防火間距,以期為該標準的修訂提供技術(shù)參考。
放空過程屬于非穩(wěn)態(tài)流體流動過程,流動形式主要為湍流,在此采用UDM模型模擬立管冷放空中氣體的擴散情況,該模型假設(shè)云團不發(fā)生卷吸作用、擴散氣體不與空氣中其他組分發(fā)生反應(yīng)、在碰撞到地面后完全反彈。
參照API RP521: 1997《泄壓和減壓系統(tǒng)導(dǎo)則》計算立管熱放空中火焰中心與地面受熱點之間的熱輻射強度,根據(jù)目標受熱點的熱輻射通量值,確定防火間距。
站場因事故狀態(tài)造成的緊急放空一般為不可控放空,持續(xù)時間短、放空量大,以某站場為例,取最大瞬時放空量2×105m3/h,放空連接線和放空立管的管外徑均為508 mm,立管高度25 m,初始放空壓力為6 MPa,氣體出口速度不大于170 m/s,氣體組分的摩爾分數(shù)xB見表1所列。
表1 氣體組分的摩爾分數(shù)
按照PR氣體狀態(tài)方程進行模擬,得到氣體的爆炸上限(UEL)為16.5%,爆炸下限(LEL)為4.4%。大氣穩(wěn)定度根據(jù)帕斯奎爾的方法進行分類,通過調(diào)取當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,大氣穩(wěn)定度為D~E,空氣濕度為65%。
對于冷放空作業(yè),當(dāng)氣體擴散濃度在(0.5~1.0)LEL時,只要點燃能量足夠,依然會發(fā)生閃火,同時考慮到不同因素對氣體擴散的影響,分析氣體在不同濃度下擴散的邊界分布空間,以0.5LEL的邊界作為最不利條件。即冷放空作業(yè)時,立管與站場之間的防火間距不應(yīng)小于0.5LEL所限定的邊界空間。
為了避免站場內(nèi)工藝設(shè)備、電氣儀表及操作人員受火焰熱輻射的影響,根據(jù)GB 50183—2004中的條文說明及API RP521: 1997的規(guī)定,對操作人員所處目標受熱點的熱輻射強度及條件進行了規(guī)定,見表2所列。一般站場內(nèi)操作人員均穿有合適的防護服,且經(jīng)過安全培訓(xùn)和應(yīng)急疏散演練,可以在10 min內(nèi)完成緊急撤離,因此選擇熱輻射強度4.75 kW/m2作為熱放空的最不利條件。即熱放空作業(yè)時,立管與站場之間的防火間距不應(yīng)小于該允許熱輻射條件下計算的邊界空間。
表2 允許熱輻射強度及條件
經(jīng)研究表明,風(fēng)速、放空量、大氣穩(wěn)定度、空氣濕度、圍墻高度等均會影響可燃氣體云團的擴散范圍,其中大氣穩(wěn)定度和空氣濕度對云團在空氣中的卷吸作用影響較小,立管高度一般超過25 m,圍墻高度對云團的垂直距離影響不大,因此只研究不同風(fēng)速、不同放空量條件下的氣體擴散和燃燒熱輻射強度范圍。
采用DHV PHAST軟件模擬3種瞬時放空量5×104,1×105,2×105m3/h分別在風(fēng)速1,5,10,15,20 m/s條件下的冷放空擴散范圍,得到不同風(fēng)速條件下0.5LEL限定的邊界空間,如圖1所示。不同放空量條件下氣體擴散范圍的規(guī)律基本一致,風(fēng)速較低時,立管出口處的氣體流速較高,氣體主要向垂直方向擴散;風(fēng)速較高時,湍流作用加強,同時立管出口處的噴射力減弱,氣體從垂直方向逐漸向水平方向移動。對比相同風(fēng)速不同放空量條件下,放空量越大,出口動力越強,氣體的擴散范圍越大。以2×105m3/h為例,風(fēng)速分別為1,5,10,15,20 m/s時,可燃氣體濃度為0.5LEL的下風(fēng)向擴散距離分別為16.2,23.5,27.3,28.8,29.4 m。即當(dāng)采取冷放空作業(yè)時,不同風(fēng)速下放空立管與站場的防火間距分別為 16.2,23.5,27.3,28.8,29.4 m。此外,當(dāng)風(fēng)速超過10 m/s時,云團下風(fēng)向的擴散能力明顯減弱,風(fēng)速對擴散距離的影響越來越小,主要原因是當(dāng)放空量一定時,風(fēng)速越大,周圍空氣對云團的稀釋剪切作用越強,為了保持一定的出口流速,短管時效的作用越大,云團的擴散能力越弱。
圖1 不同風(fēng)速和放空量條件下的氣體擴散范圍示意
熱放空作業(yè)時,氣體燃燒產(chǎn)生的熱輻射會對周圍的人、設(shè)備、建筑物造成損傷,損傷的嚴重程度主要以熱輻射值衡量。采用DNV PHAST軟件模擬5×104,1×105,2×105m3/h 3種瞬時放空量分別在風(fēng)速為1,5,10,15,20 m/s條件下的熱放空擴散范圍,得到允許熱輻射強度4.75 kW/m2下的邊界空間,如圖2所示。當(dāng)下風(fēng)向距離相同時,風(fēng)速越大熱輻射強度越大,在同一放空量條件下,熱輻射值呈先增加后減小趨勢,并隨著下風(fēng)向距離的增加,熱輻射強度逐漸趨于最小化。以放空量2×105m3/h為例,當(dāng)采取熱放空作業(yè)時,風(fēng)速為1 m/s時,防火間距可不作限制,當(dāng)風(fēng)速分別為5,10,15,20 m/s時,防火間距應(yīng)分別取44.5,54.9,61.7,67.2 m,均小于GB50183—2004中立管與站場間距90 m的規(guī)定。
圖2 不同風(fēng)速和放空量條件下的熱輻射范圍示意
采用DNV PHAST軟件模擬分析了不同放空量和不同風(fēng)速下的氣體擴散和熱輻射范圍,特點如下:
1) 在綜合考慮各影響因素的前提下,規(guī)定了防火間距的選取原則,對于冷放空作業(yè),立管與站場之間的防火間距不應(yīng)小于0.5LEL所限定的邊界空間;對于熱放空作業(yè)時,立管與站場之間的防火間距不應(yīng)小于4.75 kW/m2允許熱輻射條件下計算的邊界空間。
2)當(dāng)放空量為2×105m3/h,風(fēng)速20 m/s時,冷放空的防火間距為29.4 m,熱放空的防火間距為67.2 m,均小于GB50183—2004中立管與站場防火間距的規(guī)定。