中國市政工程西南設計研究總院有限公司 劉 曦 劉世杰

放空系統(tǒng)是天然氣輸配系統(tǒng)的重要安全設施。在天然氣輸配系統(tǒng)運行中，放空的方式分為檢修放空和緊急放空兩種。檢修放空主要是在管道、設備維修時進行，如更換調壓器、更換流量計等。緊急放空主要是在輸氣系統(tǒng)發(fā)生事故而進行搶修時進行，同時利用緊急切斷閥切斷，以減少天然氣的泄漏量及減輕事故的危險性。

1 國內外天然氣放空技術現(xiàn)狀

1.1 國外天然氣放空技術現(xiàn)狀

關于天然氣放空方式在西方主要國家并沒有強制的法律規(guī)定。多數(shù)企業(yè)采用立管放空方式，部分放空量較大的輸氣場站可按照功能區(qū)分別進行放空，放空立管高度通常不低于3 m。國外閥室放空系統(tǒng)則更為簡單，多數(shù)不單獨設置放空總管，僅設置放空閥和放空短管，垂直于地面安裝，且短管口加蓋盲板，立管口距離地面高度一般小于3 m，且不單獨設置放空安全區(qū)。另外，為了減少溫室效應，達到節(jié)能環(huán)保的效果，部分企業(yè)采用移動壓縮機作為輔助放空設施，通過移動式壓縮機將要放空的天然氣抽出并注入相鄰管段，剩余無法抽出的天然氣才通過閥室的放空立管直接放空。

國外的規(guī)范與標準，均以美國行業(yè)規(guī)范ASME B31.8《輸氣和配氣管線系統(tǒng)》(以下簡稱美國行業(yè)規(guī)范)作為參考，以此進行相應規(guī)范的修正和改進。根據美國行業(yè)規(guī)范中第845.1條規(guī)定，凡干線、總管、配氣系統(tǒng)、用戶氣量表和相接設施、壓縮機站、管式氣柜、用管子和管件制成的容器以及所有專用設備，若所接的壓縮機或氣源，由于其壓力控制失靈或其他原因，可能造成上述設施中的壓力超過其最大允許操作壓力，應裝設適當?shù)男箟夯蛳迚貉b置；美國行業(yè)規(guī)范第 846.21條(C)款規(guī)定輸氣管道上應安裝排放閥，以便位于主閥門之間的每段管線均能放空，而為了管線放空而配置的連接管應能保證在緊急情況下使管段盡快放空。該規(guī)范還提到了在輸氣站內，考慮到防火安全和環(huán)境保護，對泄放氣體不建議進行就地排放，應引入相同壓力級制的放空管道并送至輸氣站以外的放空豎管進行放空。根據美國行業(yè)規(guī)范的相關規(guī)定可以看出對于天然氣管道和輸氣場站放空系統(tǒng)的設置僅給出了原則性規(guī)定，并未說明具體的設置方法。

1.2 國內天然氣放空技術現(xiàn)狀

國內天然氣輸配系統(tǒng)中的放空系統(tǒng)主要由放空閥和放空豎管組成。其作用是在特殊情況如場站發(fā)生進出站壓力過高的意外時，需要通過放空系統(tǒng)迅速排放相關管路設備中的天然氣。對于線路閥室放空，其作用也是當兩閥室間管道檢修或發(fā)生意外時通過放空系統(tǒng)迅速排放相關管路設備中的天然氣。

國內對于放空系統(tǒng)的研究起步較晚，目前我國對于天然氣輸配系統(tǒng)的放空設計規(guī)范并未有統(tǒng)一的標準，而參考國外標準規(guī)范較多。研究天然氣放空系統(tǒng)時，涉及到的主要規(guī)范有 GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》，其中相關規(guī)定如下：

1.2.1 GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》

該規(guī)范中第 3.4.2條：輸氣管道相鄰線路截斷閥(室)之間的管道上應設置放空閥，并結合建設環(huán)境可設置放空立管或預留引接放空管線的法蘭接口。放空閥直徑與放空管直徑相等；第3.4.7—1條：輸氣站應設置放空立管，需要時還可設放散管；第3.4.7—3條：當輸氣站設置緊急放空系統(tǒng)時，設計滿足 15 min內設備及管道內壓力從最初的壓力降到設計壓力的50%；第3.4.7—6條：放空立管和放散管防火設計應符合現(xiàn)行國家標準《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》的有關規(guī)定。

1.2.2 GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》

該規(guī)范中第 4.0.8條：火炬和放空管宜位于石油天然氣站場生產區(qū)最小頻率風向的上風側，且宜布置在站場外地勢較高處?；鹁婧头趴展芘c石油天然氣站場的間距：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，不應小于 10 m；放空量大于 1.2×104m3/h且等于或小于4×104m3/h時，不應小于40 m。

該規(guī)范中第6.8.8-4條：連續(xù)排放的可燃氣體排氣筒頂或放空管口，應高出20 m范圍內的平臺或建筑物頂2.0 m以上。對位于20 m以外的平臺或建筑物頂，應滿足 6.8.8條的要求，并應高出所在地面5 m。

2 輸氣系統(tǒng)放空方式

按照放空位置，輸氣系統(tǒng)放空方式可分為閥室放空和場站放空。閥室放空系統(tǒng)承擔用于閥室相鄰管段放空作業(yè)，場站放空系統(tǒng)主要用于站內設備及相鄰管段的放空作業(yè)。

2.1 閥室放空系統(tǒng)

2.1.1 閥室放空系統(tǒng)工況分析

閥室放空系統(tǒng)工況可以分為計劃性放空和非計劃放空兩種工況。計劃性放空工況是管道進行維修、改造等作業(yè)時進行的放空，是閥室放空系統(tǒng)的主要工況；非計劃放空工況是輸氣管線出現(xiàn)泄漏、破管時的緊急放空，該工況出現(xiàn)頻率較低，瞬時放空流量較大。

2.1.2 閥室放空系統(tǒng)工藝設計

目前國內大多數(shù)閥室工藝流程為在主閥兩側分別設置放空管。放空管用異徑三通連接在主干管主閥兩側，并串聯(lián)安裝兩個常閉放空閥；放空閥一般采用球閥和截止閥復式安裝方式以防內漏；主閥兩側的放空管在放空閥后合并成1根管道，引至閥室外放空總管。閥室工藝流程，如圖1所示。

圖1 閥室工藝流程

目前閥室放空立管安全間距無規(guī)范可循，防火間距可以參照GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》中的五級場站考慮。目前，中石油大多數(shù)場站的放空豎管距其場站的安全間距在 40 m以上，其高度多為20 m。

2.1.3 閥室放空量計算

當天然氣管道需要進行放空時，首先關閉管段兩端截斷閥，再將管段內天然氣由放空管排出，此時可將管道內的天然氣看作一個獨立的高壓氣瓶進行研究。這時放空量的計算較為簡單，可按式(1)進行：

式中：Q——管段總放空量，m3；

Q1——放空前管道天然氣容量，m3；

Q2——放空后管道剩余天然氣容量，m3；

D——管道內徑，m；

L——管段長度，m；

p1——放空開始時刻壓力，MPa；

p2——放空結束時刻壓力，MPa(一般為0.1MPa)；

p0——標準狀況下壓力，MPa；

T0——標況下溫度，K；

T——天然氣放空初始溫度，K；

Z——壓縮因子。

2.2 場站放空系統(tǒng)

2.2.1 場站放空系統(tǒng)工況分析

場站放空系統(tǒng)工況可以分為站內計劃放空工況、安全閥排放工況和站內緊急放空工況。

(1) 站內計劃放空工況。站內計劃放空工況是指站內設備管道維修、改造時的局部放空，放空流量可以手動控制。此工況下放空流量較小，對放空管網和和排放設備的影響不大。

(2) 安全閥排放工況。安全閥排放工況是指站場設備或管道內工藝氣體因超壓而引起的安全閥泄壓排放。

(3) 站內緊急放空工況。站內緊急放空工況是指站場發(fā)生可燃氣體泄漏、火災或其他緊急事故時觸發(fā)緊急停車(ESD)而引起的放空。根據站場 ESD分級，一般可分為設備級、工藝裝置區(qū)域級、以及全站級的緊急放空。站內緊急放空屬于不可控放空，具有放空持續(xù)時間短、放空流量大的特點。

2.2.2 場站放空量計算

輸氣場站的天然氣放空量計算相比管段放空更為復雜，主要是隨著場站放空原因和放空區(qū)域不同，放空量和放空時間的要求也不盡相同，其中場站放空最為苛刻的條件為站內緊急放空工況，故場站放空量應按照緊急放空工況來計算。

場站放空量計算與管段放空量計算有些類似，其主要不同在于場站內設備和管段的物理容積計算更為繁瑣。

場站放空量可按照式(2)進行計算：

式中：Vi——場站設備和管路的容積總和，m3。

2.3 閥室、場站放空速率的計算

閥室、場站放空速率可按照下式(3)進行計算。

式中：W——排放氣體的質量流量，kg/s；

Q ——管段總放空量，m3；

t——放空時間，s；

ρ——天然氣氣體密度，kg/m3。

目前，輸氣管道泄漏事故或維修一般要求在10～12 h內完成線路放空。而場站放空速率應按照緊急放空條件，要求在15 min將全站的壓力通過放空降低到設計壓力的50%來計算。輸氣站場的放空總流量應該按照可能發(fā)生的工況中最大流量考慮，不應按照各種工況的泄放流量直接疊加計算。

2.4 放空管徑計算

放空管管徑可按照下式(4)進行計算。

式中：d——放空總管直徑，m；

Ma——馬赫數(shù)，取0.5；

p——氣體出口壓力，kPa；

K——排放氣體絕熱系數(shù)；

M——排放氣體物質的量，kg/mol。

3 結語

一直以來，放空系統(tǒng)在輸氣管道及場站中具有重要作用，在管道或站場維修以及發(fā)生安全事故時，都可能要進行天然氣放空作業(yè)，合理設計放空系統(tǒng)能夠保證輸氣管道及場站的安全運行。筆者通過查閱國內外放空天然氣的相關文獻、規(guī)范并結合工程實際情況，總結了天然氣放空系統(tǒng)的設置原則、放空流程、放空方式以及放空系統(tǒng)計算的方法，為相關設計人員提供參考。