茍建仁

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司西部分公司塔里木輸油氣分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000

壓氣站是天然氣增壓設(shè)備的站場(chǎng)，壓氣站的可燃?xì)怏w通過(guò)火炬進(jìn)行處理[1]。當(dāng)放空火炬點(diǎn)火時(shí)，所產(chǎn)生的熱輻射會(huì)對(duì)附近的人員、設(shè)備設(shè)施造成影響，甚至損毀[2]。因此對(duì)放空火炬燃燒熱輻射進(jìn)行分析十分重要[3]。

天然氣放空一般分為冷放空和熱放空。熱放空就是通過(guò)點(diǎn)火方式將放空的天然氣處理掉，主要后果為噴射火焰以及熱輻射對(duì)周?chē)挠绊?；冷放空是直接將天然氣排放，若立即點(diǎn)燃則與熱放空危害相同，如延遲點(diǎn)燃則會(huì)形成可燃?xì)庠?，遇到周?chē)c(diǎn)火源存在閃火的風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此，需要計(jì)算放空火炬熱輻射的影響范圍，避免對(duì)附近的人員、設(shè)備和建筑物造成損害[5]。

目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)放空火炬燃燒熱輻射進(jìn)行數(shù)值模擬研究。王東寶等[6]基于CFD 數(shù)值模擬軟件對(duì)海洋平臺(tái)放空燃燒和熱輻射進(jìn)行了模擬，對(duì)熱輻射的危害性進(jìn)行評(píng)估。Ferrara 等人[7]基于非穩(wěn)態(tài)RANS 方法建立了二維軸對(duì)稱(chēng)CFD 模型，通過(guò)改變點(diǎn)火位置、管道直徑和長(zhǎng)度等，研究可燃?xì)怏w通過(guò)泄壓管道排放時(shí)的爆炸情況，得到氣體放空速率是爆炸嚴(yán)重程度重要影響因素的結(jié)論。張明等[8]用Fluent軟件對(duì)可燃?xì)怏w的冷放空擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。張家豪[9]利用Fluent 軟件研究火焰溫度分布及放空火焰安全熱輻射距離的計(jì)算方法。以上研究通過(guò)CFD 數(shù)值模擬軟件，基于流動(dòng)和傳熱對(duì)放空氣體擴(kuò)散的影響因素進(jìn)行分析，但缺乏相關(guān)安全方案的評(píng)估和有效的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施。

輪南壓氣站地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，是西氣東輸一線(xiàn)首站和西氣東輸二線(xiàn)輪吐支干線(xiàn)首站。在輪南壓氣站，距離放空火炬1 km 內(nèi)有大量設(shè)備設(shè)施和紅柳樹(shù)。大量可燃?xì)怏w燃燒時(shí)產(chǎn)生熱輻射，可能對(duì)站場(chǎng)工作人員和設(shè)備造成危害，因此必須對(duì)放空火炬熱輻射的危害性進(jìn)行評(píng)估。本文根據(jù)輪南壓氣站實(shí)際放空參數(shù)和周?chē)闆r，結(jié)合設(shè)施及可燃物質(zhì)的熱輻射限值，基于事故后果分析軟件PHAST，對(duì)該站場(chǎng)火炬放空開(kāi)展熱輻射影響分析，評(píng)估放空熱輻射對(duì)周?chē)O(shè)施的影響，對(duì)于超出限值的工況提出有效的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施。

1 關(guān)鍵參數(shù)

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以輪南壓氣站放空系統(tǒng)的放空火炬為例，對(duì)其開(kāi)展熱輻射分析。輪南站天然氣管容為1 266 m3，放空管高度為28 m，放空管直徑為350 mm，氣體出口溫度為55 ℃，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，運(yùn)行壓力為9.8 MPa，排放物為天然氣（92.3%為甲烷）。

氣象參數(shù)根據(jù)輪南壓氣站所在地的溫度、氣壓、太陽(yáng)輻射等環(huán)境因素綜合確定，白天平均大氣溫度為19.0 ℃，夜間平均大氣溫度為5.0 ℃，大氣壓力0.102 9 MPa，太陽(yáng)輻射值0.5 kW/m2。根據(jù)SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中推薦的大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速組合選擇方法，結(jié)合輪南站所在地區(qū)近一年來(lái)的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本次選擇大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速組合數(shù)據(jù)下的3種典型風(fēng)頻數(shù)據(jù)：1.5 m/s（A 穩(wěn)定）、5.0 m/s（D 中等）、10.8 m/s（D中等）。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)情況

放空火炬周?chē)? km內(nèi)的設(shè)施如表1所示。

表1 放空火炬周?chē)O(shè)施

1.3 熱輻射準(zhǔn)則

天然氣放空形成可燃?xì)庠苹驀娚浠?。可燃?xì)庠品秶撝颠x擇爆炸下限的50%，放空氣體可燃極限為2.5%～15%；噴射火熱輻射強(qiáng)度閾值見(jiàn)表2。

表2 噴射火熱輻射強(qiáng)度閾值

考慮到放空火炬系統(tǒng)排放和環(huán)境噪聲的要求，按照SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，本文所涉及閥室放空火炬出口的馬赫數(shù)應(yīng)不大于0.5，放空火炬出口馬赫數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：qm為氣體放空流量，kg/h；p2為火炬出口壓力，kPa；d為火炬出口內(nèi)徑，m；Z為放空氣體壓縮系數(shù)；T為放空氣體熱力學(xué)溫度，K；k為放空氣體的絕熱指數(shù)；M為放空氣體平均分子量，g/mol。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 輻射范圍影響分析

火焰熱輻射是火炬放空的主要風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)表2中輻射強(qiáng)度閾值進(jìn)行不同風(fēng)速（1.5、5.0、10.8 m/s）下的輻射范圍分析，如圖1～圖3 所示。通過(guò)圖1～圖3 發(fā)現(xiàn)，下風(fēng)向比上風(fēng)向熱輻射影響范圍更遠(yuǎn)，所以選取下風(fēng)向熱輻射影響范圍作為放空系統(tǒng)熱輻射影響范圍的研究對(duì)象。

圖1 1.5 m/s風(fēng)速條件下火炬熱輻射影響范圍側(cè)視圖

圖3 10.8 m/s風(fēng)速條件下火炬熱輻射影響范圍側(cè)視圖

選取距離地面25 m 處的下風(fēng)向處進(jìn)行分析，不同風(fēng)速不同輻射值下的熱輻射影響范圍如圖4所示。可以看出低輻射強(qiáng)度影響范圍隨著風(fēng)速增大變小，這是由于環(huán)境風(fēng)速增大時(shí)，風(fēng)將放空產(chǎn)生的高溫?zé)煔庋杆傧♂尣⒔禍?，?dǎo)致熱輻射影響范圍降低。高輻射強(qiáng)度影響范圍隨著風(fēng)速增大而變大，這是由于高架火炬放空時(shí)，火焰等值線(xiàn)傾角受到風(fēng)速變化的影響較大，隨著風(fēng)速增大火焰向地面傾斜角度變小，即火焰越趨于向地面靠攏，導(dǎo)致高強(qiáng)度熱輻射影響范圍變大。

圖4 風(fēng)速與熱輻射影響范圍的關(guān)系

根據(jù)放空火炬周?chē)O(shè)施的高度，選取距地面高度為1.5、5、6、7、9、10、15、18、25 m，計(jì)算相應(yīng)高度的熱輻射影響范圍如圖5所示?？梢钥闯鲭S著高度的增加，輻射影響范圍變大，這是由于火焰燃燒產(chǎn)生的全部熱量在放空火炬出口到火焰的頂端距離1/3 處發(fā)出，高度越高，距離熱量發(fā)出點(diǎn)就越近，所以輻射影響范圍相對(duì)較大。

圖5 高度與輻射影響范圍關(guān)系

2.2 設(shè)備設(shè)施安全性分析

根據(jù)上述模擬計(jì)算結(jié)果，針對(duì)不同設(shè)備設(shè)施進(jìn)行輻射影響分析，對(duì)熱輻射超出標(biāo)準(zhǔn)限值的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行熱輻射影響范圍調(diào)整。通過(guò)調(diào)整放空閥開(kāi)度，將可燃?xì)怏w進(jìn)行降速排放，以減少熱輻射影響范圍。

2.2.1 不同風(fēng)速下熱輻射對(duì)輸電線(xiàn)路的影響

在風(fēng)速5.0、10.8 m/s 工況下，正西方向50 m處和正南方向41 m 處的輸電線(xiàn)路在放空期間所受熱輻射強(qiáng)度超出了標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。經(jīng)PHAST 軟件計(jì)算，當(dāng)放空閥開(kāi)度調(diào)整為10%時(shí)，熱輻射范圍能夠符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如表3所示。該放空閥開(kāi)度對(duì)應(yīng)的氣體質(zhì)量放空速率為102.05 kg/s，對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)為0.04。

表3 不同風(fēng)速下熱輻射對(duì)輸電線(xiàn)路影響情況

2.2.2 不同風(fēng)速下熱輻射對(duì)紅柳樹(shù)的影響

火炬周?chē)?5 m 處紅柳樹(shù)在放空期間所受熱輻射強(qiáng)度超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求，如表4所示。首先，需保證避免達(dá)到木材燃燒最小能量，即12.5 kW/m2；然后，需保證不超出樹(shù)木持續(xù)暴露在熱輻射下的損傷限值，即3 kW/m2。經(jīng)計(jì)算，閥門(mén)開(kāi)度為15%時(shí)，熱輻射限值部分可滿(mǎn)足12.5 kW/m2標(biāo)準(zhǔn)要求，該閥門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的氣體質(zhì)量放空速率為165.89 kg/s，對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)為0.06；但無(wú)法滿(mǎn)足樹(shù)木持續(xù)暴露在熱輻射下的損傷限值，為避免樹(shù)木在熱輻射下受損，可考慮采用冷放空。冷放空在各天氣條件下的可燃?xì)庠疲▊?cè)視圖）如圖6所示。

表4 不同風(fēng)速下熱輻射對(duì)紅柳樹(shù)的影響

從圖6可以看出，高度低于50 m的可燃?xì)庠漆尫啪嚯x小于10 m，因此火炬冷放空形成的可燃?xì)庠撇粫?huì)接觸到周?chē)O(shè)施/建（構(gòu)）筑物。

2.2.3 不同風(fēng)速下熱輻射對(duì)空冷設(shè)備的影響

250 m 處壓氣站空冷設(shè)備在放空期間所受熱輻射強(qiáng)度超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求，考慮從調(diào)整放空閥開(kāi)度來(lái)控制熱輻射范圍，經(jīng)計(jì)算，閥門(mén)開(kāi)度為45%時(shí)，熱輻射限值部分可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表5 所示。該閥門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的氣體質(zhì)量放空速率為597.05 kg/s，對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)為0.23。

表5 空冷設(shè)備在不同風(fēng)速下熱輻射強(qiáng)度影響情況

2.2.4 不同風(fēng)速下熱輻射對(duì)工藝管道的影響

站內(nèi)離火炬最近的工藝管道等設(shè)施在放空期間所受熱輻射強(qiáng)度超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求，如表6 所示。閥門(mén)開(kāi)度為45%時(shí)，熱輻射限值部分可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，該閥門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的氣體質(zhì)量放空速率為597.05 kg/s，對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)為0.23。

表6 工藝管道在不同風(fēng)速下熱輻射強(qiáng)度影響情況

通過(guò)以上分析，為保障放空火炬周?chē)藛T和設(shè)備設(shè)施的安全，給出了場(chǎng)內(nèi)對(duì)應(yīng)區(qū)域熱放空時(shí)的參數(shù)。由于操作人員可以承受的最大熱輻射限值4.73 kW/m2，對(duì)應(yīng)的影響范圍為285.65 m，建議熱放空期間禁止操作人員進(jìn)入該范圍區(qū)域內(nèi)開(kāi)展室外作業(yè)。若采用冷放空，按照放空火炬出口馬赫數(shù)的限值要求，建議放空開(kāi)始時(shí)將放空閥的開(kāi)度控制在85%以?xún)?nèi)，當(dāng)壓力下降至8.8 MPa 以下時(shí)，可將閥門(mén)開(kāi)度恢復(fù)到100%。

3 結(jié)論

本文對(duì)輪南壓氣站火炬放空開(kāi)展熱輻射影響分析，得出如下結(jié)論：下風(fēng)向的熱輻射影響范圍大于上風(fēng)向的熱輻射影響范圍；當(dāng)熱輻射強(qiáng)度較小時(shí)，影響范圍隨著風(fēng)速增大而變小；當(dāng)熱輻射強(qiáng)度較高時(shí)，影響范圍隨著風(fēng)速增大而變大；不同高度下，隨著距離地面高度的增加輻射影響范圍變大。結(jié)合設(shè)備設(shè)施及可燃物質(zhì)的熱輻射限值，評(píng)估放空熱輻射對(duì)周?chē)藛T、設(shè)備、樹(shù)木、建（構(gòu)）筑物的影響，對(duì)于超出限值的工況，通過(guò)調(diào)節(jié)放空閥的開(kāi)度可進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)減緩。