国内外输气管道放空系统设计标准分析

国内外输气管道放空系统设计标准分析

输气管道的开放式系统由开放式管道和开放式点的火安装组成。站场放空系统的作用:实施站场检修时,通过放空系统排放站场内所有管路、设备中的天然气;站场发生意外或进出站压力超压时,通过放空系统排放相关管路、设备中的天然气。线路阀室放空系统的作用:当两阀室间的管道实施检修或发生意外时,通过放空系统迅速排放管道中的天然气。天然气放空与周围安全及环境卫生密切相关,因此放空管和火炬的设置需要根据相关标准规定进行设计。目前国内输气管道工程在放空系统设置方面主要遵循GB50251-2003《输气管道工程设计规范》和GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》。新建管道的口径越来越大、压力越来越高,在东部发达地区和城市规划区,根据上述标准规定的放空立管和放空火炬安全防火距离的要求,输气管道站场及阀室存在占地大、投资高、选址困难等问题,严重制约我国输气管道的发展。1相关标准1.1《可燃性气体排放系统设计规范》GB50251-2003给出了输气管道放空系统设置的总体、原则性规定。GB50183-2004适用于新建、扩建和改建的陆上油气田工程,管道站场工程和海洋油气田陆上终端工程的防火设计,其给出了放空系统防火安全间距、位置、高度等要求。GB50160-2008《石油化工企业设计防火规范》规范了石油化工企业新建、扩建或改建工程的防火设计。SY/T10043-2002《卸压和减压系统指南》等同采用API521-1997《泄压和减压系统导则》,用于指导分析过压原因、确定泄放速率、选择和设计处理系统(包括容器、火炬及放空烟囱之类的系统部件)。目前API521已经升级到API/ANSI521-2007(ISO23257:2008<IDT>)。现行的火炬设计计算执行标准SH3009-2001《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》及HG/T20570-95《火炬系统设置》。前者规定了石油化工企业新建、扩建或改建燃料气系统和可燃性气体排放系统的工程设计;后者规定了处理石油化工厂、炼油厂发生事故或正常生产中排放的大量易燃、有毒、有腐蚀性气体的火炬系统的设计。1.2火炬系统的选择和维护国外放空系统和放空火炬的设计普遍采用API521-2007(ISO23257:2008<IDT>)《泄压和减压系统导则》和API537《通用炼油及石油化工设施火炬细则》。API/ANSI521-2007(ISO23257:2008<IDT>)为分析超压原因,确定单项释放量以及选择、设计火炬和放空塔等处理系统提供指南。API/ANSI537-2008(ISO24257:2008<IDT>)规定了炼化厂和石油化工企业火炬的机械设计、运行和维护等相关要求。国外其他放空系数和放空火炬设计相关标准有:ASMEB31.8-2010《输气和配气管道系统》、DEP80.45.10.10-Gen《压力泄放、紧急泄压、火炬和放空系统》、CSAZ662-2007《油气管道系统》、ISO13623-2009《石油和天然气工业-管道输送系统》、ОНТП51-1-85《干线输气管道工艺设计规范》、СНиП2.05.06-85《干线管道设计规范》。2在国内外标准差异分析2.1放空时间及放空量GB50251-2003明确规定输气站应在进站截断阀上游和出站截断阀下游设置泄压放空设施。输气干线截断阀上下游均应设置放空管。放空管应能迅速放空两截断阀之间管段内的气体。放空阀直径应与放空管直径相等此外,GB50251-2003只提到放空管应能迅速放空两截断阀之间管段内的天然气,对于管道放空时间无具体规定,目前设计多按10~12h计算,小时放空量大,导致噪音大,容易使周围群众产生恐慌。俄罗斯СНиП2.05.06-85《干线管道设计规范》规定:在截断阀之间的输气管段两端,压缩机站的接通枢纽及清管器收发站,应设置放空管。当输气管道直径小于1000mm时,放空管至截断阀的距离不小于15m;当输气管道直径不小于1000mm时,放空管至截断阀的距离不小于50m。放空管的直径,应根据截断阀之间的输气管段在1.5~2h的排空条件确定。截断阀和放空管距离不属于输气管道的建筑物不小于300m2.2火炬的防火间距国外放空系统和放空火炬的设计普遍采用API521和API537,根据辐射热计算,确定火炬筒中心至必须限制辐射热强度(或热流密度)的受热点之间的安全距离,但未明确规定安全距离。国内防火间距参照API521辐射热计算确定,对于可能携带可燃性液体的高架火炬,还规定了最小防火间距。GB50183-2004规定了石油天然气站场与周围居住区、相邻工矿企业、交通线等的防火间距,火炬的防火间距应经辐射热计算确定。可能携带可燃液体的高架火炬与外部设施的防火间距:距人口密度大于100人的居民区、村镇、公共福利设施、相邻厂矿企业、100人以下散居房屋、35kV及以上独立变电所120m;距铁路、高速公路、架空电力线路、国家Ⅰ级和Ⅱ级架空通信线80m;距一般公路、一般架空通信线60m,距爆破作业场地(如采石场)300m。石油天然气站场的放空管,按可能携带可燃液体的火炬间距减少50%设计,火炬和放空管宜位于站场生产区最小频率风向的上风侧,且宜布置在站外地势较高处。火炬和放空管与石油天然气站场的防火间距:火炬依据GB50183-2004规范第5.2.1条确定;当放空量不大于1.2×102.3火炬放空ISO13623-2009明确规定选择放空或火炬系统时宜考虑到的危险及约束条件有:放空气体的窒息效应;放空气体被杂散电流、静电或其他潜在点火源点燃着火的危险;噪声水平极限(范围);对飞行器运动的危害,特别是在近海装置及终端附近飞行的直升机;水合物的形成;阀门冻结;钢管的脆性断裂效应壳牌公司在工程设计文件shellDEP80.45.10.10-Gen《压力泄放,紧急泄压,火炬和放空系统》也提出了选取放空系统或火炬需要考虑的因素:对环境的影响;处理系统的安全性和完整性,考虑介质是否包含不可燃成分;当地法律法规;经济评价GB50183-2004未明确管道放空是否采用火炬或点火放空,但在实际设计时,输气站场均设放空管,点火放空;所有阀室均设放空立管,防火间距按小时放空量确定。据分析,国内输气管道事故放空的频率非常低,管道线路通常因改扩建、改线等放空,为可控的计划放空,故输气管道阀室可以只设放空管,不点火。管道站场放空系统执行站内检修和紧急放空功能,属于小概率事件,放空量小,放空立管可不设点火设施。2.4量总中的较大值SH3009-2001明确了火炬总管设计排放量的求取方法:选取系统内最大排放装置的一次最大排放量和同一事故中几个装置同时泄放的排放量总和中的较大值。排放气体的质量流量应选取最大排放量,但也应该考虑到现场在事故状态下或计划内检修时可采用多地点排放,避免火炬尺寸过大API521提出:防止超压的设计首先需要考虑可能引起超压的各种事故,然后根据产生压力的大小分析此时必须的泄放流量。不同原因引起超压的设备及大小都是不同的,设计时,应将每一泄放装置对应每种事故,以列表的形式罗列最大泄放量,并将可能同时发生事故的泄放量叠加,找出极端值2.5增设油气排放的限制GB50251-2003规定输气站场的放空竖管应设在围墙外,其与站外及其他建(构)筑物的距离应符合GB50183-2004的规定。其高度应比附近建(构)筑物高出2m以上,且总高度不应小于10m。向大气排放的可燃气体排气筒、放空管的高度,GB50160-2008API521-2007认为:若将可燃气体直接排入大气,当排放口速度大于150m/s时,可燃气体与空气迅速混合并稀释至可燃气体爆炸下限以下是安全的。当将完全由蒸气组成的烃类气流泄放到大气中时,因蒸气与空气混合形成的可燃混合物将不可避免地出现在出口下游;多数情况下,单个安全泄放阀通过自身放空管垂直向上排出时,可燃区域将被限制在泄放高度以上相当有限的可确定范围以内。因此规定在向大气放空可燃蒸气的场合,放空出口应该比邻近设备、楼房、烟囱或其他结构物高出约3m。综上可见,国内标准关于放空管高度设置的规定更加详细具体,基本可以满足生产需求。2.6放空火炬的设计国内外火炬的设计计算均参考API521的做法,包括确定火炬筒直径、高度,根据辐射热计算,确定火炬筒中心至必须限制辐射热强度(或热流密度)的受热点之间的安全距离。API521规定:确定放空管系尺寸时,应该使可能同时泄放的各安全阀后的累积回压限制在该安全阀定压的10%左右。API521附录C给出了完整的根据辐射效应确定火炬筒尺寸的设计示例:第1种方法是简单逼近方法;第2种是Brzus-Towski和Sommer方法。两种方法的差别在于选择的火焰中心位置不同,而火炬中心位置的选择将影响到火焰高度的计算结果。ОНТП51-1-85规定:当放气管阀门工作截面面积与放气管截面面积的比值m=1时,输气管段的排空时间t可由诺模图确定。当上述比值等于其它值时,排空时间t′按下式计算:火炬系统中容许的压力损失应取0.1MPa,火炬直径应按气体排入大气的最大允许流速(80m/s,但不能大于0.3马赫数)确定,火炬高度应根据50m距离以上(火炬围栏线以上)允许的热流表面密度(不应超过7000W/m壳牌公司根据API521计算放空火炬的设计参数,计算结果很大程度上取决于热辐射系数F。F取决于烧嘴的形状,制造商有自己的计算方法。热辐射强度的可接受性取决于对人体和设备的影响,火炬筒的高度设计,除了需要考虑地形和气象条件,还应符合下列要求:无障碍区半径60m;在不考虑太阳热辐射影响的情况下,无障碍区边界的最大热辐射强度不得超过6.3kW/mHG/T20570-95关于放空火炬的设计计算参照API521提出方法的方法进行,而SH3009-2001则使用简单逼近法计算。国内由于针对放空系统的设计理念、放空量计算方法、参数取值不统一,导致同样工况下,计算结果差异较大。国外基于尽量减少放空的理念,开发了移动式压气站,可将管道内的天然气抽取后增压输往截断阀下游管道。近年来,国内也开展了天然气放空回收项目研究3放空火炬的设计、放空(1)GB50183-2004和GB50251-2003有关火炬放空条款主要参考API521和ASMEB31.8制定,国内外在放空管、火炬与站场和阀室的安全间距上均参考API521根据辐射热计算确定。但国内针对可能携带可燃性液体的火炬,还规定了最小防火间距。(2)站场放空火炬的设计计算,国内外均参考使用API521提供的两种方法进行。关于放空量的计算,建议修订国