输气站场放空系统设计思路_晏伟

1.3 1.3.1
站 外 管 道 事 故 放 空 量 确定 考虑 事 故 抢 修 时间
通常 ， 输气站场还兼具线路截断阀室的功能 ，
1.2
站 内 管 道 紧急 放 空 量 计 算
在川气东送管道站场等安全等级较高的站场设
在站外管道故障停输需要卸压检修时 ， 站场要具有 对站外管道进行卸压的功能 。 因为该放空流量与放空时间紧密相关 ， 而放空 时间又与管道的抢修时间紧密相关， 因此严格来 说 ， 站外管道的放空流量宜与业主协商确定 。 举例 来说， 川气东送管道是目前国内第三大能源大动 脉 ， 其停输将会给沿线用户带来重大损失 ， 从而造 成较为严重的社会影响 ， 因此其停输抢修时间应该 严格控制 。 通常 ， 根据工程经验 ， 为了尽可能减少 抢修时间 ， 建议抢修时间控制在 72 h 之内 ， 而 抢 修时间包含放空时间 ， 因此设计中可以根据工程允 许的放空时间及管道内的存气量来确定所需的放空 能力 ， 从而设计合理的放空系统 。
1.1.2
火灾工况
对于天然气长输管道， 因为输送的介质为干
气， 正常运行过程中管道和设备内不会有液相产 生 ， 因此在火灾工况下均可按未湿润表面考虑 。 在上述分析的前提下 ， 根据 SY/T 10043-2002 《 泄压和减压系统指南 》 对于暴露于明火中的含有 超临界流体 、 气体或蒸汽的容器的压力泄放阀的相 关计算公式 ， 可以计算出泄放量和泄放面积 。 其相 关公式如下 ：
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输气站场放空系统设计思路
晏 伟 １， ２
（1.胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营 257026 ；2.中国石油大学 （ 华东 ），山东青岛 266580）
摘
要 ： 输气站场最重要的两个安全措施是紧急关断和紧急放空。 文章结合川气东送管道输气站场放
空系统的设计实践， 从输 气 站 场 放 空 量 计 算 、 放 空 背 压 确定 、 放 空 管 径 计 算 、 放 空 火 炬 计 算 等 方 面 ， 论述了输气站场放空系统的设计思路、 优化原则、 设计取值以及需要进一步探讨的问题。 关键词 ： 输 气 站 场 ； 放 空 系 统 ； 设 计 ； 探 讨
此事实上无法实现 。
因此， 通常情况下业内都认为放空量大于
4 万 m3 /h 时 应 设 置 放 空 火 炬 点 火 排 放 而 不 是 直
接排放。 也就是说， 如果输气站场设置放空立 管 ， 则 放 空 量 最 大 不 宜 超 过 4 万 m /h ； 若 设 置
3
2
放空背压确定 背压即放空时放空阀出口的压力 ， 安全阀开启
1.2.2
Gas Conditioning and processing 推荐公 式
t= BV γ P ln 姨 姨 ZT 姨 姨 P 姨 C A 姨
1 2 d ν 0.5
—— 放空时间 /s ； t— —— 常数 ， 取 0.09； B— —— 系统容积 /m3； V— —— 阀门泄放系数 ， 取 0.85； Cd— —— 阀门泄放面积 /m2； Av— —— 气体密度 ； γ— —— 气体平均压缩因子 ； Z— —— 气体平均温度 /K ； T— —— 泄放初始压力 /kPa （ 绝 ）； P1— —— 泄放终了压力 /kPa （ 绝 ）。 P2—
GB 50183 -2006 第 4.0.8 条 对 放 空 竖 管 与 站
场的安全距离规定是：
3 3
“放空管放空量等于或
3
小 于 1.2 万 m /h 时 ， 不 应 小 于 10 m ； 放 空 量 大 于 1.2 万 m /h 且 等 于 或 小 于 4 万 m /h 时 ， 不 应 小 于 40 m 。” 该条款未对放空量超过 4 万 m3/h 的放空 管作出规定 ； 同时 《 天然气长输管道工程设计 》 一 书对放空竖管和放空火炬的设置原则要求如下： “放空气体应经放空竖管排入大气。 放空量小 于
和紧急放空。 放空系统的重要作用就是在需要放 空的时候， 使站场或长输管道压力尽快地泄放至 安全范围， 以防止事故的蔓延、 扩大， 并为抢修 赢得时间。 因此， 在输气站场设计中， 放空系统 的设计尤为重要， 在考虑经济性的同时， 更重要 的是系统的可靠性 。 笔者有 幸 参 加 了 国 家 “十 一 五 ” 重 点 建 设 工 程川气东送管道工程的设计工作， 并对该工程输 气站场的放空系统进行了较为细致的设计和分析 ， 本文结合该工程对输气站场放空系统的几大关键 参数的选取和计算进行了简要的分析 。 通常， 输气站场放空主要有以下几种情况： 安全阀放空、 站内管道紧急放空、 站外管道事故 放空 、 站内检修放空 。
式中
—— 放空时间 /min ； t— —— 选择系数 ： 理想孔 F = 1.0 ， 直 通 闸 阀 F— F = 1.6， 普 通 闸 阀 F = 1.8， 涂 润 滑 脂 旋塞阀 F = 2.0。 —— 管道பைடு நூலகம்空初始压力 /MPa ； P— —— 管道内径 /mm ； D— —— 天然气相对密度 ； G— —— 截断阀的间距 /km ； L— —— 放空管内径 /mm 。 d— 仍然设某管道平均压力为 10 MPa ， 管径为 DN
1.3.2
不 考虑 事 故 抢 修 时间
在一般工程设计中 ， 因各业主实际维抢修能力
processing ” 一书中推荐的公式来计算 。
不同以及长输管道用户重要性的不同 ， 业主往往不
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晏
伟 ： 输气站场放空系统设计思路
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能明确给出具体的抢修和放空的允许时间 。 因此设 计时可以依据 GB 50183-2006 《 石油天然气工程设 计防火规范 》 确定站外管道的放空量 。
式中 W— —— 泄放量 /× 0.454 kg/h ； —— 气体分子质量 ； M— —— 阀前泄放压力 /× 6.896 kPa ， 为阀门的 P1— 设定压力加上允许超压再加上大气 压； —— 容器暴露于火中的面积 /× 0.092 9 m2； A ′— —— 容 器 壁 的 温 度 /oR （ 兰 氏 温 度 ， 1oR= Tw— 式中
1.2 万 m /h 的 放 空 管 可 不 点 火 排 放 ， 放 空 量 为 1.2 万~ 4 万 m3/h 时 ， 对放空的天然气宜点火燃烧 。”
3
1 000 mm ， 截 断 阀 间 距 32 km ， 放 空 管 径 为 300 mm ， 可算得放空时间为 150 min （即 2.5 h）。 此 时 平 均 放 空 速 度 Q = 251 × 104 ÷ 2 ÷ 2.5 = 50.2 万 （ m3/h）， 此放空量 若 不 点 火 放 空 将 会 有 很 大的安全隐患 ， 且放空管流速远不止 0.5 马赫 ， 因
1 放空量计算 1.1 安 全 阀 放 空 量 计 算
计算安全阀时 ， 应首先确定安全阀的泄放量 。 造成设备超压的原因主要有火灾 、 操作失误 、 动力故障三种， 确定安全阀的泄放量时， 应视工 艺过程的具体情况确定， 并按可能发生的危险情 况中最大的一种来考虑， 但不应机械地将各种不 利情况叠加考虑 。
放空火炬， 则可以以火炬的最大放空能力作为 站外管道的设计放空流量。
前泄压总管的压力与安全阀开启后介质流动所产生 的流动阻力之和 。 根据 GB 50251-2003 《 输气管道 工 程 设 计 规 范 》 第 3.4.5 条 第 1、 2 款 规 定 ： 放 空 时 ， 必须确保任一安全阀的背压不大于该安全阀定 压的 10%。 值得注意的是 ， 此条规范并未指明安全阀是普 通弹簧安全阀还是先导式安全阀。 实际上， 根据 《工艺管道安装设计手册》 及美国石油学会 标 准
1.1.1
南》
容器 出 口 关 闭
根 据 SY/T 10043 -2002 《 卸 压 和 减 压 系 统 指 （ API 521 ） 、 GB 150-1998 《 钢 制 压 力 容 器 》
W = 0.140 6 姨MP1
姨A′ TT -T 姨
（
W 1 1.150 6 1
）1.25
40 A = F′A ′ 姨P1 C = 520 × T1 =
DN 1 000 mm ， 截断阀间距 32 km：
则管内天然气在标准状况下的体积 V 为
1.3.3 1.3.3.1
放 空 时间 估 算 笔 者 建 议 的 计 算 方式
3
站外管道放空一般通过放空阀来控制放空量 ， 尽可能使其不超过 4 万 m /h 左右 。 因 此 ， 可 假 设 放空速度保持恒定 ， 通过计算被放空管道内的天然 气容积 ， 再除以放空速度即可得到放空时间 。 例如 ： 设 某 管 道 平 均 压 力 为 10 MPa ， 管 径 为
1.8 × 摄 氏 度 + 491.67） ； 对 于 普 通 碳
钢 ， 推 荐 为 593℃ （ 1 100 ℉ ）， 对 于 合金材料 ， 应选用更合适的推荐的最 大值 ； —— 在 进 口 泄 放 压 力 下 ， 气 体 的 绝 对 温 T1— 度/ °R （ 兰氏温度 ）； —— 阀门的有效排放面积 /× 645.16 mm2； A— —— Cp/Cv， 气体或蒸气的比热容 ； k— —— 气体的正常操作压力 /× 6.896 kPa ； Pn— —— 气体的正常操作温度 / oR ； Tn— —— 泄放系数， 在计算泄放尺寸时取 0.975。 Kd—
doi:10.3969/j.issn.1001-2206.2012.06.010
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引言 输气站场最重要的两个安全措施是紧急关断
及 《 石油化工装置工艺管道安装设计手册 》 等有关 容器超压放空的规范及手册的要求 ， 当设备出口阀 因误操作关闭 ， 物料在设备内聚集有可能使设备超 压时 ， 安全阀的泄放量应为进入设备的物料总量 。 但对于输气管道来说 ， 通常整个管路系统 、 站 场均为同一个设计压力 ， 提供压力源的压缩机出口 设置了超压泄放阀 ， 压缩机控制系统本身也严格对 出口压力进行了控制和调节 ， 即使输气站场容器出 口关闭 ， 也不会造成设备超压 。 因此在输气站场放 空量确定过程中可视具体设计压力情况决定是否采 用进入设备的物料总量 。 在川气东送管道输气站场 设计中 ， 因系统设计压力 为 10 MPa ， 压 力 容 器 设 计压力为 10.5 MPa ， 压缩机出口压力为 9.85 MPa ， 且具有出口超压关断和卸压的措施 ， 因此压力容器 出口关闭不会造成设备超压 ， 故设计中不采用此值 作为站场放空量和安全阀选型的依据 。