杭州市城乡建设设计院股份有限公司 浙江杭州 310000
摘要：论述了天然气站场、阀室的放空系统工作原理，研究了一般站场、阀室采用的放空点火系统特点，简单讨论了放空立管、放空火炬、安全阀等的计算，提出了比较符合实际情况的计算方法。
关键词：天然气站场；放空；点火；安全阀
放空系统由放空立管和放空点火部分组成，它广泛应用于输气管道上的站场及阀室。天然气放空直接排入大气会对大气环境产生较大危害，不点火燃烧会对周围的农作物、民宅产生不良影响；由于输气站场、阀室排放量较大，目前环保部门一般都要求对线路站场、阀室的放空天然气进行点火排放。在天然气管道输送工程中，放空管主要用于线路阀室和站场的检修及事故放空，是间断性工作。本文主要介绍在天然气储运工程中，采用的放空系统及主要部分的计算思路。
1 放空系统的组成及点火系统工作原理
1、放空系统的组成及作用
站场放空系统由管道与设备放空管、放空立管和放空点火部分组成，是天然气站场的重要系统之一。放空系统主要作用是在检修、发生意外、进出站的压力超压时进行放空，为减少对环境的危害需点火燃烧后排放。准确计算放空系统不仅可以实现对站场内设备、管线的泄压保护，还可以节省工程建设费用，方便日后运营管理。
2、点火系统工作原理
由于天然气输送工程中，放空系统的主要作用是检修和以备意外事故，因此点火系统主要负责引燃放空管内的放空天然气。点火系统根据各工程现场情况的不同，主要有以下几种工作方式：
1）手动点火它是一种简易的火炬点火方式。主要原理是在地面点燃带有压力的点火天然气，然后火焰沿传火管壁向上传燃。这种点火装置采用便携式直流点火器进行点火，适用于现场没有电源的场合。它的点火电源采用12V可充电式镉镍圆柱密封碱性电源，具有寿命长、放电电流大等特点，充放电次数达10000次以上，每充一次电可累计点火时间大约60min。
2）高空或地面电点火它主要由长明灯、引火筒、高能（压）电点火、电嘴、导电杆及专用电缆组成。根据点火位置不同，一种是在高空点火成功引燃长明灯从而引燃放空气体；另一种是点火系统在地面点火成功后通过外传火管传到放空管的顶部，点燃放空气体。目前随着放空点火技术的不断发展，高空电点火又慢慢演变出一种节能长明灯点火系统，它是将火炬点火与长明灯合二为一，替代掉专用长明灯，既节省部分设备又节省能源。根据多年的实践和开发，目前电点火部分已经由高压电点火发展到高能电点火，其特点是点火部分采用半导体材料表面放电形式，火花能量大，抗污染不积碳，耐高温，寿命长，又有自净能力，性能大大优越于高压间隙放电点火。
两种点火方式各有优缺点，各场站可根据设计规模、放空量等自身实际情况选择点火方式。
2 放空系统各主要部分的计算
1、放空立管
1） 管径计算。
放空立管管径主要取决于放空立管的放空量和出口处允许的马赫数，可通过提高出口处气体的马赫数来减小放空管径，但马赫数偏高会导致放空噪声过大。根据规范GB 50183-2004规定，事故状态下，出口处马赫数不高于0.5马赫在计算时，可以根据出口处马赫数为0.5马赫来反算放空立管的管径。
2） 高度计算。非点火放空立管高度可根据规范GB 50183-2004规定确定。当放空量不大于1.2×104m3/h时，放空立管与阀室或站场距离不小于10m；当放空量大于1.2×104m3/h且小于4.0×104m3/h时，间距不得小于40m。可使用DNVPhast软件模拟放空立管放空时出口周围及下风向的扩散范围，根据模拟结果选取合理的高度，以保证在规范要求的最小间距范围内天然气浓度落于爆炸极限之外。
2、放空火炬
1）火炬头计算。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆计算思路为：放空系统最大泄放量的确定；按火炬头出口处马赫数为0.5马赫反算所需筒径；向上圆整筒径尺寸。校核时若只满足放空系统最大泄放量不高于0.5马赫，而不满足单个装置不高于0.2马赫，需调整圆整后尺寸，直至满足要求。
2） 高度计算。放空火炬高度要依据顶端火焰辐射热对地面人员的热影响，或大风时火焰长度及倾斜度对附近构筑物及生产装置的热影响来确定，应使火焰的辐射热不影响人身及设备的安全。其计算主要考虑火炬安放位置及附近地面附属物的可承受辐射强度、火炬所处环境的气象情况，包括风速、风向、大气温度、相对湿度等因素。计算可参照GB 50183-2004中的公式。计算思路为：分析火炬周围的设施及环境状况，确定敏感点（考虑辐射影响的设施）；火焰最大长度的计算（火焰长度可从GB 50183-2004中火焰长度和释放热量Q - L关系曲线图查得，也可按照《石油化工设计手册》中有关规定确定）；按规范中火炬高度的计算公式进行计算，并予以圆整；以圆整后的高度计算火炬的地面辐射范围，进而确定火炬放空区需要的征地面积。
3、站场事故放空
1） BDV阀选型计算。BDV选型计算的关键在于阀口径的计算，而厂家在确定口径时需要知道阀所具有的最大泄放量和以最大泄放量泄放时阀的流量系数（Cv 值）。最大泄放量和Cv 值均可使用HYSYS来计算。根据API RP 521中有关泄放的规定：在事故工况下要求15min 内，容器的压力将为原工况的50%。具体计算思路为：站场有效容积的估算；利用HYSYS建立Depressing动态泄放模型；计算得出满足规范要求的最大泄放量和Cv值；选取满足要求的BDV阀；根据所选阀门的Cv值校核阀的最大流通量。
2）阀后管径计算
影响阀后管径尺寸主要因素是阀后的压力、最大泄放量和管内允许最大流速。已知泄放量和管内允许流速后反算阀后压力，只要压力不高于气体的临界流动压力即可。
4、进出站管线放空
进出站管线上BDV阀的选型同站场事故放空管线上BDV阀的计算，区别在于最大泄放量的确定。计算思路为：确定事故时所需BDV 阀的最大泄放量；按最大泄放量和调节阀Cv 值的计算公式计算所需Cv 值；依据Cv 值和最大泄放量选择合适尺寸的BDV阀；校核选用该尺寸BDV阀时阀的最大泄放量、出口处流速和管线泄放所需时间。
5、安全阀放空
1） 选型计算。安全阀的选型计算可按照以下思路进行：估算被保护设备、容器或管线的有效容积；依照API RP 521规定求解事故工况时允许的最小、最大泄放量；安全阀喉管面积计算；安全阀选型；校核采用所选安全阀时的最大泄放量和出口马赫数是否满足要求。
2） 阀前管径计算。配管安装时通常在被保护设备、容器或管线与安全阀之间加一直管段，但在安全阀泄放时，由于气体速率极高，该管段会产生部分压损。为了防止过大的压损产生震动，造成对泄放装置的危害，需要限制该压损的大小。按照API RP 520规定，该段压损不得高于安全阀设定压力的3%，以此为边界条件反算最大泄放量时可允许的最小阀前管径，但最终选取管径不得小于安全阀入口口径。
3） 阀后管径的计算。安全阀阀后管径的计算主要受安全阀可允许背压大小的限制。计算思路为：阀后允许背压大小的确定；阀至放空终端间管线的允许压降；求得阀后管线允许最小管径；圆整计算管径并校核选用管径在管线放空时阀后背压的实际值。工程实际中往往采用总放空汇管，各放空支线在接入放空终端前就已汇入总管，此时可将支管线与总放空汇管的连接点作为新的放空终端，允许压降为安全阀背压减去连接点处压力，连接点处的压力需根据最不利工况来计算。
结语
1）放空管与放空立管或火炬的连接采用挠性连接，对泄放装置及其出口管线进行固定。这样可以有效地减小管线的震动，降低噪音，防止放空时发生事故。
2）尽量缩短安全阀前管线的长度以及安全阀至放空立管或火炬间的管线长度。缩短安全阀前管线长度可以降低该段管线的压力损失，从而减小震动；缩短安全阀至放空立管或火炬间的管线长度可以降低安全阀的背压，使被保护设备、容器或管线在超压时，安全阀可以及时迅速起跳，并以设计量进行泄放。
3）计算时将放空汇管尺寸计算步骤提前，预先求得站场系统最大放空量。需对不同的可能同时放空的工况进行匹配，寻找最大泄放量发生工况并以此最终校验整个放空系统。
参考文献
[1] 赵淑珍．西气东输放空系统的设计与研究．天然气与石油，2006，24 (5)：41－43.
[2] 徐勇．油井数字化监控在计量及节能中的应用．油气田地面工程，2010，29 (4)：66－67.
[3] 齐建波．西气东输二线阀室放空系统的设置．油气储运，2009，28 （9）：63－65.
[4] 黄汉京．石油化工可燃气体或蒸气排放系统的消防安全设计．石油工程建设，2006，32 (6)：16－19.
论文作者:黄魁清
论文发表刊物:《基层建设》2016年7期
论文发表时间:2016/7/5
标签：安全阀论文; 管线论文; 系统论文; 马赫论文; 管径论文; 天然气论文; 马赫数论文; 《基层建设》2016年7期论文;