天然气设计论文：天然气系统标准策划研讨范文

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作者：赵晋云周兴涛刘冰郑娟马伟平单位：中国石油管道科技研究中心油气管道输送安全国家工程实验室中国石油管道公司大连输油气分公司

国外标准

国外放空系统和放空火炬的设计普遍采用APIRP521《泄压和降压系统导则》和API537《通用炼油及石油化工设施火炬细则》。API/ANSISTD521-2007（ISO23257:2008（IDT））《泄压和减压系统导则》为分析超压原因、确定单项释放量及选择、设计火炬和放空塔等处理系统提供指南。API/ANSISTD537-2008（ISO24257:2008（IDT））《通用炼油及石油化工设施火炬细则》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。其他国外相关标准有：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》。

国内外标准差异分析

1放空系统的设置

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。放空阀之间与放空管直径应相等。该规定参考自美国国家标准ASMEB31.8第864.21条（c）款。而ASMEB31.8对于该条款的规定为：输气干线应安装排放阀，以便位于主阀门之间的每段管道均能放空，为使管道放空而配置的连接管的尺寸和能力，应能在紧急情况下使管段尽快放空；在输气站内，基于保护环境和防火安全的考虑，对泄压放空气体一般不就地排放，均引入同等压力的放空管道并送至输气站以外的放空竖管放空。可见，美国ASMEB31.8对于站场和阀室放空系统的设置仅给出了原则性规定，并未规定在输气干线截断阀上下游均应设置放空管，因此美国管道站场和阀室放空基本采用在站内由放空立管直接放空。我国在参考其制定输气管道的安全泄放相关条款时，要求更严格，要求干线截断阀上下游均设置放空管，必然造成管道结构更复杂和投资成本更大。

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。截断阀和放空管至不属于输气管道的建筑物的距离不小于300m。该规范要求站场和阀室均应设置放空管，对放空立管的设置规定了明确的间距和高度要求，其放空时间较短，放空间距较大，但其关于放空系统设计的合理性有待深入研究。

2防火间距

国外放空系统和放空火炬的设计普遍采用APIRP521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APIRP521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石油天然气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：火炬依本规范第5.2.1条确定；当放空量不大于1.2×104m3/h时，不应小于10m；当放空量为1.2×104～4×104m3/h时，不应小于40m。一、二、三、四级石油天然气站场内总平面布置的防火间距除另有规定外，应不小于该规范中表5.2.1的规定。火炬的防火间距一般根据人或设备允许的最大辐射热强度计算确定，但火炬排放的可燃气体中如果携带可燃液体时，可能因不完全燃烧而产生火雨，其洒落范围为60～90m，而经辐射热计算确定的防火间距可能比此范围小。GB50183－2004明确规定了最小防火间距，未明确管道放空是否采用火炬或点火放空，也未明确放空量大于4×104m3/h的做法；但在实际操作中，当放空量大于4×104m3/h时，通常采取点火放空处理。点火放空时，放空管与站场和周围建筑物的间距、放空管直径，根据放空速率（以马赫数为基准）和放空量，采用辐射热计算确定。但现行标准规范未对放空时间、放空压力等做出相应规定，在放空系统设计过程中，即使管径不同、设计压力不同，仍将放空管与阀室的间距设计为40m，占地面积和投资较大。

3选择放空系统和火炬需要考虑的因素

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、静电或其它潜在点火源点燃着火的危险性；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，管道线路放空通常因改扩建、改线等，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。

4放空量的确定

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。APISTD521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。需要特别注意最大载荷不是最大流量的概念，它包括流量、温度、介质物理性质等，是最大流量压头损失的概念。国内标准相关规定均参考自国外相关标准，国内外关于超压放空量的确定原则大致相同。

5排气筒、放空管的高度设置

GB50251－2003规定输气站场的放空竖管应设在围墙以外，其高度及与站外及其它构筑物的距离应符合国标GB50183－2004的规定：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，GB50160－2008和GB50183－2004规定有所不同（表1），GB50160－2008规定其应高出20m/10m范围内的平台或建筑物顶3.5m以上，GB50183－2004规定其应高出20m/10m范围内的平台或建筑物顶2m以上。APISTD521-2007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。当将完全由蒸汽组成的烃类气流泄放到大气中时，因蒸汽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汽的场合，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，我国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。

放空系统的设计计算

国内外火炬的设计计算参考APIRP521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。APIRP521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。APISTD521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：第一种方法是简单逼近方法；第二种是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/m2）计算确定，火炬高度不应小于30m。

壳牌公司根据APIRP521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/m2；在不考虑太阳热辐射影响的情况下，在资产边界的最大热辐射强度不得超过3.15kW/m2。HG/T20570－95关于放空火炬的设计计算参照APIRP521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，而使用移动式压缩机对长输天然气管道天放空然气进行回收则需要开展相关调研和研究。

结论与建议

（1）GB50183－2004和GB50251－2003有关火炬放空条款主要参考APIRP521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APIRP521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，还规定了满足最小防火间距的要求。

（2）站场放空火炬的设计计算，国内外均参考使用APIRP521提供的两种方法进行。关于放空量的计算，建议修订国内现行规范，对放空时间、放空压力做出相应规定，统一放空系统设计理念，明确放空量的计算方法与控制措施。

（3）根据放空量和地区特点，因地制宜地选择放空方式，在满足国家和地方法律、法规的前提下，建议尽量采用放空立管，减少放空火炬。站场放空时的放空量远远小于阀室的放空量，按目前的设计习惯，阀室的放空气体可以直接排放，那么站场的放空气体直接排放应该是符合相关规范要求的。

（4）建议跟踪API/ANSISTD521-2007（ISO23257:2008（IDT））和API/ANSISTD537-2008（ISO24257:2008（IDT）），同步更新国内标准。