对输气站放空管设置的几点看法

张章

摘 要：针对输气管道工程的站场放空系统，本文采用SAFER TRACETM化学事件分析系统，对放空管和放空火炬进行泄放扩散模拟，得出一定工况下对周边的影响范围；通过对相关国内外标准规范规定要求的比较，分析放空管设置的合规性；从安全、经济、占地、事故概率以及标准执行等方面论证了放空管设置的可行性。

关键词：输气管道；输气站；放空管；放空火炬；放空量

目前中国已成为继美国和俄罗斯之后全球第三大天然气消费国，2014年我国天然气消费量1800×108m3/a，《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》提出2020年我国天然气供应能力将达3760×108m3/a，从一定意义来说，2005年以来我国输气管道工程建设的高峰期仍将持续，可是由于对放空管设置的认识问题，致使人们片面认为放空管不安全，必须采用放空火炬，受限地区甚至被迫采用了地面火炬，由此带来了用地扩大、投资增加等一系列的问题。就此笔者提出几点看法。

1 放空管的作用

输气站是输气管道工程的主要构成之一，而放空系统又是输气站不可缺少的内容。由于处理工艺及介质的差异较大，输气站的放空系统与油气田站场、石油化工厂相比，无论是在放空介质，还是在工艺流程环节都要简单的多。图1为输气管道工程典型分输站工艺流程图。

为使放空系统表达的更清楚，图1对除放空系统以外的内容进行了简化处理。从图1所示看出，输气站的放空系统一般由泄压设备（阀）、管线、放空管（或放空火炬）组成，其主要功能包括设备放空、站场放空、站外管线放空。

设备放空：压缩机组、仪表风储罐、排污罐等设备上设有安全阀，当设备压力达到设定压力时安全阀起跳，实现紧急放散；同时设备还有手动放空，能够在检修时实现放空；站场放空：工艺装置区各管段都设有手动放空，在设备进行维护和检修时可将管段内天然气放空。站内进、出口处安装了紧急放空阀BDV和限流孔板，BDV与ESD系统联动，根据具体情况可实现保压关断或泄压关断。当站内出现紧急事故，全站一级关断时，BDV阀门迅速自动开启，将天然气通过放空管放空；站外管线放空：通过进、出站紧急关断阀前后的放空阀能够将站场与上、下游截断阀室间的天然气，实施检维修。

简单来说，输气站的放空系统就是为完成超压泄放、紧急放空及开、停工或检修时排放出的天然气进行收集和处理而设置的。

在放空系统中，放空管或放空火炬是天然气排至大气的最后一道工序，区别在于前者是将天然气（甲烷）直接排入大气，后者

是将甲烷燃烧转化为二氧化碳（与水蒸气）后排入大气，两者对周边安全、环境影响各有不同，本文仅对其周边安全的影响进行分析。

2 放空管与放空火炬对周边的影响

为从安全角度更好地对放空管与放空火炬进行比较，本文对放空管扩散范围和放空火炬热辐射范围进行模拟计算。

计算采用的软件为SAFER TRACETM化学事件分析系统，TRACE软件可用于泄漏到大气中的有毒、易燃、易爆等化工产品的危险评估，可通过一整套复杂的计算方法来模拟储罐故障、管线泄漏、泄漏源的物理现象、重质气体模拟、高斯扩散等有毒、易燃气体的泄漏，还可模拟热辐射半径和爆炸超压冲击区域，帮助我们建立一整套用于处理紧急事件的行动方案，由于TRACE软件的强大功能和灵活性，TRACE软件已广泛地用于意外泄漏模拟、潜在危险评估、风险管理方案、量化风险评估、人员伤害评估等领域。

通过该软件建立的“天然气扩散影响”的相关模型，均基于高斯模型。该模型为稳态泄放扩散模拟，天然气扩散范围分为两个区域。在第一区域中，初始释放浓度和速度（被假定为均匀分布在整个出口平面）逐渐转变为高斯分布。在第二区即的流动区域中，速度和浓度分布具有一定的高斯形状。模型中，假定喷射流建立的柱的横截面是圆形羽状区域内的。在喷射流建立区域由于大气湍流的各向异性，横截面为椭圆状，主要的轴的DZY和DSZ为常数。见图2。

为便于放空管与放空火炬对周边的影响分析比较，根据目前国内输气管道工程的输气站放空系统设置情况，选择三种工况条件进行模拟：

工况一：泄放量1.2×104m3/h，泄放口径DN100，泄放口高度：放空管、放空火炬均为15m；

工况二：泄放量4.0×104m3/h，泄放口径DN150，泄放口高度：放空管15m，放空火炬25m；

工况三：泄放量10.0×104m3/h，泄放口径DN300，泄放口高度：放空管15m，放空火炬40m。

模拟条件为：

①放空管影响范围为天然气爆炸下限，即在空气中5%浓度时，距离管中心位置的最大扩散距离；

②放空火炬影响范围为距地面一定高度时，水平面所受的热辐射强度为1.58kW/m2时，距离火炬中心位置的最大热辐射范围；

③风速分别按2m/s、5m/s、8m/s取值；

④泄放时间为30min。

各工况下放空管与放空火炬对周边的影响范围模拟情况见图3～图20，具体数值汇总见表1。

通过SAFER TRACETM建立的“天然气扩散影响”模型对各工况下放空管与放空火炬对周边的影响范围进行模拟的结果表明：

①虽然两者影响因素不同，前者控制的是安全距离，后者控制的是热辐射，但综合比较，在泄放量相同的情况下，放空管较放空火炬的影响范围小的多；

②在一定的范围内，放空量对放空管的影响不大，但对放空火炬的影响很大；

③在一定的范围内，风速对放空管的影响不大，但对放空火炬的影响很大。

3 放空管设置的相关标准

美国国家标准《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》ASME B31.8-2012第843.3.3“安全装置”、第843.3.4“压缩机站限压要求”、第845.3“对于泄压设计和限压装置要求”以及第846“阀门”等条款均对放空作了规定，“紧急停车系统应在站内气体区域以外至少设两个能单独使用的操作点，最好设在压缩机站围墙出口附近，但距站界不要超过150m。放空管应延伸到在放空气体时不会危及压缩机站及附近区域的位置”、“泄压阀的放空管线应延伸到放气时不会发生危险之处。放空管线应有足够的流通能力，使其不阻碍泄压阀的动作”、“泄压设备的排气孔、放空管或出口应安装在易于排放到大气而不会对环境产生危害的地方。应该考虑暴露在附近的情况，包括天然气管道与电力线并行时应考虑排污管线排出的气体远离电导体。需要保护的设备，排气孔或放空管应加雨罩防止进入水”、“陆上新的输气干线在实施时应安装截断阀，当管道维修或出现紧急事故时用来隔离。当确定截断阀间距时，首先考虑截断阀易于操作的安装的位置”、“分段截断阀应安装在易于接近操作的地方，并且保护不受到损坏或随意操作。若装有放空阀，选择时安装位置应保证在放空过程不会截断阀产生危害”“安装放空阀，便于主阀门之间的管线均能放空。放空管线规格和能力，应满足在紧急情况的快速放空”。俄罗斯СНиП 2.05.06-85《干线管道设计规范》也规定了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。

《输气管道工程设计规范》GB50251-2003在编制过程参考了ASME B31.8的作法，其第3.4条“输气管道的安全泄放”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”、“输气站存在超压可能的受压设备和容器，应设置安全阀。安全阀泄放的气体可引入同级压力的放空管线”、“放空气体应经放空竖管排入大气，并应符合环境保护和安全防火要求”、“输气干线放空竖管应设在围墙外，与站场及其他建（构）筑物的距离应符合现行国家标准《石油天然气工程设计防火规范》GB50183的规定”。《石油天然气工程设计防火规范》GB50183-2004第4.0.8条规定，“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：火炬由本规范第5.2.1条确定；放空管放空量等于或小于1.2×104m3/h时，不应小于10 m；放空量大于1.2×104且等于或小于4×104m3/h时，不应小于40m”。

从中看出，ASME B31.8强调的是输气干线及压缩机站应设置放空系统，型式为放空阀或放空管，而《输气管道工程设计规范》GB50251对放空管的设置规定参照了ASME B31.8的相关条款内容，是一致的，主要是放空量、安全距离等涉及到《石油天然气工程设计防火规范》GB50183的规定中存在含糊的问题，如放空管的防火间距是否合理，超过4×104m3/h是否就要设置成火炬等，这些给实际工程设计和建设带来了很大的不便。

4 几点看法

①放空管控制的是天然气爆炸下限，即在空气中5%浓度时，距管中心位置的最大扩散距离，放空火炬控制的是距地面一定高度时，水平面所受的热辐射强度为1.58kW/m2（本文采用值）时，距火炬中心位置的最大热辐射距离。通过SAFER TRACETM建立的“天然气扩散影响”模型对各工况下放空管与放空火炬对周边的影响范围进行模拟的结果表明，放空管受放空量或风速的大小影响不大，而放空火炬受之影响很大，相对来说，设置放空管更易受控，也是安全的。

②工程建设必须执行相关标准规定，且首先应满足国家标准要求，而国外标准仅为参考。对输气管道工程项目来说，《输气管道工程设计规范》GB50251-2003对放空管的要求已经十分明确，关键在《石油天然气工程设计防火规范》GB50183-2004对放空量的规定较为模糊，目前《输气管道工程设计规范》GB50251-2015已经建设部颁布，将于2015年10月1日起实施，其在放空管的规定要求上更进一步作了明确要求，而《石油天然气工程设计防火规范》GB50183正在报批中。因此放空管的采用，在国家标准的执行方面是不存在问题的。

③从事故概率角度，人们的目标是“零容忍”，即追求事故概率为零。按照事故概率理论，全过程的事故概率为过程事故概率的乘积，其应为内部条件和外部条件的组合，对于输气管道工程的放空管来说，事故概率需考虑到结构本体、操作规范、周边环境、自然条件以及人的活动等，其事故概率是很小的，从国内外输气管道工程事故统计来看，尚未出现因设置放空管发生安全事故的案例。

④设置放空管较放空火炬也是最为经济的做法。输气管道事故放空的频率非常低，一般多出现在管道工程改扩建以及系统检维修时的放空，量小且时间短，完全可以采用放空管，目前线路截断阀室就是这种作法。放空火炬的投资较放空管大的多，且设置复杂，电气元件多，反而对设备系统的安全性要求高。

⑤在充分考虑风向对相关设施的影响的前提下，放空管完全可以设置在站内。我国人均土地面积在世界排110位以后，耕地面积排在126位以后，有664个市县的人均耕地在联合国确定的人均耕地0.8亩的警戒线以下。放空管的设置在一定意义上可以有效减少占地，这也是我们每一个工程建设者应考虑的问题。