天然气长输管道火炬放空扩散规律研究

梁俊奕

摘 要：天然气的放空扩散非常危险，研究天然气长输管道火炬放空扩散的规律，可以为其安全放空提供指导依据。PHAST软件是公认的最权威最准确的后果分析软件，可以用于长输管道的天然气放空扩散计算。采用该软件建立天然气长输管道系统的亚临界流不点火放空的扩散模型，确定天然气在不点火放空过程中可能燃烧的危险区域。以某实际长输管道为例，计算两种工况下天然气扩散规律。结果显示，在放空过程中风速影响天然气的扩散。低风速时，天然气会向上扩散，在高风速时，天然气向水平方向扩散。天然气50%LFL云团水平距离随风速的增大而增加，云团高度随风速的增加而减小。

关 键 词：天然气；管道；立管；火炬；扩散

中图分类号：TE 88 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）03-0559-02

Abstract： Diffusion of gas is very dangerous during flare venting. The research on the diffusion law of gas during long distance gas pipeline flare venting can provide guidance for gas blowdown.PHAST is recognized as the most authoritative and accurate consequence analysis software and can be used to calculate the flare venting. The software is adopted to establish subcritical flow diffusion model of gas during long distance gas pipeline venting. Danger zone of gas ignition can be determined. In this paper， taking a practical long-distance pipeline as an example， diffusion law of natural gas was calculated under the two conditions. The results show that wind speed can affect the gas diffusion.The gas upward diffuses when wind speed is low； the gas horizontally diffuses when wind speed is high.Natural gas 50% LFL cloud horizontal distance increases with the increase of wind speed and cloud height decreases with the increase of wind speed.

Key words： Natural gas；Pipeline；Riser；Flare；Diffusion

天然气是多种烃的混合物，其中主要成分是CH4，天然气在大气中的爆炸极限为5%～15%，在爆炸极限内遇明火即爆炸，不仅会造成装置的损坏，同时也会对周围人员、环境等产生威胁，为了避免天然气放空过程中造成的巨大损失。本文研究了天然气长输管道放空的扩散规律，为长输管道天然气放空提供指导依据。

韦焕杰对长输管道天然气放空所需时间计算公式进行了推导，并将计算结果与其他计算方式进行了分析对比，为生产调度与事故抢修等工作提供了理论依据[1]。秦琴运用国标和API标准的计算方法和Brzustowski-Sommer计算方法研究了长输管道放空热辐射的距离，并与PHAST软件的计算结果进行了对比，发现两种计算方法结果较保守[2]。孔吉民根据天然气放空时间及放空量进行演算推理，得出了计算公式，并根据实际管道的参数计算了两个阀室之间管线的放空时间和放空量[3]。齐建波根据西气东输二线阀室放空立管的参数，采用PHAST软件对放空立管的出口天然气扩散过程进行了模拟，得出了天然气燃烧后的热影响强度和范围[4]。

1 放空建模

PHAST软件是定量的后果分析软件，由DNV公司开发，可以用于以下多个方面的后果分析：①气体、液体及气液两相在大气中的扩散；②火灾后果分析（包括：沸腾液体、池火、喷射火等）；③模拟爆炸后果（受限和不受限环境）；④物料泄漏速率计算。该软件可以采用图形来显示模拟结果，还可以以文字的方式对结果进行简单的分析，PHAST软件已被广泛用于石油、天然气和石油化工领域，至今已有20多年使用经验[5， 6]。PHAST是公认的计算后果最权威最准确的软件，对于扩散计算，其原理是通过导入放空口出口之后气体膨胀至压力为大气压时的温度、流量、速度的这一状态，模拟出一个稳定持续放空工况下的扩散范围。

通过PHAST软件来计算天然气长输管道系统的亚临界流不点火放空的扩散过程，确定天然气在不点火放空过程中可能燃烧的危险区域（危险区域边界浓度为0.5LFL值）。

PHAST建模为不可视建模，没有建模图形，所有的建模通过参数输入完成。现将模型简化为天然气在放空立管出口的持续排放。且排放出的天然气压力为大气压。对于扩散可燃性选择模块为user defined，选择泄放形式为leak。瞬间扩张采用standard method，喷射气体动量采用morton et.al 方程。扩散计算模型采用version 2。

建模过程中的关键参数的选取原则如下：

（1）放空质量流量：由站场或线路放空系统水力计算获得。对于线路有控制放空，可取规定放空时间内的平均流量。

（2）放空立管口径：由站场或线路放空系统水力计算获得；

（3）放空立管高度：可选取类似规模工程的设计参数作为试算值，一般为20，25和30 m；

（4）风速：根据当地气象参数选取；

（5）大气稳定度：帕斯奎尔稳定度，其取值与风速有关。简化选取方法为：风速1 ～2.9 m/s为F；3 ～4.9 m/s为E；5 m/s以上为D；

（6）放空立管排放口天然气温度：此参数对扩散计算的结果影响较小。一般计算中可取天然气由放空初始状态节流到大气压后的温度，精确计算时通过站场或线路放空系统水力计算确定排放温度。

2 长输管道放空扩散计算实例

以某长输管道为例，管道中气体组分见表1。

天然气可燃性表见表2。放空系统的放空立管排放天然气温度5 ℃，放空立管高20 m，立管直径DN400，排放角度为90°，环境温度20 ℃，大气相对湿度70%，一旦放空系统建设完后，扩散主要受风速和周围大气温度度影响，所以分别选取两种工况，工况一：周围大气稳定度为E，当地平均风速3 m/s；工况二：周围大气稳定度为D，当地平均风速10 m/s，计算两种工况下的扩散范围。

3 计算结果

放空口的位置坐标为（0，20），风向为从左至右，放空立管高度为20 m，经过计算后扩散计算结果分别如图1-2所示。

对比图1和图2可知，在放空过程中，在低风速时，天然气会向上扩散，在高风速时，天然气向水平方向扩散，形成一定的可燃气体云团。天然气50% LFL云团水平距离随风速的增大而增加，云团高度随风速的增加而减小。在放空立管规格为DN400，高度20 m，放空量为17.03 kg/s（8.9×104 m3/h）的条件下，天然气放空过程中浓度达到LFL的距离最远为6.6 m，高度范围为20～37.1 m；天然气浓度达到50% LFL的最远距离为16.8 m，高度范围为20～43.4 m（表3）。 因此，综合不同大气条件下的天然气扩散模拟结果，危险区域划定为半径16.8 m，高度范围为20～43.4 m的区域。

参考文献：

[1]韦焕杰. 天然气长输管道放空时间的探讨[J]. 化工管理， 2014（8）： 43-44.

[2]秦琴，王玮，张磊. 长输天然气管道放空火炬热辐射距离计算方法探讨[J]. 化工机械，2009， 36（6）： 566-569.

[3]孔吉民. 对管线内天然气放空时间及放空量的探讨[J]. 石油化工应用， 2005， 24（4）： 18-20.

[4]齐建波， 孙立刚， 张文伟， 等. 西气东输二线阀室放空系统设置[J].油气储运， 2009， 28（9）： 63-65.

[5]石天雄. PHAST软件预测火炬的气体扩散和热辐射[J]. 安全、健康和环境， 2010， 10（7）： 35-38.

[6]朱伯龄， 於孝春. PHAST软件对液化天然气泄漏扩散的研究[J]. 计算机与应用化学.2009，26（11）：1418-1422.