长输管道线路阀室放空系统热辐射影响范围研究*

罗智 杨春花 肖连 张文新

1中国石油天然气股份有限公司天然气销售湖南分公司

2中石油管道有限责任公司西部分公司

3中石油管道有限责任公司西气东输分公司

天然气放空系统是长输管道阀室的重要附属设施，通常由放空阀组、放空管道和放空立管组成。采取热放空方式的放空立管设置有电点火装置和火炬头，常用于压气站和有人值守站场；采取冷放空方式的放空立管一般不设置电点火装置和火炬头，常用于线路截断阀室和无人值守站场。随着国家环保政策的日趋严格，更多企业选择了非甲烷总烃排放浓度更低的热放空方式，放空立管改造后的热辐射影响范围随之成为新的风险关注点。本文以线路截断阀室放空系统结构参数为研究对象，分析气象参数和物料温度参数对热辐射强度的影响，以及典型气象参数条件下放空立管高度变化对热辐射范围的影响，以保障管道运营安全和人员健康。

1 建模关键参数选择

采用DNVPHAST 软件建立模型。气象参数根据西气东输二线西段阀室所在地的风速、温度和湿度综合确定，采用以下几种典型天气状况：①大气温度，-15 ℃、0 ℃、15 ℃、21 ℃；②相对湿度，10%、30%、50%、80%；③风速，1 m/s、10 m/s。低风速选取1 m/s 为研究对象，高风速选取10 m/s为研究对象；大气稳定度采取帕斯奎尔稳定度。

其他关键参数选择根据典型结构参数选择：

（1）放空立管高度。根据工程设计参数，放空立管高度为20 m。

（2）放空质量流量。选取规定放空时间内的平均流量，即体积流量100 000 m3/h（标况，下同），对应质量流量79 984.17 kg/h。

（3）物料温度。天然气放空初始状态节流到大气压后的温度[1]，简化为放空系统前温度表或温度变送器读数。

2 热辐射强度计算及影响因素分析

2.1 典型场景热辐射计算

根据SY/T 10043—2002《泄压和减压系统指南》和美国石油学会标准API RP 521《泄压和减压系统导则》关于暴露人员推荐的总辐射热设计强度，确定放空立管点火后热辐射强度影响的评价标准（表1），划定热辐射等值线。

选取大气温度-15 ℃、相对湿度10%，风速1 m/s 和10 m/s，以风向为横坐标，放空立管中心线为纵坐标，模拟计算得到放空立管热辐射强度影响范围如图1、图2 所示。其中，放空立管中心线与底部交点的坐标为（300，0），环形曲线为热辐射等值线。

图1 中1.58 kW/m2、4.73 kW/m2、6.31 kW/m2热辐射等值线的横坐标最大值分别为116 m、69 m、61 m，图2 中对应的横坐标最大值为123 m、78 m、71 m，且均位于下风向。对比图1、图2 可发现，下风向比上风向热辐射影响距离更远；风速直接影响热辐射等值线倾角，风速增大时火焰向地面倾斜，热辐射影响距离增大。该发现与石天雄[2]、张杰东[3]关于风速对火炬热辐射影响的研究结果一致。根据上述结果，选取下风向热辐射距离作为放空系统热辐射影响范围的研究对象。

图1 风速1 m/s 时热辐射强度Fig.1 Heat radiation intensity at wind speed of 1 m/s

图2 风速10 m/s 时热辐射强度Fig.2 Heat radiation intensity at wind speed of 10 m/s

2.2 气象因素和物料温度对下风向热辐射距离的影响

目前，国内一些学者已研究管道压力、放空阀（如限流孔板）喉径面积等因素对天然气放空质量流量的影响，以及放空质量流量对放空系统热辐射强度和影响范围的影响[4-7]：管道压力、放空阀（如限流孔板）喉径面积增大，质量流量增大，更多的天然气参与燃烧放热过程，热辐射影响强度和影响范围随之增加，对地面造成的热辐射强度也相应增加。考虑到天然气长输管道停输时间有限，一般选取较大的放空质量流量，长时间稳定放空时的质量流量变动幅度不大。因此，本文选取规定放空时间内的平均流量（体积流量100 000 m3/h，质量流量79 984.17 kg/h）作为建模参数，分析气象因素和物料温度对下风向热辐射距离的影响。

表1 热辐射强度危险性评价标准Tab.1 Hazard analysis standard for thermal radiation intensity

根据模拟计算所得热辐射强度数据，统计不同气象参数（温度、相对湿度、风速）和物料温度条件下1.58、4.73、6.31 kW/m2热辐射等值线横坐标最大值，即下风向热辐射最远距离，应用IBM SPSS Statistics 软件回归分析法，可以得到：

式中：D1.58、D4.73、D6.31分别为1.58、4.73、6.31 kW/m2热辐射等值线的横坐标最大值，m；Tm为物料温度，K；Vw为风速，m/s；TA为大气温度，K；URH为大气相对湿度，无量纲。

根据拟合曲线和关键建模参数变化范围，影响下风向热辐射最远距离的主要因素为风速，其次为大气温度、相对湿度，物料温度对下风向热辐射最远距离的影响可忽略不计。

3 地面人员和设备设施安全性分析

3.1 下风向地面热辐射强度分布

选择大气温度-15 ℃、相对湿度10%、风速10 m/s 为气象参数，模拟计算得到地面热辐射强度随下风向距离的变化趋势（图3）。下风向68 m 处热辐射强度达到4.73 kW/m2，进入该范围内紧急作业不能超出规定时限（几分钟）；下风向58 m 处热辐射强度达到6.31 kW/m2，进入该范围内紧急作业不能超出1 min。

图3 下风向地面热辐射强度分布Fig.3 Distribution of heat radiation intensity on the ground in downwind direction

3.2 地面人员、设备设施安全性分析

根据上述模拟计算结果，线路截断阀室与放空立管距离不足68 m 时，热放空时处于阀室内的人员安全性受到影响。考虑高风速下火焰向下倾斜，下风向热辐射强度增大，热辐射最远距离增大，本文选择大气温度-15 ℃、相对湿度10%、风速10 m/s 为气象参数，结合放空系统最大运行热辐射值相关规定和不同热辐射强度可造成的损害[8]（表2），分析放空立管高度30、40、50 m 时热放空对地面的热辐射影响。

（1）放空立管30 m 时热辐射强度计算与分析。放空立管高度为30 m 时，热辐射影响范围如图4 所示。从图中可以发现，热辐射强度4.73 kW/m2的对地影响距离最远为61 m。下风向5 m 高度处，热辐射强度9.46 kW/m2的影响距离最远为38 m；热辐射强度12.5 kW/m2的影响距离最远为20 m。该情况下，线路截断阀室（距放空立管40 m）内的人员安全性受到影响，设备设施不受影响。

（2）放空立管40 m 时热辐射强度计算与分析。放空立管高度为40 m 时，热辐射影响范围如图5 所示。从图中可以发现，热辐射强度4.73 kW/m2时对地影响距离最远为51 m。热辐射强度9.46 kW/m2和12.5 kW/m2在下风向的影响高度为10 m 以上。该情况下，线路截断阀室内人员需快速撤离。

（3）放空立管50 m 时热辐射计算与分析。放空立管高度为50 m 时，热辐射影响范围如图6 所示。从图中可以发现，热辐射强度4.73 kW/m2等值线与地面不相交。下风向30 m 处，4.73 kW/m2热辐射等值线对应纵坐标为1.9 m。9.46 kW/m2和12.5 kW/m2热辐射等值线进一步远离地面。该情况下，周边人员不需撤离。

表2 不同热辐射强度可造成的损害Tab.2 Damage caused by different heat radiation intensity

图4 放空立管高度为30 m 时热辐射影响范围Fig.4 Thermal radiation range of blowdown stand pipe with the height of 30 m

图5 放空立管高度为40 m 时热辐射影响范围Fig.5 Thermal radiation range of blowdown stand pipe with the height of 40 m

4 结论

（1）下风向热辐射最远距离的主要因素是风速，其次是大气温度和相对湿度，物料温度的影响可忽略不计。风速直接影响火焰下风向倾角，风速越大时火焰越向地面倾斜，地面热辐射强度越大。因此，应优先选择放空立管处于下风向、较低风速的情况下进行放空作业，减少火焰热辐射对地面人员、建（构）筑物和周边环境的影响。

（2）基于DNVPHAST 软件可模拟计算热放空的最大热辐射影响范围，并用于确定放空立管高度以及放空立管与地面人员、设备设施的合理安全距离。高风速（风速10 m/s）气象条件下，放空立管高度为40 m 时，热辐射对10 m 以下设备设施不会造成影响；放空立管高度为50 m 时，地面人员不需要撤离。当征地比较困难的情况下，可考虑适当增加放空立管高度，减少对周围人员、地面建（构）筑物和设备设施的影响。

图6 放空立管高度为50 m 时热辐射影响范围Fig.6 Thermal radiation range of blowdown stand pipe with the height of 50 m

（3）通过模拟计算和风险分析，天然气紧急放空时要根据放空系统最大运行热辐射值和不同热辐射强度造成的损害确定热放空影响范围，并应在应急计划中确定需要告知的相关部门、企业和疏散区域。

（4）天然气放空质量流量与管道压力、放空阀（如限流孔板）喉径面积等因素密切相关，放空质量流量的变化将显著影响热辐射强度和影响范围。因此，在停输时间允许的前提下，可提前降低放空管段运行压力，减小放空阀开度，以减小天然气放空质量流量。