天然气站场瞬时放空关键参数设计方法研究

梁 林 张景山 黄建敏 李士斌 方 军 王常顺

1. 中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司, 新疆 库尔勒 841000;2. 中国船级社质量认证公司, 北京 100006;3. 中石油北京天然气管道有限公司, 北京 100025

0 前言

作为天然气运输的基本手段之一,输气管道在安全、环境保护及效率方面有着更高的要求[1-2],当输气管道出现事故时将对下游用户的安全甚至国家的能源安全造成严峻的威胁[3]。天然气管道放空是管道进行维抢修及改扩建工程中必不可少的环节[4-5]。天然气站场放空系统包括安全阀、放空阀、截断阀、放空管道、分液罐、火炬等设备设施,其中紧急截断阀与放空阀是放空系统的重要组成部分,其设置的规范性和放空能力对站场本质安全至关重要[6-7]。本文通过对现行与天然气站场放空系统相关的设计规范梳理,提出现阶段在天然气站场新建和改扩建项目中进行放空系统设计时应遵守的要求。与此同时,本文对放空系统的设计原理和计算方法做出相应的说明,且使用HYSYS软件进行典型天然气站场放空系统设计,以期为天然气站场工程设计人员和审查人员提供参考。

1 放空系统设计理论及标准要求

1.1 天然气管道放空过程状态

放空管道系统模型见图1。高压天然气的放空过程经历的状态如下。

图1 放空管路系统模型图Fig.1 Model of venting pipe system

1.2 相关规范对放空时间的设置要求

GB 50183—2015《石油天然气工程设计防火规范》、GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》、SH 3009—2008《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》等石油天然气设计规范均没有对紧急放空降压速率做明确规定。在放空时间要求方面,GB 50349—2015《气田集输设计规范》规定:“站场工艺系统在火灾情况下的紧急放空,压降速率宜按照15 min内将系统压力降至0.69 MPa或设计压力的50%(二者取较小值)确定”[9],GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》规定:“当输气站设置紧急放空系统时,设计应满足在15 min内将站内设备及管道内压力从最初的压力降到设计压力的50%”[10-11]。

2 放空系统

2.1 放空系统主要设备设置

放空系统设计时须进行设备选型,设备选型偏小会因紧急状况下不能短时间内安全泄放造成更大的事故,设备选型偏大会造成瞬时放空量过大且工程投资增加。由于天然气处理厂站内管道介质包含天然气、凝析液和水,故放空系统需要具有处理气体和液体的能力。在天然气站场放空系统设备选型时,首先要选择合理的放空方案。放空方案一：分液罐与放空立管(或火炬)配合使用;放空方案二：燃烧坑(可同时处理气体和液体)。对比分析以上放空方案发现,放空方案一投资成本低,设计制造技术成熟,放空方案二占地面积大且投资成本高,甚至可能带来一定的环境污染问题,因此大多选择分液罐与放空立管(或火炬)配合使用的放空方案。需要说明的是,无论站场规模、压力和管径大小,放空管大多设置点火功能[12]。

2.2 设计内容

天然气站场放空系统的设计内容包含以下几方面:确定限流孔板口径;确定放空管线直径;计算放空过程产生的最低温度,为管材选择提供依据;确定放空过程中的最大瞬时放空流量;校核放空阀及限流孔板的放空能力;如果设置分液罐,需校核分液罐的处理能力;计算放空过程产生的噪声强度;计算直接放空对应的气体扩散范围及点火放空产生的热辐射强度。

2.3 计算方法

由于天然气站场紧急截断放空过程属于瞬态过程,对应的瞬时放空流量及放空时间的计算过程不能仅仅通过经验公式进行粗略估算,需要借助合适的仿真软件进行放空过程计算。HYSYS软件可以用于油气站场稳态模拟(物料平衡计算)、水露点模拟、烃露点模拟、紧急泄放瞬态模拟等,国内用户总数已超过50家,所有的油田设计系统全部采用HYSYS软件进行工艺设计。

针对站场紧急放空瞬态仿真,HYSYS软件中有单独Depressuring-Dynamics模块,该模块可用于模拟压力容器的安全阀放空、事故工况放空、绝热工况放空等一系列动态放空的过程[13-15]。泄压原理是将2个截断阀之间的设备及管道之间的管容用固定容器的容积表示,在给定初始的介质组分、温度、压力等参数的情况下,可以用限流孔板控制压降速率为15 min内将容器的压力从最高泄放至0.69 MPa。与此同时,将泄放产生的噪音控制在85 dB以内,泄放气体流速低于0.7马赫。

利用HYSYS软件的具体计算步骤如下:1)搭建物料及容器HYSYS模型,见图2；2)通过Depressuring-Dynamics模块,输入需要紧急泄放的介质温度、压力、组分等参数;3)根据配管安装图及设备厂家图纸,计算2个截断阀之间的管容;4)给定孔板口径初始值,迭代计算最终的孔板口径,并计算放空过程中最大瞬时放空流量及最低温度;5)借助Flarenet软件计算放空管道的直径,见图3;6)规定放空时间为15 min,且放空后压力为0.69 MPa。

图2 物料及容器HYSYS模型Fig.2 HYSYS model of materials and containers

图3 Flarenet输入界面Fig.3 Flarenet input interface

通过上述模拟,最终得到压力、温度、泄放流量等参数随时间的变化曲线,及需要的最小孔板口径,并按规定的时间间隔记录相应的历史数据,例如最大瞬时放空流量、管内流体最低温度等,为之后Flarenet软件对放空系统的气体流速、噪音等参数的仿真提供依据。

3 典型天然气站场放空系统设计

天然气站场内紧急放空的放空场景一般是站场发生紧急事故(如可燃气体泄漏、火灾等)时触发ESD(Emergency Shut Down)而进行的放空[16]。根据站场ESD分级,一般可分为设备级、工艺设备区域级以及全站级的紧急放空,全站级放空的最大瞬时放空量较大且较难准确控制,属于站场中最坏的放空场景,依照规范要求,需15 min内将站场管道压力降至设计压力的50%或0.69 MPa。

通常，在紧急泄放阀开启后的开始阶段,气体瞬时放空流量达到峰值,然后随着放空过程的进行而逐渐减少。峰值流量时,气体处于临界流动状态,放空的流量与阀后压力、储气量等参数无关,仅仅与初始压力和泄放孔直径有关,在初始压力一定的前提下,主要关注泄放孔直径即限流孔板的口径[17]。HYSYS软件可计算天然气管道紧急放空所需要限流孔板口径的面积,计算放空过程介质的最低温度和最大流量等参数,指导工程设计中放空系统材质和尺寸的选取[18-20]。本节主要针对全站级紧急放空场景进行放空系统的设计,选择压气站A为研究对象,利用HYSYS软件对关键管件限流孔板的口径进行计算并进行放空系统ESD功能验证。

3.1 限流孔板孔径计算

天然气组分和天然气站场管道及设备主要参数见表1～2。HYSYS软件计算限流孔板孔径见表3。

表1 天然气组分表Tab.1 Natural gas compositions

表2 天然气站场管道及设备主要参数表Tab.2 Main parameters of station pipelines and equipments

表3 限流孔板孔径计算结果表Tab.3 Calculation results of the aperture of the restricting orifice

3.2 现场功能测试及结果分析

3.2.1 现场测试

针对压气站A,现场业主方对紧急泄放阀进行了现场测试,即关断设备上下游截断阀,打开紧急泄放阀,借助压力变送器观察管道压力变化,关注紧急截断放空的降压速率是否符合规范要求。以燃料气出口汇管处的紧急泄放阀BDV202为例，根据现场测试数据可知,紧急泄放阀能保证 15 min 内将设备内的压力从初始压力降低到0.69 MPa,泄放时间为1 140 s。

3.2.2 软件仿真计算

以BDV001为例的软件仿真计算界面见图4。

图4 BDV001的HYSYS模型图Fig.4 HYSYS model of BDV001

3.2.3 结果对比分析

整理现场测试和软件仿真得到的放空数据汇总,见表4。

由表4可知,在保证15 min内将设备内的压力从初始压力降低到0.69 MPa的前提下,对比放空时间的测试结果与软件仿真结果,两者误差均在10%范围内,因此可以说明运用HYSYS软件计算天然气站场紧急放空系统的方法是可靠的,该软件可作为天然气站场放空系统设计的有效工具。

表4 现场测试和软件仿真对应的各紧急泄放阀的放空数据表Tab.4 Venting data of each pressure relief valve corresponding to field test and software simulation

4 结论

采用HYSYS及Flarenet软件进行放空计算时应注意：操作运行压力是基于操作状态下的最高操作压力；管容和设备容积对计算结果影响大,如果设备内部有其他构件,如塔盘、滤网、桨叶、补雾装置、除沫器、分离原件、支撑件等,在有条件的情况下,应尽量去除其构件体积,以保证容积计算的准确性；背压对放空时间有影响,在计算模型中应提前通过预设背压考虑背压对仿真结果产生的影响。