天然气输气管道及场站放空系统设计

中国市政工程西南设计研究总院有限公司 刘 曦 刘世杰

放空系统是天然气输配系统的重要安全设施。在天然气输配系统运行中，放空的方式分为检修放空和紧急放空两种。检修放空主要是在管道、设备维修时进行，如更换调压器、更换流量计等。紧急放空主要是在输气系统发生事故而进行抢修时进行，同时利用紧急切断阀切断，以减少天然气的泄漏量及减轻事故的危险性。

1 国内外天然气放空技术现状

1.1 国外天然气放空技术现状

关于天然气放空方式在西方主要国家并没有强制的法律规定。多数企业采用立管放空方式，部分放空量较大的输气场站可按照功能区分别进行放空，放空立管高度通常不低于3 m。国外阀室放空系统则更为简单，多数不单独设置放空总管，仅设置放空阀和放空短管，垂直于地面安装，且短管口加盖盲板，立管口距离地面高度一般小于3 m，且不单独设置放空安全区。另外，为了减少温室效应，达到节能环保的效果，部分企业采用移动压缩机作为辅助放空设施，通过移动式压缩机将要放空的天然气抽出并注入相邻管段，剩余无法抽出的天然气才通过阀室的放空立管直接放空。

国外的规范与标准，均以美国行业规范ASME B31.8《输气和配气管线系统》(以下简称美国行业规范)作为参考，以此进行相应规范的修正和改进。根据美国行业规范中第845.1条规定，凡干线、总管、配气系统、用户气量表和相接设施、压缩机站、管式气柜、用管子和管件制成的容器以及所有专用设备，若所接的压缩机或气源，由于其压力控制失灵或其他原因，可能造成上述设施中的压力超过其最大允许操作压力，应装设适当的泄压或限压装置；美国行业规范第 846.21条(C)款规定输气管道上应安装排放阀，以便位于主阀门之间的每段管线均能放空，而为了管线放空而配置的连接管应能保证在紧急情况下使管段尽快放空。该规范还提到了在输气站内，考虑到防火安全和环境保护，对泄放气体不建议进行就地排放，应引入相同压力级制的放空管道并送至输气站以外的放空竖管进行放空。根据美国行业规范的相关规定可以看出对于天然气管道和输气场站放空系统的设置仅给出了原则性规定，并未说明具体的设置方法。

1.2 国内天然气放空技术现状

国内天然气输配系统中的放空系统主要由放空阀和放空竖管组成。其作用是在特殊情况如场站发生进出站压力过高的意外时，需要通过放空系统迅速排放相关管路设备中的天然气。对于线路阀室放空，其作用也是当两阀室间管道检修或发生意外时通过放空系统迅速排放相关管路设备中的天然气。

国内对于放空系统的研究起步较晚，目前我国对于天然气输配系统的放空设计规范并未有统一的标准，而参考国外标准规范较多。研究天然气放空系统时，涉及到的主要规范有 GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》、GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》，其中相关规定如下：

1.2.1 GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》

该规范中第 3.4.2条：输气管道相邻线路截断阀(室)之间的管道上应设置放空阀，并结合建设环境可设置放空立管或预留引接放空管线的法兰接口。放空阀直径与放空管直径相等；第3.4.7—1条：输气站应设置放空立管，需要时还可设放散管；第3.4.7—3条：当输气站设置紧急放空系统时，设计满足 15 min内设备及管道内压力从最初的压力降到设计压力的50%；第3.4.7—6条：放空立管和放散管防火设计应符合现行国家标准《石油天然气工程设计防火规范》的有关规定。

1.2.2 GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》

该规范中第 4.0.8条：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，且宜布置在站场外地势较高处。火炬和放空管与石油天然气站场的间距：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 1.2×104m3/h且等于或小于4×104m3/h时，不应小于40 m。

该规范中第6.8.8-4条：连续排放的可燃气体排气筒顶或放空管口，应高出20 m范围内的平台或建筑物顶2.0 m以上。对位于20 m以外的平台或建筑物顶，应满足 6.8.8条的要求，并应高出所在地面5 m。

2 输气系统放空方式

按照放空位置，输气系统放空方式可分为阀室放空和场站放空。阀室放空系统承担用于阀室相邻管段放空作业，场站放空系统主要用于站内设备及相邻管段的放空作业。

2.1 阀室放空系统

2.1.1 阀室放空系统工况分析

阀室放空系统工况可以分为计划性放空和非计划放空两种工况。计划性放空工况是管道进行维修、改造等作业时进行的放空，是阀室放空系统的主要工况；非计划放空工况是输气管线出现泄漏、破管时的紧急放空，该工况出现频率较低，瞬时放空流量较大。

2.1.2 阀室放空系统工艺设计

目前国内大多数阀室工艺流程为在主阀两侧分别设置放空管。放空管用异径三通连接在主干管主阀两侧，并串联安装两个常闭放空阀；放空阀一般采用球阀和截止阀复式安装方式以防内漏；主阀两侧的放空管在放空阀后合并成1根管道，引至阀室外放空总管。阀室工艺流程，如图1所示。

图1 阀室工艺流程

目前阀室放空立管安全间距无规范可循，防火间距可以参照GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》中的五级场站考虑。目前，中石油大多数场站的放空竖管距其场站的安全间距在 40 m以上，其高度多为20 m。

2.1.3 阀室放空量计算

当天然气管道需要进行放空时，首先关闭管段两端截断阀，再将管段内天然气由放空管排出，此时可将管道内的天然气看作一个独立的高压气瓶进行研究。这时放空量的计算较为简单，可按式(1)进行：

式中：Q——管段总放空量，m3；

Q1——放空前管道天然气容量，m3；

Q2——放空后管道剩余天然气容量，m3；

D——管道内径，m；

L——管段长度，m；

p1——放空开始时刻压力，MPa；

p2——放空结束时刻压力，MPa(一般为0.1MPa)；

p0——标准状况下压力，MPa；

T0——标况下温度，K；

T——天然气放空初始温度，K；

Z——压缩因子。

2.2 场站放空系统

2.2.1 场站放空系统工况分析

场站放空系统工况可以分为站内计划放空工况、安全阀排放工况和站内紧急放空工况。

(1) 站内计划放空工况。站内计划放空工况是指站内设备管道维修、改造时的局部放空，放空流量可以手动控制。此工况下放空流量较小，对放空管网和和排放设备的影响不大。

(2) 安全阀排放工况。安全阀排放工况是指站场设备或管道内工艺气体因超压而引起的安全阀泄压排放。

(3) 站内紧急放空工况。站内紧急放空工况是指站场发生可燃气体泄漏、火灾或其他紧急事故时触发紧急停车(ESD)而引起的放空。根据站场 ESD分级，一般可分为设备级、工艺装置区域级、以及全站级的紧急放空。站内紧急放空属于不可控放空，具有放空持续时间短、放空流量大的特点。

2.2.2 场站放空量计算

输气场站的天然气放空量计算相比管段放空更为复杂，主要是随着场站放空原因和放空区域不同，放空量和放空时间的要求也不尽相同，其中场站放空最为苛刻的条件为站内紧急放空工况，故场站放空量应按照紧急放空工况来计算。

场站放空量计算与管段放空量计算有些类似，其主要不同在于场站内设备和管段的物理容积计算更为繁琐。

场站放空量可按照式(2)进行计算：

式中：Vi——场站设备和管路的容积总和，m3。

2.3 阀室、场站放空速率的计算

阀室、场站放空速率可按照下式(3)进行计算。

式中：W——排放气体的质量流量，kg/s；

Q ——管段总放空量，m3；

t——放空时间，s；

ρ——天然气气体密度，kg/m3。

目前，输气管道泄漏事故或维修一般要求在10～12 h内完成线路放空。而场站放空速率应按照紧急放空条件，要求在15 min将全站的压力通过放空降低到设计压力的50%来计算。输气站场的放空总流量应该按照可能发生的工况中最大流量考虑，不应按照各种工况的泄放流量直接叠加计算。

2.4 放空管径计算

放空管管径可按照下式(4)进行计算。

式中：d——放空总管直径，m；

Ma——马赫数，取0.5；

p——气体出口压力，kPa；

K——排放气体绝热系数；

M——排放气体物质的量，kg/mol。

3 结语

一直以来，放空系统在输气管道及场站中具有重要作用，在管道或站场维修以及发生安全事故时，都可能要进行天然气放空作业，合理设计放空系统能够保证输气管道及场站的安全运行。笔者通过查阅国内外放空天然气的相关文献、规范并结合工程实际情况，总结了天然气放空系统的设置原则、放空流程、放空方式以及放空系统计算的方法，为相关设计人员提供参考。