输气站放空火炬热辐射影响与安全距离研究

李新建

国家管网集团西气东输公司合肥输气分公司

天然气分输站放空系统用于生产设备在维检修和应急状态时，对需紧急泄放的天然气进行高空排放或燃烧，以保证输气站场的安全。输气站放空分为热放空和冷放空两种形式：点火燃烧放空天然气称为热放空；不点燃放空天然气，把天然气直接排放到大气称为冷放空。绝大部分站场的放空系统具备热放空条件，个别站场由于条件所限，只设放空立管，无点火装置，只能冷放空。热放空过程会产生大量的热辐射，可能会对周围的操作人员、设备、树木、建筑物带来严重的损害；因此，需要计算放空火炬热辐射的安全距离，避免热放空对放空区周边的人员、设备和建筑物造成伤害[1]。

1 热辐射及其影响因素分析

气体燃烧是在一定条件下，可燃成分与氧气发生激烈的氧化反应，并伴随发光、放热。天然气热放空时，一般放空量很大，会呈现不完全燃烧现象，产生炭黑并形成发光火焰。火焰的辐射射线投射到其他物体上，部分穿透物体，部分被反射，还有一部分被吸收。天然气火焰中具有辐射能力的是CO2、水蒸气、NOx等气体，以及炭黑粒子。炭黑粒子的存在大大提高了辐射强度，火焰射线形成超过3 m，热辐射可简化为黑体辐射。根据Stefan-Boltzmann 定律，黑体表面单位面积辐射出的总功率与黑体本身的热力学温度的四次方成正比，温度升高会极大提高辐射强度。

放空天然气射流燃烧属于非预混扩散喷射火焰，对周边人员、设备和环境的危害，主要来源于火焰燃烧的热量传递，热传递包括热传导、热对流和热辐射三种方式，热辐射起主要作用[2]。热辐射与火焰温度、燃烧介质组分，以及辐射特征、环境介质的辐射吸收与散射、辐射层有效厚度相关，燃烧介质的辐射、散射能力与其辐射波长相关[3]。

1.1 热辐射强度要求

安全热辐射强度是指人员、设备在没有防护情况下，能长时间、安全承受的最大热辐射。国内外的标准、规范没有对热放空影响范围给出明确规定，要求热放空影响范围应根据安全热辐射强度计算。国内的两个重要规范GB 50183—2015《原油天然气工程设计防火规范》、SB 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》，都参考了美国石油协会API 521—2020《泄压和减压系统》推荐的安全热辐射值。

SB 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》将4 kW/m2作为人员可以接受的热辐射上限，超过该热辐射强度的区域内人员可能存在烧伤风险；将12.5 kW/m2作为设备可以承受的热辐射上限，超过该热辐射强度会对设备造成损伤；将37.5 kW/m2作为严格禁止区[4]。

1.2 热辐射范围影响因素

放空燃烧火焰对周围的影响过程复杂，受放空速率、风速、风向、放空火炬出口直径与高度、障碍物等因素的影响[5]。

（1）放空速率。放空速率与放空压力和阀门开度有关，热辐射强度和影响范围随放空速率变大而变大，放空火焰的长度也越大。当放空速率逐渐增大时，火炬喷射的燃料较多，燃料上升到一定高度才被完全燃烧；因此，火焰越来越长，在近地面产生的热辐射强度等值线图越来越趋于中心对称分布，风对火焰的倾斜角度和热辐射强度分布的影响越来越小[6]。

（2）风速、风向。风速会加快天然气与空气之间热量和物质的交换，加剧燃烧，同时还会使火焰倾斜；下风向热辐射强度明显大于上风向，下风向地面热辐射强度随着与火炬地面距离增加，而先增大后减小。相同条件下，地面热辐射强度随风速增强而变大。

（3）火炬出口直径与高度。火炬出口直径会直接影响放空气体的流量，进而引起燃烧热量和热辐射范围的变化。火炬出口直径越大，热辐射影响范围越大，最大热辐射强度值出现的位置与火炬的距离也越大；火炬越高，热辐射对地面的影响范围越小；但是，增加火炬口径和高度，会增加放空区的征地范围和火炬采购成本。

（4）障碍物。由于长输天然气管道站场阀室放空区附近可能有山体、树林、建筑物等障碍物，会影响热辐射的分布。热辐射主要聚集在障碍物上方，障碍物顶部更易因高强度热辐射而发生事故。随着障碍物与火炬间距増加，障碍物迎风面的热辐射影响区域变大、强度变小。

2 放空形式分析与风险控制措施

热辐射对放空区周边人员、设备、植物及建筑物构成威胁，热放空作业时需注意下风向的易燃易爆物、高大树木、较高的山体或者建筑物。热放空作业前，需根据模拟或者计算得到的热放空安全距离，砍伐该范围内的树木，转移可燃物，在安全距离的基础上加上裕量，设置警戒线，疏散居民，防止无关人员进入警戒区。山体、障碍物迎风面和顶部的热辐射强度值很大，尤其需要加强安全防范措施和警戒范围。

冷放空不存在热辐射问题，安全半径仅为相同条件下热放空的20%～40%。近年来，西气东输公司越来越多地采用冷放空形式泄放天然气。冷放空时，当大气中天然气浓度低于爆炸浓度下限时，无燃烧爆燃风险，对地面没有直接影响。但是，大气中天然气浓度不易准确测量，特定条件下可燃气体聚集遇明火会爆燃，形成后果严重的冲击波和热辐射。冷放空时也应建立警戒区，防范烟花爆竹、孔明灯等意外火源，避免雷电天气。天然气主要组分CH4对远红外辐射的吸收比CO2更强烈，温室效应约是CO2的16倍，因此冷放空对环境保护具有不利因素[7]。

3 热放空安全距离计算

热放空安全距离是指人体或设备与火炬所保持的水平半径，在此半径下能安全承受的最大辐射热。根据运行经验及工程惯例，输气站放空系统计算仅考虑紧急放空的极端工况。紧急放空是指当发生火灾、爆炸、较大泄漏等严重危害安全生产事故时，触发ESD（紧急停车系统）的情况，需将输气站管存天然气快速放空。其特点是发生频率低、持续时间短、瞬时流量大、过程不可控[8]。在进行放空系统计算时，一般遵循GB50251—2015《输气管道工程设计规范》和美国石油协会API 521—2020《泄压和减压系统》的要求，按照15 min 内把输气站压力降至690 kPa 或降至50%的设计压力（取较低值）计算安全距离、设计放空系统[9]。

合肥北站2019 年建成投产，主要功能是接收上游来气，经站内过滤、计量、调压后给下游用户分输供气。以西气东输合肥北站为例，计算紧急热放空的安全距离。合肥北站放空系统参数见表1。

表1 合肥北站放空系统参数Tab.1 Venting system parameters of Hefei North Station

放空火炬出口天然气流量由最大放空量确定。合肥北站全站放空物理管容为75 m3，最大运行压力为设计压力10 MPa（实际放空时可选运行压力）。紧急放空时，按照15 min 内将站内设备的压力降至690 kPa 计算，10 MPa 时管存天然气为7 835 m3（标况，是指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积，下同），690 kPa时管存天然气为516 m3，15 min 内放空天然气7 319 m3，火炬出口天然气体积流量Qv为8.13 m3/s。

3.1 单点源模型安全距离计算

单点源模型是指将火炬的出口到火焰的顶端距离的1/3处的一个点视为火源[10-11]，将火焰燃烧产生的全部热量视为从这个点发出。单点源模型安全距离见图1。

图1 单点源模型安全距离示意图Fig.1 Schematic diagram of safe distance of single point source model

单点源模型热辐射量的计算方法如下：

式中：I为辐射点源对目标点处的热辐射量，kW/m2；η为燃烧效率因子，喷射火焰取0.35；Xg为大气穿透因子，喷射火焰取0.2；Qv为放空气体的体积流量，m3/s；HL为燃气的标况低位发热值，天然气取36 533 kJ/m3；D为辐射点源到目标点的距离，m。

根据API 521—2020《泄压和减压系统》，人体长期暴露无不适感的热辐射量取1.58 kW/m2；根据SH 3009—2001《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》，太阳热辐射均值取0.93 kW/m2；火焰安全热辐射量取上述二者的差值0.65 kW/m2。

由式（1）求解得出D为50.5 m。根据SB3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》，按照120 倍的火炬出口直径Df近似计算，火焰长度L=120×0.25 m=30 m。火焰中心即辐射点源位置取火焰长度的1/3处，火炬高度H加火焰长度L的1/3为辐射点源距离地面高度（25 m）；再根据勾股定理可求出放空火炬的安全距离R为43.9 m，取44 m。

3.2 辐射热强度模型安全距离计算

辐射热强度是指单位时间内单位面积所受到的热辐射量。不同的辐射热强度下，人所能耐受的时间也不同。由图2 可知，辐射热强度在1.5 以下时，曲线趋向于水平，人可以长时间耐受，以此辐射热强度作为确定放空火炬高度或安全距离的标准[12]。因此，人可以长时间耐受的辐射热强度为6.27×103kJ/(m2·h)。辐射热强度模型安全距离见图3。

图2 人体耐受时间与辐射热强度关系Fig.2 Relationship between human tolerable time and radiant heat intensity

图3 辐射热强度模型安全距离示意图Fig.3 Schematic diagram of safe distance of radiant heat intensity model

辐射热强度计算公式如下：

式中：q为辐射热强度，取6.27×103kJ/(m2·h)；ε为火焰辐射率；Q为火焰的总发热量，Q=QvHL，kJ/h。

其中火焰辐射率ε 的经验计算公式[13]为：ε=，M为相对分子质量，天然气取16.654，因此天然气的火焰辐射率为0.2。对于合肥北站，依据Q为1.07×109kJ/h 计算，可以得出D为52.1 m；合肥北站放空火炬高度H为15 m（不考虑火焰的高度）；再根据勾股定理可求出放空火炬的安全距离R为49.9 m，取50 m。

3.3 考虑环境因素的单点源模型分析

风速、风向、湿度、温度等环境因素会影响热放空的火焰形状，进而影响热放空安全距离（图4）。受到风速、风向的影响，火焰会产生偏移，长度也会变化。对于火焰长度L的计算，需要考虑环境温度、天然气射流速度、马赫数等因素；对于火焰中心水平偏移距离ΔX、垂直偏移距离ΔY的计算，需要根据当天的环境风速与天然气射流速度的比值，查询工程数据手册（石油工业出版社1987年第10版）；为了更加精确计算安全距离，还需要进一步计算火焰的升空距离B。考虑环境因素的单点源模型计算过程较为复杂，计算结果小于单点源模型但更加精确，二者相对误差15%左右；与辐射热强度模型计算结果的相对误差为30%。涉及环境因素的单点源模型多用于工程设计领域的精确计算。

图4 考虑环境因素的单点源模型辐射示意图Fig.4 Schematic diagram of radiation of single point source model considering environmental factors

4 结论

天然气热放空的速率、风速、风向、放空火炬高度等因素，直接影响火炬热辐射的安全距离。放空作业中，要考虑到上述因素的影响，调整警戒布控范围。输气站热放空操作前计算热辐射的安全距离，可以给操作人员采取安全措施、确定警戒范围提供依据，避免对放空区周边人员、设施造成伤害。

辐射热强度模型安全距离计算结果偏保守，单点源模型安全距离计算结果相对准确，这两种计算方法都非常简单，可供一线生产人员便捷使用。考虑环境因素的单点源模型计算方法，其计算结果更加精确，但计算过程非常复杂。

合肥北站放空火炬距离站内工艺设备50 m，距离附近农业生产设施120 m，距离附近高铁线路180 m，均符合热辐射安全距离的要求。