天然气站场放空风险分析与建议

王董祥，章友明，严冬辉

(国家管网集团浙江省天然气管网有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

我国是仅次于美国和俄罗斯的第三大天然气消费国，2022年天然气消耗量为3.663×1011m3，天然气长输管线总里程超过11万千米。

当管道因事故、施工需要进行维修、扩建等动火作业时，需要将管道内的天然气进行放空处理。根据放空时是否产生火炬，可以将放空过程分为冷放空和热放空，前者是指通过放空立管将天然气直接排入大气中；后者是指通过放空火炬烧掉需要放空的天然气。冷放空的优点是立管结构简单、不需要额外的设备，缺点是放空后立管周围会形成一个可燃性云团，一旦遇到火花就可能发生闪燃或者爆炸事故，因此雷雨天气严禁开展冷放空作业；热放空的优点是燃烧产物危害性低，但火炬结构复杂，天然气燃烧时产生的热辐射对周围设备、人员、环境会产生不良影响，因此在火炬所处地势低洼、草木茂密的山区严禁热放空作业。

由于放空立管往往设置在天然气站场附近(甚至是在站场内部)，因此开展放空作业安全评估对于保持站场安全、平稳运行具有十分重要的意义。

1 放空系统风险分析

1.1 放空系统组成

站场内常见放空系统由管道、立管以及管道上的阀门等设备组成，如图1所示。

图1 放空系统组成

正常输气时，放空管路上的旋塞阀呈关闭状态，天然气经过气液联动阀直接输往下游的天然气管道；当上游天然气管段需要进行维修或者改造时，该管段两侧站场/阀室的气液联动阀会立刻关闭，旋塞阀会逐步开启，天然气经过放空管路到达火炬/立管进行放空处理。

1.2 放空管路流体特征

与长输管道相比，放空系统内气体流动有以下特点：(1)起点和终点压差较大，立管内气体流速快速增加(亚音速流动)；(2)气体参数(压力、流速等)参数(如温度、流速等)会随时间产生较大的变化，属于非定常流动；(3)根据放空时压力与大气压力的比值变化，可能存在几种不同气体状态：壅塞流状态、临界流状态、亚音速流状态[1]。

2 放空危险性分析

英国石油公司(BP)曾对石油行业检维修操作中出现的安全事故进行过统计，认为导致事故频发的原因有三点：(1)对作业过程中存在的风险以及危险源缺乏准确、清晰的认识；(2)未正确估计作业自身与周围环境、设备的相互影响，未能采取有效的安全隔离措施；(3)作业规范性较差，先作业后补作业票的情况经常出现。

由于国内管道公司对天然气放空都有一套完整的作业规程，几乎不存在先作业后补票的情况，因此主要针对放空系统自身风险和放空作业风险进行分析。

2.1 放空系统常见问题

根据QSY 65.3—2010《油气管道安全生产检查规范第3部分：天然气管道》对天然气放空及点火系统的要求，分析放空时常见故障及原因，如表1所示。

表1 放空常见故障及原因

可以看出，阀门故障、点火器失效、管道堵塞/泄漏均可能导致放空失败，因此管道公司在日常维护过程中要重点关注这些设备的完备情况。

2.2 放空作业危险分析

2.1中分析了导致放空作业失败的常见故障，本章将重点介绍正常放空时出现的几种危险因素，分析放空作业对周围环境、设备的影响，以采用合适的保护或者隔离措施。

2.2.1 放空阀处低温

放空前，为了减少天然气排放量，一般会进行降压操作，但是气体仍然具有较高的压力，仍然需要使用阀门对其进行进一步节流、降压。为了控制放空时的天然气流量，放空时放空阀门的初始开度不会超过30%，天然气经过阀门时会产生很大的压降，导致阀门后气体温度会明显降低、甚至出现“起霜”现象，人们把这种现象称为“焦耳-汤姆逊效应”或“节流效应”[2]。由于热量会自发地从高温物体转移至低温物体，随着放空时间的推移，放空阀前温度也会逐渐降低。图2为放空初始压力分别为4 MPa和8 MPa时不同初始温度下压降对温度的影响。

图2 压降对天然气温度的影响

从图中可以看出，初始压力、压降相同时，低温气体温降更为明显，说明低温气体节流效应比高温流体更为明显；初始温度、压力相同时，温降与压降之比和后者同步变化，如图2(a)所示，压力从4 MPa降为3 MPa、2 MPa、1 MPa时，产生的温降值分别为5.279 ℃、10.87 ℃、16.77 ℃，可以看出温降值有少许增加；总起来说，压力每降低1 MPa，天然气温度值下降约5 ℃。

2.2.2 放空管路振动

天然气在放空管路中流动时，气体流动方向会发生几次明显的变化，在流向变化过程中不断与立内壁面发生摩擦、碰撞，使得放空立管发生振动，这种振动被称为流致振动[3]。也有学者认为，气体在流向变化时会产生涡流，这些涡流具有一定的激振频率，当激振频率与放空立管的固有频率满足某种数值关系时，就会加剧放空立管的振动幅度，这种现象被称为共振。振动幅度随气体流量、压力增加而增大，长时间的振动容易使立管焊缝处发生疲劳、甚至开裂的情况，造成天然气泄漏，严重威胁站场的安全运行。

2.2.3 放空噪声

放空气体从立管喷入大气时，会产生刺耳的噪声，这是由于高速带压气流冲入大气时，会与周围相对静止的空气产生剪切运动引起气体剧烈扰动而产生的，人们将这类噪声称为空气动力性噪音[4]。图3为利用仿真软件模拟的不同放空速率下噪声分贝值随距离的变化情况。可以看出，当放空气体速率达到20×104m3/h时，即使站在距离放空管40 m外的地方，噪声仍然达到120 dB，远远超出了GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》中70 dB的噪声上限。

图3 放空速率、距离对噪声分贝值的影响

2.2.4 气体积聚与爆燃

冷放空时，由于放空管出口远远高于地面，放空气体会高速冲入大气，向四周快速膨胀，形成一个云团然后逐渐消散，一般不会在地表处发生积聚现象[5]。但是，当放空立管下风向附近存在高大的障碍物，比如树林、山坡、建筑时，由于它们会阻碍气体向周围扩散，天然气极有可能在这些区域发生聚集。当天然气达到5%～15%的爆炸极限范围时，就可能发生闪燃或者爆炸，对人员、设备、环境造成严重的威胁。

2.2.5 热辐射

热放空时，立管口天然气与空气边混合边燃烧，属于扩散燃烧，火焰位于天然气喷射形成的扩散层外侧，其影响范围以燃烧火焰为中心向外扩散[6]。热辐射会对立管周围人员安全造成一定的威胁，根据SH：3009—2010《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》的规定，人体安全热辐射强度为1.5 kW/m2(包括太阳热辐射强度)；当辐射强度达到4.7 kW/m2时仅允许进行短时间无防护工作。

3 建议

3.1 日常检查

由于放空不是日常作业，放空系统常年处于非工作状态，因此一定要对其进行检查，检查内容包括：

(1)检查阀门开关作业是否正常；

(2)放空管是否失效，内部是否存在积水等，是否严密性完好，是否发生堵塞；

(3)检查仪表、仪器(如气体浓度探测器、通讯装置)是否正常工作，压力表零位是否正常，保护装置是否失效；

(4)检查气体流向改变处焊缝是否存在缺陷，如弯管、汇管、管道连接处等。

3.2 防止低温

节流效应产生的低温不仅可能损坏阀门结构，还可能生成天然气水合物，造成放空管路发生堵塞，因此放空时一定要注意阀门开度，避免产生过大的压降。

3.3 做好防护措施

放空作业充满了危险性，必须采取足够的安全保障措施，防止出现事故，包括：(1)根据放空立管周围环境、天气情况、放空气量等因素选择合适的放空措施，制定严密的放空方案；(2)放空前采用仿真等手段，分析放空作业的影响区域；(3)设置放空隔离区域，隔离区域严格禁火；(4)严格检查潜在火源，比如可能出现泄漏的部位、气体可能积聚的区域以及内部有电流通过的设备等；(5)在放空管周围设置浓度监测设备，特别是放空阀门处、放空管周围较为高大的障碍物附近以及低洼处等气体可能聚集的区域；(6)做好消防工作，准备足够的消防器材；(7)做好人员防护，使用防爆设备、衣物，佩戴耳塞等隔噪设备。

4 结语

放空是天然气管道改建、维修、扩容等作业前的一项重要操作，准确识别可能引起放空失败的原因、放空作业过程中的危险并采取针对性的措施对于保障放空作业正常进行具有重要的意义。