天然氣長輸管道站場放空系統(tǒng)計(jì)算

牛先生

站場放空系統(tǒng)由放空立管和放空點(diǎn)火部分組
成，是天然氣站場的重要系統(tǒng)之一。放空系統(tǒng)主要
作用是在檢修、發(fā)生意外、進(jìn)出站的壓力超壓時(shí)進(jìn)
行放空，為減少對環(huán)境的危害需點(diǎn)火燃燒后排放[1]。準(zhǔn)
確計(jì)算放空系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對站場內(nèi)設(shè)備、管線
的泄壓保護(hù)，還可以節(jié)省工程建設(shè)費(fèi)用，方便日后
運(yùn)營管理。
1 安全閥放空
（1） 選型計(jì)算。安全閥的選型計(jì)算可按照以下
思路進(jìn)行：估算被保護(hù)設(shè)備、容器或管線的有效容
積；依照API RP 521 規(guī)定求解事故工況時(shí)允許的最
小、最大泄放量；安全閥喉管面積計(jì)算；安全閥選
型；校核采用所選安全閥時(shí)的最大泄放量和出口馬
赫數(shù)是否滿足要求。
（2） 閥前管徑計(jì)算。配管安裝時(shí)通常在被保護(hù)
設(shè)備、容器或管線與安全閥之間加一直管段，但在
安全閥泄放時(shí)，由于氣體速率極高，該管段會產(chǎn)生
部分壓損。為了防止過大的壓損產(chǎn)生震動，造成對
泄放裝置的危害，需要限制該壓損的大小。按照
API RP 520 規(guī)定，該段壓損不得高于安全閥設(shè)定壓
力的3%，以此為邊界條件反算最大泄放量時(shí)可允
許的最小閥前管徑，但最終選取管徑不得小于安全
閥入口口徑。
（3） 閥后管徑的計(jì)算。安全閥閥后管徑的計(jì)算
主要受安全閥可允許背壓大小的限制。計(jì)算思路
為：閥后允許背壓大小的確定；閥至放空終端間管
線的允許壓降；求得閥后管線允許最小管徑；圓整
計(jì)算管徑并校核選用管徑在管線放空時(shí)閥后背壓的
實(shí)際值。工程實(shí)際中往往采用總放空匯管，各放空
支線在接入放空終端前就已匯入總管，此時(shí)可將支
管線與總放空匯管的連接點(diǎn)作為新的放空終端，允
許壓降為安全閥背壓減去連接點(diǎn)處壓力，連接點(diǎn)處
的壓力需根據(jù)最不利工況來計(jì)算。
2 站場事故放空
（1） BDV 閥選型計(jì)算。BDV 閥選型計(jì)算的關(guān)
鍵在于閥口徑的計(jì)算，而廠家在確定口徑時(shí)需要知
道閥所具有的最大泄放量和以最大泄放量泄放時(shí)閥
的流量系數(shù)（Cv 值）。最大泄放量和Cv 值均可使
用hysys 來計(jì)算。根據(jù)API RP 521 中有關(guān)泄放的
規(guī)定：在事故工況下要求15 min 內(nèi)，容器的壓力將
為原工況的50%。具體計(jì)算思路為：站場有效容積
的估算；利用HYSYS 建立Depressing 動態(tài)泄放模
型；計(jì)算得出滿足規(guī)范要求的最大泄放量和Cv
值；選取滿足要求的BDV 閥；根據(jù)所選閥門的Cv
值校核閥的最大流通量。
（2） 限流孔板計(jì)算。限流孔板設(shè)置在管道中用
于限制流體流量或降低流體壓力。油氣田生產(chǎn)中將
限流孔板組放置于調(diào)節(jié)閥后，既可縮短安裝距離又
可延長調(diào)節(jié)閥的使用壽命，現(xiàn)在被普遍應(yīng)用[2]。選
型計(jì)算思路為：安裝位置最大泄放量的確定（同
BDV 閥最大泄放量）；根據(jù)限流孔板前后壓差選擇
孔板的形式（單板還是多板）；按照孔徑計(jì)算公式
計(jì)算限流孔板的孔徑d0 ；根據(jù)臨界流率壓力比
（γe）、絕熱指數(shù)（k）、孔徑/管徑（d0/D）關(guān)系表查
得γe ；判斷孔板前、后壓力之比（p2/p1）與γe 的相
對大小（若p2/p1 ? γe ，則可使流量限定在一定數(shù)
值，說明計(jì)算值d0 有效，否則需調(diào)整壓降或管
徑，重新計(jì)算）；圓整孔徑計(jì)算值。
（3） 限流孔板后管徑計(jì)算。影響限流孔板后管
徑尺寸主要因素是孔板后的壓力、最大泄放量和管
內(nèi)允許最大流速。已知泄放量和管內(nèi)允許流速后反
算孔板后壓力，只要壓力不高于氣體的臨界流動壓
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3 進(jìn)出站管線放空
進(jìn)出站管線上BDV 閥的選型同站場事故放空
管線上BDV 閥的計(jì)算，區(qū)別在于最大泄放量的確
定。計(jì)算思路為：確定事故時(shí)所需BDV 閥的最大
泄放量；按最大泄放量和調(diào)節(jié)閥Cv 值的計(jì)算公式
計(jì)算所需Cv 值；依據(jù)Cv 值和最大泄放量選擇合適
尺寸的BDV 閥；校核選用該尺寸BDV 閥時(shí)閥的最
大泄放量、出口處流速和管線泄放所需時(shí)間。
4 放空匯管尺寸
放空匯管尺寸的計(jì)算主要受以下因素的影響：放
空匯管所要承擔(dān)的最大泄放量；放空匯管在同一放空
系統(tǒng)中且存在同時(shí)放空可能的各泄放裝置的最大允許
背壓；放空匯管的管路長度。上述3個(gè)因素確定后就
可以對匯管的尺寸進(jìn)行計(jì)算了，計(jì)算時(shí)的邊界條件除
了最大允許背壓外還有匯管內(nèi)的氣體流速。
5 放空立管
（1） 管徑計(jì)算。放空立管管徑主要取決于放空
立管的放空量和出口處允許的馬赫數(shù)，可通過提高
出口處氣體的馬赫數(shù)來減小放空管徑，但馬赫數(shù)偏
高會導(dǎo)致放空噪聲過大。根據(jù)規(guī)范GB 50183-2004
規(guī)定，事故狀態(tài)下，出口處馬赫數(shù)不高于0.5 馬
赫。因此，在計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)出口處馬赫數(shù)為
0.5馬赫來反算放空立管的管徑。
（2） 高度計(jì)算。非點(diǎn)火放空立管高度可根據(jù)規(guī)
范GB 50183-2004 規(guī)定確定。當(dāng)放空量不大于
1.2×104 m3/h 時(shí)，放空立管與閥室或站場距離不小
于10 m；當(dāng)放空量大于1.2×104 m3/h 且小于4.0×
104 m3/h 時(shí)， 間距不得小于40 m[3]。可使用DNV
Phast 軟件模擬放空立管放空時(shí)出口周圍及下風(fēng)向
的擴(kuò)散范圍，根據(jù)模擬結(jié)果選取合理的高度，以保
證在規(guī)范要求的最小間距范圍內(nèi)天然氣濃度落于爆
炸極限之外。
6 放空火炬
（1） 筒徑（火炬頭） 計(jì)算。計(jì)算思路為：放空
系統(tǒng)最大泄放量的確定（可取放空匯管最大排放
量）；按火炬頭出口處馬赫數(shù)為0.5 馬赫反算所需筒
徑；向上圓整筒徑尺寸。校核時(shí)若只滿足放空系統(tǒng)
最大泄放量不高于0.5 馬赫，而不滿足單個(gè)裝置不
高于0.2馬赫，需調(diào)整圓整后尺寸，直至滿足要求。
（2） 高度計(jì)算。放空火炬高度要依據(jù)頂端火焰
輻射熱對地面人員的熱影響，或大風(fēng)時(shí)火焰長度及
傾斜度對附近構(gòu)筑物及生產(chǎn)裝置的熱影響來確定，
應(yīng)使火焰的輻射熱不影響人身及設(shè)備的安全[4]。其
計(jì)算主要考慮火炬安放位置及附近地面附屬物的可
承受輻射強(qiáng)度、火炬所處環(huán)境的氣象情況，包括風(fēng)
速、風(fēng)向、大氣溫度、相對濕度等因素。計(jì)算可參
照GB 50183-2004 中的公式。計(jì)算思路為：分析火
炬周圍的設(shè)施及環(huán)境狀況，確定敏感點(diǎn)（考慮輻射
影響的設(shè)施）；火焰最大長度的計(jì)算（火焰長度可
從GB 50183-2004 中火焰長度和釋放熱量Q - L關(guān)
系曲線圖查得，也可按照《石油化工設(shè)計(jì)手冊》中
有關(guān)規(guī)定確定）；按規(guī)范中火炬高度的計(jì)算公式進(jìn)
行計(jì)算，并予以圓整；以圓整后的高度計(jì)算火炬的
地面輻射范圍，進(jìn)而確定火炬放空區(qū)需要的征地面積。
7 結(jié)語
（1） 系統(tǒng)總匯管與放空立管或火炬的連接采用
撓性連接（如管線活接頭），對泄放裝置及其出口
管線進(jìn)行固定。這樣可以有效地減小管線的震動，
降低噪音，防止放空時(shí)發(fā)生事故。
（2） 盡量縮短安全閥前管線的長度以及安全閥
至放空立管或火炬間的管線長度�？s短安全閥前管
線長度可以降低該段管線的壓力損失，從而減小震
動；縮短安全閥至放空立管或火炬間的管線長度可
以降低安全閥的背壓，使被保護(hù)設(shè)備、容器或管線
在超壓時(shí)，安全閥可以及時(shí)迅速起跳，并以設(shè)計(jì)量
進(jìn)行泄放。
（3） 安全閥背壓大小對其放空時(shí)的泄放量影響
很�。ㄓ绊懓踩�閥起跳時(shí)的靈敏度），所以建議選
用波紋管式安全閥（允許背壓為設(shè)定壓力的50%）。
采用波紋管式安全閥時(shí)，站場內(nèi)高、低壓放空一般
可共用一套系統(tǒng)。此時(shí)需對兩種方案（采用普通彈
簧式安全閥，分設(shè)高、低壓放空系統(tǒng)；低壓放空閥
采用波紋管式安全閥，高、低壓放空共用一套系
統(tǒng)） 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。
（4） 計(jì)算時(shí)將放空匯管尺寸計(jì)算步驟提前，預(yù)
先求得站場系統(tǒng)最大放空量。需對不同的可能同時(shí)
放空的工況進(jìn)行匹配，尋找最大泄放量發(fā)生工況，
并以此最終校驗(yàn)整個(gè)放空系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
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石油工程建設(shè)，2006，32 (6)：16－19.
（欄目主持張秀麗）

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