長輸管道線路閥室放空系統(tǒng)熱輻射影響范圍研究*

羅智 楊春花 肖連 張文新

1中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售湖南分公司

2中石油管道有限責任公司西部分公司

3中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司

天然氣放空系統(tǒng)是長輸管道閥室的重要附屬設(shè)施，通常由放空閥組、放空管道和放空立管組成。采取熱放空方式的放空立管設(shè)置有電點火裝置和火炬頭，常用于壓氣站和有人值守站場；采取冷放空方式的放空立管一般不設(shè)置電點火裝置和火炬頭，常用于線路截斷閥室和無人值守站場。隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴格，更多企業(yè)選擇了非甲烷總烴排放濃度更低的熱放空方式，放空立管改造后的熱輻射影響范圍隨之成為新的風險關(guān)注點。本文以線路截斷閥室放空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為研究對象，分析氣象參數(shù)和物料溫度參數(shù)對熱輻射強度的影響，以及典型氣象參數(shù)條件下放空立管高度變化對熱輻射范圍的影響，以保障管道運營安全和人員健康。

1 建模關(guān)鍵參數(shù)選擇

采用DNVPHAST 軟件建立模型。氣象參數(shù)根據(jù)西氣東輸二線西段閥室所在地的風速、溫度和濕度綜合確定，采用以下幾種典型天氣狀況：①大氣溫度，-15 ℃、0 ℃、15 ℃、21 ℃；②相對濕度，10%、30%、50%、80%；③風速，1 m/s、10 m/s。低風速選取1 m/s 為研究對象，高風速選取10 m/s為研究對象；大氣穩(wěn)定度采取帕斯奎爾穩(wěn)定度。

其他關(guān)鍵參數(shù)選擇根據(jù)典型結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇：

（1）放空立管高度。根據(jù)工程設(shè)計參數(shù)，放空立管高度為20 m。

（2）放空質(zhì)量流量。選取規(guī)定放空時間內(nèi)的平均流量，即體積流量100 000 m3/h（標況，下同），對應(yīng)質(zhì)量流量79 984.17 kg/h。

（3）物料溫度。天然氣放空初始狀態(tài)節(jié)流到大氣壓后的溫度[1]，簡化為放空系統(tǒng)前溫度表或溫度變送器讀數(shù)。

2 熱輻射強度計算及影響因素分析

2.1 典型場景熱輻射計算

根據(jù)SY/T 10043—2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》和美國石油學(xué)會標準API RP 521《泄壓和減壓系統(tǒng)導(dǎo)則》關(guān)于暴露人員推薦的總輻射熱設(shè)計強度，確定放空立管點火后熱輻射強度影響的評價標準（表1），劃定熱輻射等值線。

選取大氣溫度-15 ℃、相對濕度10%，風速1 m/s 和10 m/s，以風向為橫坐標，放空立管中心線為縱坐標，模擬計算得到放空立管熱輻射強度影響范圍如圖1、圖2 所示。其中，放空立管中心線與底部交點的坐標為（300，0），環(huán)形曲線為熱輻射等值線。

圖1 中1.58 kW/m2、4.73 kW/m2、6.31 kW/m2熱輻射等值線的橫坐標最大值分別為116 m、69 m、61 m，圖2 中對應(yīng)的橫坐標最大值為123 m、78 m、71 m，且均位于下風向。對比圖1、圖2 可發(fā)現(xiàn)，下風向比上風向熱輻射影響距離更遠；風速直接影響熱輻射等值線傾角，風速增大時火焰向地面傾斜，熱輻射影響距離增大。該發(fā)現(xiàn)與石天雄[2]、張杰東[3]關(guān)于風速對火炬熱輻射影響的研究結(jié)果一致。根據(jù)上述結(jié)果，選取下風向熱輻射距離作為放空系統(tǒng)熱輻射影響范圍的研究對象。

圖1 風速1 m/s 時熱輻射強度Fig.1 Heat radiation intensity at wind speed of 1 m/s

圖2 風速10 m/s 時熱輻射強度Fig.2 Heat radiation intensity at wind speed of 10 m/s

2.2 氣象因素和物料溫度對下風向熱輻射距離的影響

目前，國內(nèi)一些學(xué)者已研究管道壓力、放空閥（如限流孔板）喉徑面積等因素對天然氣放空質(zhì)量流量的影響，以及放空質(zhì)量流量對放空系統(tǒng)熱輻射強度和影響范圍的影響[4-7]：管道壓力、放空閥（如限流孔板）喉徑面積增大，質(zhì)量流量增大，更多的天然氣參與燃燒放熱過程，熱輻射影響強度和影響范圍隨之增加，對地面造成的熱輻射強度也相應(yīng)增加。考慮到天然氣長輸管道停輸時間有限，一般選取較大的放空質(zhì)量流量，長時間穩(wěn)定放空時的質(zhì)量流量變動幅度不大。因此，本文選取規(guī)定放空時間內(nèi)的平均流量（體積流量100 000 m3/h，質(zhì)量流量79 984.17 kg/h）作為建模參數(shù)，分析氣象因素和物料溫度對下風向熱輻射距離的影響。

表1 熱輻射強度危險性評價標準Tab.1 Hazard analysis standard for thermal radiation intensity

根據(jù)模擬計算所得熱輻射強度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計不同氣象參數(shù)（溫度、相對濕度、風速）和物料溫度條件下1.58、4.73、6.31 kW/m2熱輻射等值線橫坐標最大值，即下風向熱輻射最遠距離，應(yīng)用IBM SPSS Statistics 軟件回歸分析法，可以得到：

式中：D1.58、D4.73、D6.31分別為1.58、4.73、6.31 kW/m2熱輻射等值線的橫坐標最大值，m；Tm為物料溫度，K；Vw為風速，m/s；TA為大氣溫度，K；URH為大氣相對濕度，無量綱。

根據(jù)擬合曲線和關(guān)鍵建模參數(shù)變化范圍，影響下風向熱輻射最遠距離的主要因素為風速，其次為大氣溫度、相對濕度，物料溫度對下風向熱輻射最遠距離的影響可忽略不計。

3 地面人員和設(shè)備設(shè)施安全性分析

3.1 下風向地面熱輻射強度分布

選擇大氣溫度-15 ℃、相對濕度10%、風速10 m/s 為氣象參數(shù)，模擬計算得到地面熱輻射強度隨下風向距離的變化趨勢（圖3）。下風向68 m 處熱輻射強度達到4.73 kW/m2，進入該范圍內(nèi)緊急作業(yè)不能超出規(guī)定時限（幾分鐘）；下風向58 m 處熱輻射強度達到6.31 kW/m2，進入該范圍內(nèi)緊急作業(yè)不能超出1 min。

圖3 下風向地面熱輻射強度分布Fig.3 Distribution of heat radiation intensity on the ground in downwind direction

3.2 地面人員、設(shè)備設(shè)施安全性分析

根據(jù)上述模擬計算結(jié)果，線路截斷閥室與放空立管距離不足68 m 時，熱放空時處于閥室內(nèi)的人員安全性受到影響?？紤]高風速下火焰向下傾斜，下風向熱輻射強度增大，熱輻射最遠距離增大，本文選擇大氣溫度-15 ℃、相對濕度10%、風速10 m/s 為氣象參數(shù)，結(jié)合放空系統(tǒng)最大運行熱輻射值相關(guān)規(guī)定和不同熱輻射強度可造成的損害[8]（表2），分析放空立管高度30、40、50 m 時熱放空對地面的熱輻射影響。

（1）放空立管30 m 時熱輻射強度計算與分析。放空立管高度為30 m 時，熱輻射影響范圍如圖4 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，熱輻射強度4.73 kW/m2的對地影響距離最遠為61 m。下風向5 m 高度處，熱輻射強度9.46 kW/m2的影響距離最遠為38 m；熱輻射強度12.5 kW/m2的影響距離最遠為20 m。該情況下，線路截斷閥室（距放空立管40 m）內(nèi)的人員安全性受到影響，設(shè)備設(shè)施不受影響。

（2）放空立管40 m 時熱輻射強度計算與分析。放空立管高度為40 m 時，熱輻射影響范圍如圖5 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，熱輻射強度4.73 kW/m2時對地影響距離最遠為51 m。熱輻射強度9.46 kW/m2和12.5 kW/m2在下風向的影響高度為10 m 以上。該情況下，線路截斷閥室內(nèi)人員需快速撤離。

（3）放空立管50 m 時熱輻射計算與分析。放空立管高度為50 m 時，熱輻射影響范圍如圖6 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，熱輻射強度4.73 kW/m2等值線與地面不相交。下風向30 m 處，4.73 kW/m2熱輻射等值線對應(yīng)縱坐標為1.9 m。9.46 kW/m2和12.5 kW/m2熱輻射等值線進一步遠離地面。該情況下，周邊人員不需撤離。

表2 不同熱輻射強度可造成的損害Tab.2 Damage caused by different heat radiation intensity

圖4 放空立管高度為30 m 時熱輻射影響范圍Fig.4 Thermal radiation range of blowdown stand pipe with the height of 30 m

圖5 放空立管高度為40 m 時熱輻射影響范圍Fig.5 Thermal radiation range of blowdown stand pipe with the height of 40 m

4 結(jié)論

（1）下風向熱輻射最遠距離的主要因素是風速，其次是大氣溫度和相對濕度，物料溫度的影響可忽略不計。風速直接影響火焰下風向傾角，風速越大時火焰越向地面傾斜，地面熱輻射強度越大。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇放空立管處于下風向、較低風速的情況下進行放空作業(yè)，減少火焰熱輻射對地面人員、建（構(gòu)）筑物和周邊環(huán)境的影響。

（2）基于DNVPHAST 軟件可模擬計算熱放空的最大熱輻射影響范圍，并用于確定放空立管高度以及放空立管與地面人員、設(shè)備設(shè)施的合理安全距離。高風速（風速10 m/s）氣象條件下，放空立管高度為40 m 時，熱輻射對10 m 以下設(shè)備設(shè)施不會造成影響；放空立管高度為50 m 時，地面人員不需要撤離。當征地比較困難的情況下，可考慮適當增加放空立管高度，減少對周圍人員、地面建（構(gòu)）筑物和設(shè)備設(shè)施的影響。

圖6 放空立管高度為50 m 時熱輻射影響范圍Fig.6 Thermal radiation range of blowdown stand pipe with the height of 50 m

（3）通過模擬計算和風險分析，天然氣緊急放空時要根據(jù)放空系統(tǒng)最大運行熱輻射值和不同熱輻射強度造成的損害確定熱放空影響范圍，并應(yīng)在應(yīng)急計劃中確定需要告知的相關(guān)部門、企業(yè)和疏散區(qū)域。

（4）天然氣放空質(zhì)量流量與管道壓力、放空閥（如限流孔板）喉徑面積等因素密切相關(guān)，放空質(zhì)量流量的變化將顯著影響熱輻射強度和影響范圍。因此，在停輸時間允許的前提下，可提前降低放空管段運行壓力，減小放空閥開度，以減小天然氣放空質(zhì)量流量。