輸氣站放空火炬熱輻射影響與安全距離研究

李新建

國家管網(wǎng)集團西氣東輸公司合肥輸氣分公司

天然氣分輸站放空系統(tǒng)用于生產(chǎn)設(shè)備在維檢修和應(yīng)急狀態(tài)時，對需緊急泄放的天然氣進(jìn)行高空排放或燃燒，以保證輸氣站場的安全。輸氣站放空分為熱放空和冷放空兩種形式：點火燃燒放空天然氣稱為熱放空；不點燃放空天然氣，把天然氣直接排放到大氣稱為冷放空。絕大部分站場的放空系統(tǒng)具備熱放空條件，個別站場由于條件所限，只設(shè)放空立管，無點火裝置，只能冷放空。熱放空過程會產(chǎn)生大量的熱輻射，可能會對周圍的操作人員、設(shè)備、樹木、建筑物帶來嚴(yán)重的損害；因此，需要計算放空火炬熱輻射的安全距離，避免熱放空對放空區(qū)周邊的人員、設(shè)備和建筑物造成傷害[1]。

1 熱輻射及其影響因素分析

氣體燃燒是在一定條件下，可燃成分與氧氣發(fā)生激烈的氧化反應(yīng)，并伴隨發(fā)光、放熱。天然氣熱放空時，一般放空量很大，會呈現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象，產(chǎn)生炭黑并形成發(fā)光火焰?；鹧娴妮椛渖渚€投射到其他物體上，部分穿透物體，部分被反射，還有一部分被吸收。天然氣火焰中具有輻射能力的是CO2、水蒸氣、NOx等氣體，以及炭黑粒子。炭黑粒子的存在大大提高了輻射強度，火焰射線形成超過3 m，熱輻射可簡化為黑體輻射。根據(jù)Stefan-Boltzmann 定律，黑體表面單位面積輻射出的總功率與黑體本身的熱力學(xué)溫度的四次方成正比，溫度升高會極大提高輻射強度。

放空天然氣射流燃燒屬于非預(yù)混擴散噴射火焰，對周邊人員、設(shè)備和環(huán)境的危害，主要來源于火焰燃燒的熱量傳遞，熱傳遞包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種方式，熱輻射起主要作用[2]。熱輻射與火焰溫度、燃燒介質(zhì)組分，以及輻射特征、環(huán)境介質(zhì)的輻射吸收與散射、輻射層有效厚度相關(guān)，燃燒介質(zhì)的輻射、散射能力與其輻射波長相關(guān)[3]。

1.1 熱輻射強度要求

安全熱輻射強度是指人員、設(shè)備在沒有防護情況下，能長時間、安全承受的最大熱輻射。國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范沒有對熱放空影響范圍給出明確規(guī)定，要求熱放空影響范圍應(yīng)根據(jù)安全熱輻射強度計算。國內(nèi)的兩個重要規(guī)范GB 50183—2015《原油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》、SB 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，都參考了美國石油協(xié)會API 521—2020《泄壓和減壓系統(tǒng)》推薦的安全熱輻射值。

SB 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》將4 kW/m2作為人員可以接受的熱輻射上限，超過該熱輻射強度的區(qū)域內(nèi)人員可能存在燒傷風(fēng)險；將12.5 kW/m2作為設(shè)備可以承受的熱輻射上限，超過該熱輻射強度會對設(shè)備造成損傷；將37.5 kW/m2作為嚴(yán)格禁止區(qū)[4]。

1.2 熱輻射范圍影響因素

放空燃燒火焰對周圍的影響過程復(fù)雜，受放空速率、風(fēng)速、風(fēng)向、放空火炬出口直徑與高度、障礙物等因素的影響[5]。

（1）放空速率。放空速率與放空壓力和閥門開度有關(guān)，熱輻射強度和影響范圍隨放空速率變大而變大，放空火焰的長度也越大。當(dāng)放空速率逐漸增大時，火炬噴射的燃料較多，燃料上升到一定高度才被完全燃燒；因此，火焰越來越長，在近地面產(chǎn)生的熱輻射強度等值線圖越來越趨于中心對稱分布，風(fēng)對火焰的傾斜角度和熱輻射強度分布的影響越來越小[6]。

（2）風(fēng)速、風(fēng)向。風(fēng)速會加快天然氣與空氣之間熱量和物質(zhì)的交換，加劇燃燒，同時還會使火焰傾斜；下風(fēng)向熱輻射強度明顯大于上風(fēng)向，下風(fēng)向地面熱輻射強度隨著與火炬地面距離增加，而先增大后減小。相同條件下，地面熱輻射強度隨風(fēng)速增強而變大。

（3）火炬出口直徑與高度。火炬出口直徑會直接影響放空氣體的流量，進(jìn)而引起燃燒熱量和熱輻射范圍的變化?；鹁娉隹谥睆皆酱?，熱輻射影響范圍越大，最大熱輻射強度值出現(xiàn)的位置與火炬的距離也越大；火炬越高，熱輻射對地面的影響范圍越?。坏?，增加火炬口徑和高度，會增加放空區(qū)的征地范圍和火炬采購成本。

（4）障礙物。由于長輸天然氣管道站場閥室放空區(qū)附近可能有山體、樹林、建筑物等障礙物，會影響熱輻射的分布。熱輻射主要聚集在障礙物上方，障礙物頂部更易因高強度熱輻射而發(fā)生事故。隨著障礙物與火炬間距増加，障礙物迎風(fēng)面的熱輻射影響區(qū)域變大、強度變小。

2 放空形式分析與風(fēng)險控制措施

熱輻射對放空區(qū)周邊人員、設(shè)備、植物及建筑物構(gòu)成威脅，熱放空作業(yè)時需注意下風(fēng)向的易燃易爆物、高大樹木、較高的山體或者建筑物。熱放空作業(yè)前，需根據(jù)模擬或者計算得到的熱放空安全距離，砍伐該范圍內(nèi)的樹木，轉(zhuǎn)移可燃物，在安全距離的基礎(chǔ)上加上裕量，設(shè)置警戒線，疏散居民，防止無關(guān)人員進(jìn)入警戒區(qū)。山體、障礙物迎風(fēng)面和頂部的熱輻射強度值很大，尤其需要加強安全防范措施和警戒范圍。

冷放空不存在熱輻射問題，安全半徑僅為相同條件下熱放空的20%～40%。近年來，西氣東輸公司越來越多地采用冷放空形式泄放天然氣。冷放空時，當(dāng)大氣中天然氣濃度低于爆炸濃度下限時，無燃燒爆燃風(fēng)險，對地面沒有直接影響。但是，大氣中天然氣濃度不易準(zhǔn)確測量，特定條件下可燃?xì)怏w聚集遇明火會爆燃，形成后果嚴(yán)重的沖擊波和熱輻射。冷放空時也應(yīng)建立警戒區(qū)，防范煙花爆竹、孔明燈等意外火源，避免雷電天氣。天然氣主要組分CH4對遠(yuǎn)紅外輻射的吸收比CO2更強烈，溫室效應(yīng)約是CO2的16倍，因此冷放空對環(huán)境保護具有不利因素[7]。

3 熱放空安全距離計算

熱放空安全距離是指人體或設(shè)備與火炬所保持的水平半徑，在此半徑下能安全承受的最大輻射熱。根據(jù)運行經(jīng)驗及工程慣例，輸氣站放空系統(tǒng)計算僅考慮緊急放空的極端工況。緊急放空是指當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、爆炸、較大泄漏等嚴(yán)重危害安全生產(chǎn)事故時，觸發(fā)ESD（緊急停車系統(tǒng)）的情況，需將輸氣站管存天然氣快速放空。其特點是發(fā)生頻率低、持續(xù)時間短、瞬時流量大、過程不可控[8]。在進(jìn)行放空系統(tǒng)計算時，一般遵循GB50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》和美國石油協(xié)會API 521—2020《泄壓和減壓系統(tǒng)》的要求，按照15 min 內(nèi)把輸氣站壓力降至690 kPa 或降至50%的設(shè)計壓力（取較低值）計算安全距離、設(shè)計放空系統(tǒng)[9]。

合肥北站2019 年建成投產(chǎn)，主要功能是接收上游來氣，經(jīng)站內(nèi)過濾、計量、調(diào)壓后給下游用戶分輸供氣。以西氣東輸合肥北站為例，計算緊急熱放空的安全距離。合肥北站放空系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 合肥北站放空系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Venting system parameters of Hefei North Station

放空火炬出口天然氣流量由最大放空量確定。合肥北站全站放空物理管容為75 m3，最大運行壓力為設(shè)計壓力10 MPa（實際放空時可選運行壓力）。緊急放空時，按照15 min 內(nèi)將站內(nèi)設(shè)備的壓力降至690 kPa 計算，10 MPa 時管存天然氣為7 835 m3（標(biāo)況，是指在0攝氏度1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積，下同），690 kPa時管存天然氣為516 m3，15 min 內(nèi)放空天然氣7 319 m3，火炬出口天然氣體積流量Qv為8.13 m3/s。

3.1 單點源模型安全距離計算

單點源模型是指將火炬的出口到火焰的頂端距離的1/3處的一個點視為火源[10-11]，將火焰燃燒產(chǎn)生的全部熱量視為從這個點發(fā)出。單點源模型安全距離見圖1。

圖1 單點源模型安全距離示意圖Fig.1 Schematic diagram of safe distance of single point source model

單點源模型熱輻射量的計算方法如下：

式中：I為輻射點源對目標(biāo)點處的熱輻射量，kW/m2；η為燃燒效率因子，噴射火焰取0.35；Xg為大氣穿透因子，噴射火焰取0.2；Qv為放空氣體的體積流量，m3/s；HL為燃?xì)獾臉?biāo)況低位發(fā)熱值，天然氣取36 533 kJ/m3；D為輻射點源到目標(biāo)點的距離，m。

根據(jù)API 521—2020《泄壓和減壓系統(tǒng)》，人體長期暴露無不適感的熱輻射量取1.58 kW/m2；根據(jù)SH 3009—2001《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，太陽熱輻射均值取0.93 kW/m2；火焰安全熱輻射量取上述二者的差值0.65 kW/m2。

由式（1）求解得出D為50.5 m。根據(jù)SB3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，按照120 倍的火炬出口直徑Df近似計算，火焰長度L=120×0.25 m=30 m。火焰中心即輻射點源位置取火焰長度的1/3處，火炬高度H加火焰長度L的1/3為輻射點源距離地面高度（25 m）；再根據(jù)勾股定理可求出放空火炬的安全距離R為43.9 m，取44 m。

3.2 輻射熱強度模型安全距離計算

輻射熱強度是指單位時間內(nèi)單位面積所受到的熱輻射量。不同的輻射熱強度下，人所能耐受的時間也不同。由圖2 可知，輻射熱強度在1.5 以下時，曲線趨向于水平，人可以長時間耐受，以此輻射熱強度作為確定放空火炬高度或安全距離的標(biāo)準(zhǔn)[12]。因此，人可以長時間耐受的輻射熱強度為6.27×103kJ/(m2·h)。輻射熱強度模型安全距離見圖3。

圖2 人體耐受時間與輻射熱強度關(guān)系Fig.2 Relationship between human tolerable time and radiant heat intensity

圖3 輻射熱強度模型安全距離示意圖Fig.3 Schematic diagram of safe distance of radiant heat intensity model

輻射熱強度計算公式如下：

式中：q為輻射熱強度，取6.27×103kJ/(m2·h)；ε為火焰輻射率；Q為火焰的總發(fā)熱量，Q=QvHL，kJ/h。

其中火焰輻射率ε 的經(jīng)驗計算公式[13]為：ε=，M為相對分子質(zhì)量，天然氣取16.654，因此天然氣的火焰輻射率為0.2。對于合肥北站，依據(jù)Q為1.07×109kJ/h 計算，可以得出D為52.1 m；合肥北站放空火炬高度H為15 m（不考慮火焰的高度）；再根據(jù)勾股定理可求出放空火炬的安全距離R為49.9 m，取50 m。

3.3 考慮環(huán)境因素的單點源模型分析

風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、溫度等環(huán)境因素會影響熱放空的火焰形狀，進(jìn)而影響熱放空安全距離（圖4）。受到風(fēng)速、風(fēng)向的影響，火焰會產(chǎn)生偏移，長度也會變化。對于火焰長度L的計算，需要考慮環(huán)境溫度、天然氣射流速度、馬赫數(shù)等因素；對于火焰中心水平偏移距離ΔX、垂直偏移距離ΔY的計算，需要根據(jù)當(dāng)天的環(huán)境風(fēng)速與天然氣射流速度的比值，查詢工程數(shù)據(jù)手冊（石油工業(yè)出版社1987年第10版）；為了更加精確計算安全距離，還需要進(jìn)一步計算火焰的升空距離B?？紤]環(huán)境因素的單點源模型計算過程較為復(fù)雜，計算結(jié)果小于單點源模型但更加精確，二者相對誤差15%左右；與輻射熱強度模型計算結(jié)果的相對誤差為30%。涉及環(huán)境因素的單點源模型多用于工程設(shè)計領(lǐng)域的精確計算。

圖4 考慮環(huán)境因素的單點源模型輻射示意圖Fig.4 Schematic diagram of radiation of single point source model considering environmental factors

4 結(jié)論

天然氣熱放空的速率、風(fēng)速、風(fēng)向、放空火炬高度等因素，直接影響火炬熱輻射的安全距離。放空作業(yè)中，要考慮到上述因素的影響，調(diào)整警戒布控范圍。輸氣站熱放空操作前計算熱輻射的安全距離，可以給操作人員采取安全措施、確定警戒范圍提供依據(jù)，避免對放空區(qū)周邊人員、設(shè)施造成傷害。

輻射熱強度模型安全距離計算結(jié)果偏保守，單點源模型安全距離計算結(jié)果相對準(zhǔn)確，這兩種計算方法都非常簡單，可供一線生產(chǎn)人員便捷使用?？紤]環(huán)境因素的單點源模型計算方法，其計算結(jié)果更加精確，但計算過程非常復(fù)雜。

合肥北站放空火炬距離站內(nèi)工藝設(shè)備50 m，距離附近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施120 m，距離附近高鐵線路180 m，均符合熱輻射安全距離的要求。