天然氣處理廠放空系統(tǒng)運行安全分析及對策

天然氣處理廠放空系統(tǒng)運行安全分析及對策

吉林天然氣處理廠負責靖邊氣田第二凈化廠、蘇里格氣田第二處理廠、子洲-米脂氣田和吉林氣田-4號區(qū)域的氣處理和傳輸。通過陜西省和中央天然氣1號和2號線向北京和周邊地區(qū)供應天然氣。從長遠來看，它是中國北方天然氣田的中心和喉嚨。從2001年建設至今,隨著榆林氣田南區(qū)、子洲米脂氣田的不斷開發(fā),集氣規(guī)模的不斷擴大,目前榆林處理廠的集氣規(guī)模達到60億立方米/年。榆林天然氣處理廠現(xiàn)有放空火炬為2001年建設第二集配氣總站時的配套設施,設計放空能力按照第二凈化廠20億立方米/年來氣設計,一直沿用至今,未進行改造,其放空能力已不能滿足目前集氣規(guī)模60億立方米/年的放空需要。為此,通過對放空工藝系統(tǒng)進行全面分析,提出優(yōu)化完善措施。1天然氣處理廠的通風系統(tǒng)現(xiàn)狀1.1中壓系統(tǒng)系統(tǒng)概況(1)榆林天然氣處理廠按功能分為三大部分,分別是天然氣處理系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)。目前集配氣區(qū)集氣規(guī)模為60億立方米/年,由三個集氣單元構(gòu)成,分別匯集25億立方米/年的第二凈化廠來氣、20億立方米/年的榆林南區(qū)來氣、15億立方米/年的子洲-米脂氣田來氣,三個系統(tǒng)均為中壓系統(tǒng);(2)榆林天然氣處理廠火炬來氣為天然氣處理系統(tǒng)、集配氣區(qū)、凝析油穩(wěn)定裝置、自用氣系統(tǒng)天然氣及丙烷壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)放空丙烷,放空系統(tǒng)工藝流程(見圖1)。①天然氣處理系統(tǒng)主要由2套天然氣脫油脫水裝置組成,主要設備有氣體過濾分離器、冷箱、LD分液器、滿液蒸發(fā)器、三相分離器等。該系統(tǒng)為中壓系統(tǒng),運行壓力4.0～4.7MPa,氣體預過濾器安全閥整定壓力4.95MPa。天然氣處理裝置前設有定壓放空系統(tǒng),天然氣處理裝置超壓時閥門自動打開,進行放空;②凝析油穩(wěn)定裝置工作壓力0.3MPa,安全閥整定壓力0.5MPa,放空管線規(guī)格Φ114×5,直接連接至火炬;③丙烷循環(huán)制冷系統(tǒng)儲罐工作壓力1MPa,安全閥整定壓力2.07MPa,放空管線直接連接在天然氣處理裝置放空總管上;④自用氣系統(tǒng)安全閥整定壓力0.4MPa,放空管線連接至集配氣區(qū)放空總管。1.2中壓、低壓系統(tǒng)運行壓力榆林天然氣處理廠按照壓力可劃分中壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng),其中天然氣處理裝置、集配氣單元運行壓力在4.0～5.4MPa,為中壓系統(tǒng)。自用氣系統(tǒng)、丙烷系統(tǒng)、凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)運行壓力在2MPa以下,為低壓系統(tǒng)。目前廠內(nèi)高壓放空系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)共用放空總管。1.3輸氣管道與凈化廠同時放空放空總管規(guī)格為Φ377×10mm,火炬直徑為426mm,高40m。建設時滿足第二凈化廠至榆林第二集配氣總站輸氣管道(設計輸氣量20×10設計院關(guān)于上述設計分析如下:(1)第二凈化廠至榆林第二集配氣總站輸氣管道與榆林凈化廠同時放空可能性:只有當下游兩個用戶(陜京一線、陜京二線)發(fā)生重大事故或其它重大自然災害,切斷進氣閥門,兩個系統(tǒng)需要同時放空,幾率很少;(2)第二凈化廠至榆林天然氣處理廠配氣區(qū)輸氣管道沿線設有閥室,放空管為φ219,榆林天然氣處理廠天然氣處理裝置區(qū)已設調(diào)壓放空系統(tǒng),根據(jù)壓力高低控制放空量,此外當輸氣管道與凈化廠同時放空時,為減少凈化廠火炬放空量,可利用榆林南區(qū)干線(4條)起點放空管(4座φ159,設點火設施)和中間閥室放空管(1座φ159)同時配合放空。根據(jù)以上分析,從節(jié)約投資角度,利用已建火炬放空,火炬為φ426,火炬口流速約200m/s,約0.5馬赫,符合規(guī)范要求。低壓放空與高壓放空采用捆綁式連接到火炬頭。2開放系統(tǒng)的安全分析2.1火的釋放功能分析2.1.1現(xiàn)有定壓放空系統(tǒng)放空壓力計算按照要求,放空天然氣速度最大馬赫數(shù)不能超過0.7,否則容易發(fā)生湍流造成放空管線及火炬抖動,發(fā)生安全事故。馬赫數(shù)計算公式:式中:M—馬赫數(shù);W—泄放量,kg/s;P—大氣壓力,取10A—橫截面積,mZ—氣體壓縮因子,取0.9;R—通用氣體常數(shù),取8314J/(kmol·K);T—天然氣溫度,K;K—絕熱系數(shù),取1.3;M(1)根據(jù)此公式選取放空天然氣馬赫數(shù)0.7,反算求得W=26kg/s,折算為279×10由于天然氣處理系統(tǒng)有定壓放空裝置,泄壓時應首先考慮通過定壓放空系統(tǒng)放空。針對定壓系統(tǒng)放空,其它區(qū)域不放空計算放空管網(wǎng)各節(jié)點壓力。①天然氣放空管道內(nèi)徑與管段的當量長度計算(見表2);②計算fL/d,通過查圖4求得放空管段出口壓力與入口壓力之比,計算管段各點壓力③計算管段出口處馬赫數(shù)和fL/D,根據(jù)圖4查得P④通過計算可以得出E點壓力為0.05MPa,因為凝析油穩(wěn)定裝置放空點距離E點無天然氣流動,即處于平衡狀態(tài),因此凝析油穩(wěn)定裝置安全閥背壓為0.05MPa,同理可求得自用氣系統(tǒng)、集配氣區(qū)等區(qū)域安全閥背壓,計算結(jié)果(見表5)。根據(jù)彈簧式安全閥的泄放要求,背壓應小于安全閥整定壓力的十分之一,自用氣和丙烷循環(huán)制冷系統(tǒng)安全閥背壓皆不符合要求。2.1.2當前火炬安全獲釋量的計算公式選擇170×10通過計算,以170×102.1.3管道壓裂率計算2.1.3.上游正常輸氣量的調(diào)整米脂610管線來氣在進站處設有氣動球閥,當出現(xiàn)緊急情況時,迅速切斷該管線來氣,按照上游正常輸氣量計算這兩條管線升壓速率(見表7)。由表7可以看出,切斷子米來氣緊急截斷閥,Φ610管線在30min內(nèi)的最大升壓值為0.93MPa,管線的最大壓力達到5.33MPa,低于設計壓力6.4MPa。2.1.3.管網(wǎng)及玉林天然氣處理廠壓力上升速率(1)因Φ610管線進站有氣動球閥,可以在較短時間內(nèi)關(guān)閉,而二凈來氣及榆林南區(qū)各干線來氣關(guān)閉需花費較長時間,預計接到通知到關(guān)閉需要10min,計算此段時間管網(wǎng)及榆林天然氣處理廠壓力上升速率。由計算可得,總體升壓速率0.03MPa/min,10min后管網(wǎng)平均壓力上升0.3MPa,此時榆林南區(qū)管網(wǎng)壓力最高5.94MPa,20min后壓力升高至6.24MPa,接近設計最高工作壓力6.4MPa。2.2放空能力不足,放空系統(tǒng)面臨安全隱患長北合作區(qū)來氣、大牛地氣田來氣、蘇里格氣田來氣、子米氣田及榆林南區(qū)氣田來氣都通過陜京二線輸送。陜京二線壓縮機功率較大,如果運行中的1臺壓縮機出現(xiàn)故障停運,備用壓縮機不能及時啟用,由于氣量大,為保證榆林壓氣站不憋壓,必須切斷各路來氣量1200×10(1)火炬放空能力不足,現(xiàn)有火炬按照20億立方米/年設計,最大安全放空量僅能達到170×10(2)在用火炬高度偏低,距離公路較近,放空時因燃燒不全造成嚴重的油雨、火雨等污染,且產(chǎn)生的熱輻射危及到地面草場和莊稼地,甚至影響到附近500m左右的長北天然氣處理廠及其堆料場,存在安全隱患。且火炬設計為簡易型,只有攀爬梯,無保護設施,維修極不方便和安全;(3)中低壓放空系統(tǒng)共用火炬,存在安全隱患。自用氣系統(tǒng)和丙烷壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)(分別為0.4MPa、1.0MPa),其放空口就近接入中壓放空總管(4.7MPa),在放空氣量較大時,放空壓力可能超過放空安全閥背壓,導致竄入低壓系統(tǒng);(4)由于凝析油穩(wěn)定裝置放空管線直接入放空火炬底部,在放空管線再次冷凝下來的凝析油,大量沉降在火炬中,并串入中壓放空管線內(nèi),造成整個站內(nèi)管網(wǎng)留存較多的凝析油,對運行和檢維修及動火置換造成較大影響。3開放系統(tǒng)的技術(shù)準備3.1啟動系統(tǒng)的改革3.1.1放空管線接入(1)建立獨立的低壓放空系統(tǒng),在廠內(nèi)鋪設低壓放空總管,將自用氣放空管線、丙烷系統(tǒng)放空管線和凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)放空管線接入低壓放空總管,低壓放空總管接入已建的閃蒸分液罐進口;(2)改造凝析油穩(wěn)定裝置至原火炬管線,將管線接到閃蒸排污分液罐出口,使其成為低壓放空管線的一部分。3.1.2放空管線dn330原高壓放空流程為脫油脫水裝置放空總管(DN350)與二配高壓放空管線(DN350)在距原火炬約65m處會合于DN350的管線。隨著放空量的增加,為減少放空過程中天然氣對管線的沖擊,保證管線安全,將此DN350管線至新火炬管線改為DN650。3.1.3火炬系統(tǒng)配置拆除原火炬,新建塔架式結(jié)構(gòu)火炬,設高、低壓放空火炬,高壓火炬與低壓放空火炬捆綁。配套建成相應的高、低壓點火、保護及控制等系統(tǒng)。新建中低壓火炬規(guī)格尺寸計算如下:3.1.3.高壓放空系統(tǒng)清管區(qū)(閥前壓力4.0～5.0MPa)、集氣區(qū)(閥前壓力閥前壓4.0～5.0MPa)和配氣區(qū)(閥前壓力4.0～5.0MPa)、脫水脫油區(qū)緊急放空時排入高壓放空系統(tǒng)。榆林處理廠有兩套脫水脫油裝置,單套裝置正常處理量為300×10火炬放空量按照榆林天然氣處理廠總體規(guī)模(20×103.1.3.火炬筒出口內(nèi)壓值k根據(jù)《石油和天然氣工程設計防火規(guī)范》和《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》,計算公式如下:式中:d—筒出口直徑,m;W—氣質(zhì)量流率,kg/s;m—馬赫數(shù);T—排放氣體溫度,K;K—排放氣體絕熱系數(shù);M—排放氣體平均相對分子質(zhì)量;P—筒出口內(nèi)側(cè)壓力,kPa(絕壓)?；鹁嫱渤隹趦?nèi)側(cè)壓力比出口處的大氣壓略高。簡化計算時,可近似為等于該處的大氣壓?？砂聪率接嬎?式中:PV—氣體流速,m/s;W=44.10617kg/sm=0.5T=283KK=1.3M=17.8154P=90.7kPa經(jīng)計算:D=0.62825944m火炬的筒徑取DN6503.1.3.火焰長度計算火焰釋放的總熱量按下式計算:式中:Q—火炬釋放的總熱量,kW;HHL=33.5kJ/kgW=44.10617kg/s經(jīng)計算:Q=2349652.77kW?；鹧骈L度隨火炬釋放的總熱量變化而變化?；鹧骈L度L可按圖4確定。查圖得:火焰長度為75m。風會使火炬傾斜,并使火焰中心位置改變。風對火焰在水平和垂直方向上的偏移影響,火焰中心與火炬筒頂?shù)拇怪本嚯xYC與水平距離XC按下列公式計算:查圖5得:經(jīng)計算:Y3.1.3.a輻射系數(shù)火炬筒高度按下列公式計算:式中:H—火炬筒高度,m;Q—火炬釋放總熱量,kW;F—輻射率,可根據(jù)排放氣體的主要成分取值;q—允許熱輻射強度,kW/mYR—受熱點至火炬筒的水平距離,m;h—受熱點至火炬筒下地面的垂直高差,m;τ—輻射系數(shù),該系數(shù)與火焰中心至受熱點的距離及大氣相對濕度、火焰亮度等因素有關(guān),對明亮的烴類火焰,當上述距離為30～150m,可按下式計算輻射系數(shù):式中:r—大氣相對濕度,%;D—火焰中心至受熱點的距離,m;r=50%,D=170m,經(jīng)計算τ=0.9886將τ=0.9886F=0.232Q=2349652.778kWY代入火炬高度計算公式可得:H=63.24m,取65m根據(jù)核算,新中壓火炬高度為65m,公稱直徑DN650,低壓火炬高度65m,同理計算低壓火炬公稱直徑DN100。3.1.3.5.安裝后的背壓計算改造后中壓系統(tǒng)按照25.3×103.2來氣管線設置(1)第二凈化廠、米脂處理廠來氣進站區(qū)改造。①第二凈化廠、米脂處理廠來氣管線分別設置DN650、DN600氣動緊急切斷閥;②第二凈化廠、米脂處理廠來氣管線分別設置DN650、DN600氣動球閥作為越站旁通;③第二凈化廠、米脂處理廠來氣管線緊急截斷閥前設置DN100放空流程。(2)東干線、西干線、南一干線、南二干線進站區(qū)改造。(下轉(zhuǎn)第79頁)①東干線、西干線、南一干線、南二干線來氣管線設置氣動緊急切斷閥;②東干線、西干線、南一干線、南二干線來氣管線增加手動越站旁通;③東干線、西干線、南一干線、南二干線氣管線緊急截斷閥前設置DN80放空流程。(3)榆林配氣站1016管線增設越站旁通。3.3增設氣動緊急放空系統(tǒng)(1)在榆川公司外輸管線上新增DN200氣動緊急切斷閥,利用原有閥體增加氣動執(zhí)行機構(gòu)在陜京一線、陜京二線外輸管線上分別設置DN450、DN700的氣動緊急切斷閥;(2)在陜京一線、陜京二線原放空管線分別增加DN80、DN100定壓放空系統(tǒng);(3)在匯