長輸管道輸氣站場(chǎng)放空火炬形式及安全性

長輸管道輸氣站場(chǎng)放空火炬形式及安全性

通風(fēng)系統(tǒng)是該站重要的安全裝置之一。在這種情況下，重要的功能是，當(dāng)需要通風(fēng)的現(xiàn)場(chǎng)和長輸管道的壓力盡快轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域，以避免事故的蔓延和擴(kuò)大，并贏得修復(fù)的時(shí)間。因此,在輸氣站場(chǎng)設(shè)計(jì)中,放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要,尤其是放空系統(tǒng)的安全性和可靠性。一、火炬類型和支撐方法根據(jù)是否點(diǎn)火燃燒,輸氣站場(chǎng)放空系統(tǒng)型式可分為放空豎管(即冷放空)和放空火炬兩種型式。放空火炬在天然氣放空時(shí)能夠及時(shí)點(diǎn)火燃燒,不易形成爆炸性混合物,從這一方面來說,放空火炬則比放空豎管更安全。GB50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第4.0.8條規(guī)定:放空管放空量等于或者小于1.2×10放空火炬按照燃燒器是否遠(yuǎn)離地面可分為地面火炬和高架火炬。地面火炬具有占用防護(hù)區(qū)面積較小、維修方便、光污染、空氣污染、噪聲污染較小等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也具有投資大、處理量小、萬一不正常工作時(shí)有潛在蒸氣云聚集的危險(xiǎn)等缺點(diǎn)。截至目前,地面火炬在長輸管道輸氣站場(chǎng)放空系統(tǒng)中很少采用,采用的火炬型式最普遍的還是高架火炬。高架火炬按照火炬塔的支撐方法不同可分為自支撐式、繃?yán)K支撐式和塔式支撐式。自支撐式火炬塔一般是最符合要求,但其投資最大,一般限制火炬塔高為61m~92m;繃?yán)K支撐式火炬塔投資最小,但占地最大(典型的繃?yán)K半徑等于火炬塔總高的一半),目前已經(jīng)使用的繃?yán)K支撐式火炬塔最大高度可達(dá)245m;塔式支撐式火炬塔僅僅用于較大火炬塔且自支撐式無法實(shí)現(xiàn),或者可使用的區(qū)域排除了使用繃?yán)K設(shè)計(jì)的可能。目前,在長輸管道輸氣站場(chǎng)放空系統(tǒng)中使用最普遍的高架火炬主要是繃?yán)K支撐式和塔式支撐式。二、放空火炬主要最近安裝距離的確定放空豎管與天然氣站場(chǎng)的最近安裝距離按照GB50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第4.0.8條的規(guī)定執(zhí)行,與周邊設(shè)施、場(chǎng)所的最近安裝距離按照GB50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第4.0.4條表4.0.4的規(guī)定執(zhí)行。放空火炬與天然氣站場(chǎng)、周邊設(shè)施、場(chǎng)所的最近安裝距離應(yīng)經(jīng)輻射熱計(jì)算確定,輻射熱強(qiáng)度一般建議取值為1.58kW/m式中,R—受熱點(diǎn)至火炬筒的水平距離,m;τ—輻射系數(shù);F—?dú)怏w擴(kuò)散焰輻射率;任意給定一個(gè)D(火焰中心至受熱點(diǎn)的距離)值,根據(jù)輻射系數(shù)的計(jì)算公式,有:式中,r—大氣相對(duì)濕度,%;D—火焰中心至受熱點(diǎn)的距離,m。采用迭代計(jì)算、逐步收斂的方法,可以計(jì)算出火炬距離站場(chǎng)或周邊其他場(chǎng)所、設(shè)施的最近安裝距離。在不考慮風(fēng)速、火焰長度以及計(jì)算精度不高的情況(如可行性研究階段)下,也可按照SY/T10043-2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》第4.4.2.3.3條由Hajek和Ludwig推導(dǎo)的下述公式來確定火炬至必須限制輻射熱的暴露目標(biāo)之間需要的最小距離:式中符號(hào)與前述符號(hào)意義相同。三、緊急放空管壓差高、低壓放空同時(shí)排入同一管道系統(tǒng),若處置不當(dāng),可能發(fā)生事故。例如,四川氣田開發(fā)初期,某廠酸性氣體緊急放空管與DN100原料氣放空管相連并接入40m高的放空火炬,發(fā)生過原料氣與酸性氣體同時(shí)放空時(shí),由于原料氣放空量大、壓力高(4MPa),使緊急放空管壓力上升,造成酸性氣體系統(tǒng)壓力升高,致使酸性氣體水封罐防爆孔憋爆的事故。因此,當(dāng)高、低壓放空管壓差較大時(shí),分別設(shè)置是必要的。此外,高、低壓放空管分別設(shè)置往往還可以降低放空系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用,故大型站場(chǎng)宜優(yōu)先選擇這樣的放空系統(tǒng)。為簡(jiǎn)化流程,在某些情況下,高、低壓也可只設(shè)一個(gè)放空系統(tǒng)。例如,在高壓放空氣量較小或者高、低壓放空的壓差不大(如壓差為0.5~1.0MPa)時(shí),即可只設(shè)一個(gè)放空系統(tǒng)。但是,此時(shí)必須對(duì)可能同時(shí)排放的各放空點(diǎn)背壓進(jìn)行計(jì)算,使放空系統(tǒng)的壓降減少到不會(huì)影響各排放點(diǎn)安全排放的程度。根據(jù)美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《泄壓和減壓系統(tǒng)導(dǎo)則》APIRP521規(guī)定,在確定放空管系尺寸時(shí),應(yīng)使可能同時(shí)排放的各安全閥后的累積回壓限制在該安全閥定壓的10%左右。四、減少空氣滲透火炬塔的燒損在火炬工作的情況下,火焰前沿通常是在火炬塔的頂部。然而,在天然氣速度很低、氣流量很小的情況下,也即氣流速度低于燃燒速度時(shí),火焰焰峰有可能回入火炬內(nèi)部燃燒而發(fā)生“回火”;若速度更小,氣量更低,可能在火炬頂部發(fā)生空氣的返混,在火炬中形成爆炸混合物。相反,若天然氣的速度過大,火炬塔管頂端的火焰升到燒嘴之上與空氣湍流混合,會(huì)產(chǎn)生“離焰”,并發(fā)生嚴(yán)重的顫動(dòng)。若速度再增加,火焰會(huì)繼續(xù)上浮,將有火焰熄滅的危險(xiǎn),即產(chǎn)生“脫火”。試驗(yàn)表明:如果保持足夠的可燃?xì)怏w就能產(chǎn)生一個(gè)從地面上看得見的火焰,空氣進(jìn)入塔管內(nèi)與天然氣混合的情況通常很少出現(xiàn)。因此,為了安全的目的,需要在火炬預(yù)調(diào)試和隨后階段用不含氧氣的介質(zhì)連續(xù)吹掃火炬塔。預(yù)吹掃置換了火炬塔中存在的任何空氣,連續(xù)吹掃保證了在低流量條件操作期間空氣不能經(jīng)過火炬頭進(jìn)入火炬塔。為了減少防止空氣滲入火炬塔中所需要的連續(xù)吹掃的氣量,通常在火炬頭或低于火炬頭處設(shè)置兩種常見的機(jī)械密封,即滯止型密封(分子型密封)和速度型密封。滯止型密封利用吹掃氣和滲入空氣的分子質(zhì)量差來形成重力密封,從而防止空氣進(jìn)入火炬塔中;這種密封通常把經(jīng)過火炬頭的所要求的吹掃氣速度降低到0.25mm/s。速度型密封是一個(gè)錐形頭部障礙物,并帶有一個(gè)或者多個(gè)折流板,這些折流板迫使空氣離開火炬塔內(nèi)壁,在那里遇到集中的吹掃氣流并被沖出火炬頭;這種密封通常把經(jīng)過火炬頭的所要求的吹掃氣速度降低到0.50mm/s~1.00mm/s之間。需要注意的是,吹掃氣速度減小密封不是火焰阻火器,即它們不能阻止逆燃;它們被設(shè)計(jì)成能量保存裝置,目的是減少要求的吹掃氣流量,通過減少空氣滲入火炬塔的量來防止逆燃。滯止型密封與速度型密封相比,雖然可以把吹掃氣的速度降低到更小的數(shù)值,但是這個(gè)吹掃流量并不能防止火炬頭內(nèi)襯燒損,導(dǎo)致火炬頭壽命縮短,且這種燒損是隱蔽的。因此,大多數(shù)分子密封是以12.7mm/s的流速吹掃,保持火焰在火炬頭外部,以保證適當(dāng)?shù)幕鹁鎵勖?。帶有速度密封的火炬頭安裝在火炬頂部,在非常低的吹掃流量下可消除這種燒損。用來防止逆燃的還有阻火器。阻火器存在以下缺點(diǎn):一是阻火器容易堵塞,甚至在火炬系統(tǒng)內(nèi)形成障礙物;二是當(dāng)排出熱物質(zhì)之后緊跟著冷卻時(shí),空氣可能通過阻火器被抽進(jìn)火炬系統(tǒng)。因此,只有當(dāng)可燃?xì)怏w是無腐蝕性的干燥氣體而且沒有可凝固的液體時(shí)才推薦采用;否則,宜設(shè)置帶有爆破片的旁通放空管路,以防止阻火器堵塞之后放空系統(tǒng)憋壓?？刂苹鹁嫠怀霈F(xiàn)“脫火”現(xiàn)象的主要措施是控制火炬出口出的馬赫數(shù);馬赫數(shù)是指火炬出口處的排放氣體允許線速度與聲波在該氣體中的傳播速度的比值。馬赫數(shù)的選取可依據(jù)GB50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》條文說明第6.8.7條進(jìn)行選取:對(duì)站場(chǎng)發(fā)生事故,原料或產(chǎn)品氣體需要全部排放時(shí),按最大排放量計(jì)算,馬赫數(shù)可取0.5;單個(gè)裝置開、停工或者事故泄放,按需要的最大氣體排放量計(jì)算,馬赫數(shù)可取0.2。五、安全閥上、下游壓力比值l輸氣站場(chǎng)放空系統(tǒng)排放過程中產(chǎn)生的噪聲往往很大,距離大氣排放口30m處的噪聲強(qiáng)度可以近似按下式確定:L式中,LL(從圖1中查出的噪聲聲壓強(qiáng)度)—從圖1中查出的噪聲聲壓強(qiáng)度,dB;M—排放氣體的質(zhì)量流量,kg/s;C—聲音在排放氣體中的速度,m/s。式中,k—?dú)怏w的絕熱指數(shù);T—?dú)怏w溫度,K;L值可通過安全閥上、下游壓力比值由圖1查出。距離大氣排放口為r處的噪聲強(qiáng)度按下式計(jì)算:式中,LL通過上述計(jì)算,即可根據(jù)GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》第4.1.1條規(guī)定的工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放限值以及GBJ87-85《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.0.1條規(guī)定的工業(yè)企業(yè)廠區(qū)內(nèi)各類地點(diǎn)噪聲標(biāo)準(zhǔn)來確定噪聲排放是否超標(biāo),從而進(jìn)一步確定是否需要采取降噪措施。六、放空火炬的選擇1.在GB50183-2004等設(shè)計(jì)規(guī)范中,并未對(duì)輸氣站場(chǎng)設(shè)置放空火炬、放空豎管作出明確規(guī)定。鑒于放空火炬可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火放空,降低火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn),建議輸氣站場(chǎng)放空系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選用放空火炬。地面火炬雖然檢修方便、占地小等優(yōu)點(diǎn),但國內(nèi)應(yīng)用不多,建議選用高架火炬。2.火炬塔底部電氣設(shè)備、管線等應(yīng)具有防熱輻射保護(hù)能力,避免緊急放空時(shí),對(duì)設(shè)