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(zé)任公司西部分公司

3中石油管道有限責(zé)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(diǎn)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(diǎn)火裝置和火炬頭，常用于線路截?cái)嚅y室和無人值守站場。隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴(yán)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(fēng)險(xiǎn)關(guān)注點(diǎn)。本文以線路截?cái)嚅y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(qiáng)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(yùn)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(fēng)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(fēng)速，1 m/s、10 m/s。低風(fēng)速選取1 m/s 為研究對象，高風(fēng)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(jì)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(biāo)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(qiáng)度計(jì)算及影響因素分析

2.1 典型場景熱輻射計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)強(qiáng)度，確定放空立管點(diǎn)火后熱輻射強(qiáng)度影響的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表1），劃定熱輻射等值線。

選取大氣溫度-15 ℃、相對濕度10%，風(fēng)速1 m/s 和10 m/s，以風(fēng)向?yàn)闄M坐標(biāo)，放空立管中心線為縱坐標(biāo)，模擬計(jì)算得到放空立管熱輻射強(qiáng)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(diǎn)的坐標(biāo)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(biāo)最大值分別為116 m、69 m、61 m，圖2 中對應(yīng)的橫坐標(biāo)最大值為123 m、78 m、71 m，且均位于下風(fēng)向。對比圖1、圖2 可發(fā)現(xiàn)，下風(fēng)向比上風(fēng)向熱輻射影響距離更遠(yuǎn)；風(fēng)速直接影響熱輻射等值線傾角，風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速1 m/s 時熱輻射強(qiáng)度Fig.1 Heat radiation intensity at wind speed of 1 m/s

圖2 風(fēng)速10 m/s 時熱輻射強(qiáng)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(fēng)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(qiáng)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(qiáng)度和影響范圍隨之增加，對地面造成的熱輻射強(qiáng)度也相應(yīng)增加?？紤]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(fēng)向熱輻射距離的影響。

表1 熱輻射強(qiáng)度危險(xiǎn)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Hazard analysis standard for thermal radiation intensity

根據(jù)模擬計(jì)算所得熱輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)不同氣象參數(shù)（溫度、相對濕度、風(fēng)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(biāo)最大值，即下風(fēng)向熱輻射最遠(yuǎn)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(biāo)最大值，m；Tm為物料溫度，K；Vw為風(fēng)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(fēng)向熱輻射最遠(yuǎn)距離的主要因素為風(fēng)速，其次為大氣溫度、相對濕度，物料溫度對下風(fēng)向熱輻射最遠(yuǎn)距離的影響可忽略不計(jì)。

3 地面人員和設(shè)備設(shè)施安全性分析

3.1 下風(fēng)向地面熱輻射強(qiáng)度分布

選擇大氣溫度-15 ℃、相對濕度10%、風(fēng)速10 m/s 為氣象參數(shù)，模擬計(jì)算得到地面熱輻射強(qiáng)度隨下風(fēng)向距離的變化趨勢（圖3）。下風(fēng)向68 m 處熱輻射強(qiáng)度達(dá)到4.73 kW/m2，進(jìn)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(fēng)向58 m 處熱輻射強(qiáng)度達(dá)到6.31 kW/m2，進(jìn)入該范圍內(nèi)緊急作業(yè)不能超出1 min。

圖3 下風(fēng)向地面熱輻射強(qiáng)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(jì)算結(jié)果，線路截?cái)嚅y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(fēng)速下火焰向下傾斜，下風(fēng)向熱輻射強(qiáng)度增大，熱輻射最遠(yuǎn)距離增大，本文選擇大氣溫度-15 ℃、相對濕度10%、風(fēng)速10 m/s 為氣象參數(shù)，結(jié)合放空系統(tǒng)最大運(yùn)行熱輻射值相關(guān)規(guī)定和不同熱輻射強(qiáng)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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度4.73 kW/m2的對地影響距離最遠(yuǎn)為61 m。下風(fēng)向5 m 高度處，熱輻射強(qiáng)度9.46 kW/m2的影響距離最遠(yuǎn)為38 m；熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2的影響距離最遠(yuǎn)為20 m。該情況下，線路截?cái)嚅y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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度4.73 kW/m2時對地影響距離最遠(yuǎn)為51 m。熱輻射強(qiáng)度9.46 kW/m2和12.5 kW/m2在下風(fēng)向的影響高度為10 m 以上。該情況下，線路截?cái)嚅y室內(nèi)人員需快速撤離。

（3）放空立管50 m 時熱輻射計(jì)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(qiáng)度4.73 kW/m2等值線與地面不相交。下風(fēng)向30 m 處，4.73 kW/m2熱輻射等值線對應(yīng)縱坐標(biāo)為1.9 m。9.46 kW/m2和12.5 kW/m2熱輻射等值線進(jìn)一步遠(yuǎn)離地面。該情況下，周邊人員不需撤離。

表2 不同熱輻射強(qiáng)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(fēng)向熱輻射最遠(yuǎn)距離的主要因素是風(fēng)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(jì)。風(fēng)速直接影響火焰下風(fēng)向傾角，風(fēng)速越大時火焰越向地面傾斜，地面熱輻射強(qiáng)度越大。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇放空立管處于下風(fēng)向、較低風(fēng)速的情況下進(jìn)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(jì)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(fēng)速（風(fēng)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(dāng)征地比較困難的情況下，可考慮適當(dāng)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(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)分析，天然氣緊急放空時要根據(jù)放空系統(tǒng)最大運(yùn)行熱輻射值和不同熱輻射強(qiáng)度造成的損害確定熱放空影響范圍，并應(yīng)在應(yīng)急計(jì)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(qiáng)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(yùn)行壓力，減小放空閥開度，以減小天然氣放空質(zhì)量流量。