天然氣長輸管道站場放空系統計算

牛先生

站場放空系統由放空立管和放空點火部分組
成，是天然氣站場的重要系統之一。放空系統主要
作用是在檢修、發生意外、進出站的壓力超壓時進
行放空，為減少對環境的危害需點火燃燒后排放[1]。準
確計算放空系統不僅可以實現對站場內設備、管線
的泄壓保護，還可以節省工程建設費用，方便日后
運營管理。
1 安全閥放空
（1） 選型計算。安全閥的選型計算可按照以下
思路進行：估算被保護設備、容器或管線的有效容
積；依照API RP 521 規定求解事故工況時允許的最
小、最大泄放量；安全閥喉管面積計算；安全閥選
型；校核采用所選安全閥時的最大泄放量和出口馬
赫數是否滿足要求。
（2） 閥前管徑計算。配管安裝時通常在被保護
設備、容器或管線與安全閥之間加一直管段，但在
安全閥泄放時，由于氣體速率極高，該管段會產生
部分壓損。為了防止過大的壓損產生震動，造成對
泄放裝置的危害，需要限制該壓損的大小。按照
API RP 520 規定，該段壓損不得高于安全閥設定壓
力的3%，以此為邊界條件反算最大泄放量時可允
許的最小閥前管徑，但最終選取管徑不得小于安全
閥入口口徑。
（3） 閥后管徑的計算。安全閥閥后管徑的計算
主要受安全閥可允許背壓大小的限制。計算思路
為：閥后允許背壓大小的確定；閥至放空終端間管
線的允許壓降；求得閥后管線允許最小管徑；圓整
計算管徑并校核選用管徑在管線放空時閥后背壓的
實際值。工程實際中往往采用總放空匯管，各放空
支線在接入放空終端前就已匯入總管，此時可將支
管線與總放空匯管的連接點作為新的放空終端，允
許壓降為安全閥背壓減去連接點處壓力，連接點處
的壓力需根據最不利工況來計算。
2 站場事故放空
（1） BDV 閥選型計算。BDV 閥選型計算的關
鍵在于閥口徑的計算，而廠家在確定口徑時需要知
道閥所具有的最大泄放量和以最大泄放量泄放時閥
的流量系數（Cv 值）。最大泄放量和Cv 值均可使
用hysys 來計算。根據API RP 521 中有關泄放的
規定：在事故工況下要求15 min 內，容器的壓力將
為原工況的50%。具體計算思路為：站場有效容積
的估算；利用HYSYS 建立Depressing 動態泄放模
型；計算得出滿足規范要求的最大泄放量和Cv
值；選取滿足要求的BDV 閥；根據所選閥門的Cv
值校核閥的最大流通量。
（2） 限流孔板計算。限流孔板設置在管道中用
于限制流體流量或降低流體壓力。油氣田生產中將
限流孔板組放置于調節閥后，既可縮短安裝距離又
可延長調節閥的使用壽命，現在被普遍應用[2]。選
型計算思路為：安裝位置最大泄放量的確定（同
BDV 閥最大泄放量）；根據限流孔板前后壓差選擇
孔板的形式（單板還是多板）；按照孔徑計算公式
計算限流孔板的孔徑d0 ；根據臨界流率壓力比
（γe）、絕熱指數（k）、孔徑/管徑（d0/D）關系表查
得γe ；判斷孔板前、后壓力之比（p2/p1）與γe 的相
對大小（若p2/p1 ? γe ，則可使流量限定在一定數
值，說明計算值d0 有效，否則需調整壓降或管
徑，重新計算）；圓整孔徑計算值。
（3） 限流孔板后管徑計算。影響限流孔板后管
徑尺寸主要因素是孔板后的壓力、最大泄放量和管
內允許最大流速。已知泄放量和管內允許流速后反
算孔板后壓力，只要壓力不高于氣體的臨界流動壓
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3 進出站管線放空
進出站管線上BDV 閥的選型同站場事故放空
管線上BDV 閥的計算，區別在于最大泄放量的確
定。計算思路為：確定事故時所需BDV 閥的最大
泄放量；按最大泄放量和調節閥Cv 值的計算公式
計算所需Cv 值；依據Cv 值和最大泄放量選擇合適
尺寸的BDV 閥；校核選用該尺寸BDV 閥時閥的最
大泄放量、出口處流速和管線泄放所需時間。
4 放空匯管尺寸
放空匯管尺寸的計算主要受以下因素的影響：放
空匯管所要承擔的最大泄放量；放空匯管在同一放空
系統中且存在同時放空可能的各泄放裝置的最大允許
背壓；放空匯管的管路長度。上述3個因素確定后就
可以對匯管的尺寸進行計算了，計算時的邊界條件除
了最大允許背壓外還有匯管內的氣體流速。
5 放空立管
（1） 管徑計算。放空立管管徑主要取決于放空
立管的放空量和出口處允許的馬赫數，可通過提高
出口處氣體的馬赫數來減小放空管徑，但馬赫數偏
高會導致放空噪聲過大。根據規范GB 50183-2004
規定，事故狀態下，出口處馬赫數不高于0.5 馬
赫。因此，在計算時，可以根據出口處馬赫數為
0.5馬赫來反算放空立管的管徑。
（2） 高度計算。非點火放空立管高度可根據規
范GB 50183-2004 規定確定。當放空量不大于
1.2×104 m3/h 時，放空立管與閥室或站場距離不小
于10 m；當放空量大于1.2×104 m3/h 且小于4.0×
104 m3/h 時， 間距不得小于40 m[3]。可使用DNV
Phast 軟件模擬放空立管放空時出口周圍及下風向
的擴散范圍，根據模擬結果選取合理的高度，以保
證在規范要求的最小間距范圍內天然氣濃度落于爆
炸極限之外。
6 放空火炬
（1） 筒徑（火炬頭） 計算。計算思路為：放空
系統最大泄放量的確定（可取放空匯管最大排放
量）；按火炬頭出口處馬赫數為0.5 馬赫反算所需筒
徑；向上圓整筒徑尺寸。校核時若只滿足放空系統
最大泄放量不高于0.5 馬赫，而不滿足單個裝置不
高于0.2馬赫，需調整圓整后尺寸，直至滿足要求。
（2） 高度計算。放空火炬高度要依據頂端火焰
輻射熱對地面人員的熱影響，或大風時火焰長度及
傾斜度對附近構筑物及生產裝置的熱影響來確定，
應使火焰的輻射熱不影響人身及設備的安全[4]。其
計算主要考慮火炬安放位置及附近地面附屬物的可
承受輻射強度、火炬所處環境的氣象情況，包括風
速、風向、大氣溫度、相對濕度等因素。計算可參
照GB 50183-2004 中的公式。計算思路為：分析火
炬周圍的設施及環境狀況，確定敏感點（考慮輻射
影響的設施）；火焰最大長度的計算（火焰長度可
從GB 50183-2004 中火焰長度和釋放熱量Q - L關
系曲線圖查得，也可按照《石油化工設計手冊》中
有關規定確定）；按規范中火炬高度的計算公式進
行計算，并予以圓整；以圓整后的高度計算火炬的
地面輻射范圍，進而確定火炬放空區需要的征地面積。
7 結語
（1） 系統總匯管與放空立管或火炬的連接采用
撓性連接（如管線活接頭），對泄放裝置及其出口
管線進行固定。這樣可以有效地減小管線的震動，
降低噪音，防止放空時發生事故。
（2） 盡量縮短安全閥前管線的長度以及安全閥
至放空立管或火炬間的管線長度。縮短安全閥前管
線長度可以降低該段管線的壓力損失，從而減小震
動；縮短安全閥至放空立管或火炬間的管線長度可
以降低安全閥的背壓，使被保護設備、容器或管線
在超壓時，安全閥可以及時迅速起跳，并以設計量
進行泄放。
（3） 安全閥背壓大小對其放空時的泄放量影響
很小（影響安全閥起跳時的靈敏度），所以建議選
用波紋管式安全閥（允許背壓為設定壓力的50%）。
采用波紋管式安全閥時，站場內高、低壓放空一般
可共用一套系統。此時需對兩種方案（采用普通彈
簧式安全閥，分設高、低壓放空系統；低壓放空閥
采用波紋管式安全閥，高、低壓放空共用一套系
統） 進行經濟比選。
（4） 計算時將放空匯管尺寸計算步驟提前，預
先求得站場系統最大放空量。需對不同的可能同時
放空的工況進行匹配，尋找最大泄放量發生工況，
并以此最終校驗整個放空系統。
參考文獻
[1] 趙淑珍．西氣東輸放空系統的設計與研究[J]．天然氣與石油，
2006，24 (5)：41－43.
[2] 徐勇．油井數字化監控在計量及節能中的應用[J]．油氣田地面
工程，2010，29 (4)：66－67.
[3] 齊建波．西氣東輸二線閥室放空系統的設置[J]．油氣儲運，
2009，28 （9）：63－65.
[4] 黃漢京．石油化工可燃氣體或蒸氣排放系統的消防安全設計[J]．
石油工程建設，2006，32 (6)：16－19.
（欄目主持張秀麗）

米想戈壁

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