天然气长输管道站场放空系统计算

牛先生

站场放空系统由放空立管和放空点火部分组
成，是天然气站场的重要系统之一。放空系统主要
作用是在检修、发生意外、进出站的压力超压时进
行放空，为减少对环境的危害需点火燃烧后排放[1]。准
确计算放空系统不仅可以实现对站场内设备、管线
的泄压保护，还可以节省工程建设费用，方便日后
运营管理。
1 安全阀放空
（1） 选型计算。安全阀的选型计算可按照以下
思路进行：估算被保护设备、容器或管线的有效容
积；依照API RP 521 规定求解事故工况时允许的最
小、最大泄放量；安全阀喉管面积计算；安全阀选
型；校核采用所选安全阀时的最大泄放量和出口马
赫数是否满足要求。
（2） 阀前管径计算。配管安装时通常在被保护
设备、容器或管线与安全阀之间加一直管段，但在
安全阀泄放时，由于气体速率极高，该管段会产生
部分压损。为了防止过大的压损产生震动，造成对
泄放装置的危害，需要限制该压损的大小。按照
API RP 520 规定，该段压损不得高于安全阀设定压
力的3%，以此为边界条件反算最大泄放量时可允
许的最小阀前管径，但最终选取管径不得小于安全
阀入口口径。
（3） 阀后管径的计算。安全阀阀后管径的计算
主要受安全阀可允许背压大小的限制。计算思路
为：阀后允许背压大小的确定；阀至放空终端间管
线的允许压降；求得阀后管线允许最小管径；圆整
计算管径并校核选用管径在管线放空时阀后背压的
实际值。工程实际中往往采用总放空汇管，各放空
支线在接入放空终端前就已汇入总管，此时可将支
管线与总放空汇管的连接点作为新的放空终端，允
许压降为安全阀背压减去连接点处压力，连接点处
的压力需根据最不利工况来计算。
2 站场事故放空
（1） BDV 阀选型计算。BDV 阀选型计算的关
键在于阀口径的计算，而厂家在确定口径时需要知
道阀所具有的最大泄放量和以最大泄放量泄放时阀
的流量系数（Cv 值）。最大泄放量和Cv 值均可使
用hysys 来计算。根据API RP 521 中有关泄放的
规定：在事故工况下要求15 min 内，容器的压力将
为原工况的50%。具体计算思路为：站场有效容积
的估算；利用HYSYS 建立Depressing 动态泄放模
型；计算得出满足规范要求的最大泄放量和Cv
值；选取满足要求的BDV 阀；根据所选阀门的Cv
值校核阀的最大流通量。
（2） 限流孔板计算。限流孔板设置在管道中用
于限制流体流量或降低流体压力。油气田生产中将
限流孔板组放置于调节阀后，既可缩短安装距离又
可延长调节阀的使用寿命，现在被普遍应用[2]。选
型计算思路为：安装位置最大泄放量的确定（同
BDV 阀最大泄放量）；根据限流孔板前后压差选择
孔板的形式（单板还是多板）；按照孔径计算公式
计算限流孔板的孔径d0 ；根据临界流率压力比
（γe）、绝热指数（k）、孔径/管径（d0/D）关系表查
得γe ；判断孔板前、后压力之比（p2/p1）与γe 的相
对大小（若p2/p1 ? γe ，则可使流量限定在一定数
值，说明计算值d0 有效，否则需调整压降或管
径，重新计算）；圆整孔径计算值。
（3） 限流孔板后管径计算。影响限流孔板后管
径尺寸主要因素是孔板后的压力、最大泄放量和管
内允许最大流速。已知泄放量和管内允许流速后反
算孔板后压力，只要压力不高于气体的临界流动压
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3 进出站管线放空
进出站管线上BDV 阀的选型同站场事故放空
管线上BDV 阀的计算，区别在于最大泄放量的确
定。计算思路为：确定事故时所需BDV 阀的最大
泄放量；按最大泄放量和调节阀Cv 值的计算公式
计算所需Cv 值；依据Cv 值和最大泄放量选择合适
尺寸的BDV 阀；校核选用该尺寸BDV 阀时阀的最
大泄放量、出口处流速和管线泄放所需时间。
4 放空汇管尺寸
放空汇管尺寸的计算主要受以下因素的影响：放
空汇管所要承担的最大泄放量；放空汇管在同一放空
系统中且存在同时放空可能的各泄放装置的最大允许
背压；放空汇管的管路长度。上述3个因素确定后就
可以对汇管的尺寸进行计算了，计算时的边界条件除
了最大允许背压外还有汇管内的气体流速。
5 放空立管
（1） 管径计算。放空立管管径主要取决于放空
立管的放空量和出口处允许的马赫数，可通过提高
出口处气体的马赫数来减小放空管径，但马赫数偏
高会导致放空噪声过大。根据规范GB 50183-2004
规定，事故状态下，出口处马赫数不高于0.5 马
赫。因此，在计算时，可以根据出口处马赫数为
0.5马赫来反算放空立管的管径。
（2） 高度计算。非点火放空立管高度可根据规
范GB 50183-2004 规定确定。当放空量不大于
1.2×104 m3/h 时，放空立管与阀室或站场距离不小
于10 m；当放空量大于1.2×104 m3/h 且小于4.0×
104 m3/h 时， 间距不得小于40 m[3]。可使用DNV
Phast 软件模拟放空立管放空时出口周围及下风向
的扩散范围，根据模拟结果选取合理的高度，以保
证在规范要求的最小间距范围内天然气浓度落于爆
炸极限之外。
6 放空火炬
（1） 筒径（火炬头） 计算。计算思路为：放空
系统最大泄放量的确定（可取放空汇管最大排放
量）；按火炬头出口处马赫数为0.5 马赫反算所需筒
径；向上圆整筒径尺寸。校核时若只满足放空系统
最大泄放量不高于0.5 马赫，而不满足单个装置不
高于0.2马赫，需调整圆整后尺寸，直至满足要求。
（2） 高度计算。放空火炬高度要依据顶端火焰
辐射热对地面人员的热影响，或大风时火焰长度及
倾斜度对附近构筑物及生产装置的热影响来确定，
应使火焰的辐射热不影响人身及设备的安全[4]。其
计算主要考虑火炬安放位置及附近地面附属物的可
承受辐射强度、火炬所处环境的气象情况，包括风
速、风向、大气温度、相对湿度等因素。计算可参
照GB 50183-2004 中的公式。计算思路为：分析火
炬周围的设施及环境状况，确定敏感点（考虑辐射
影响的设施）；火焰最大长度的计算（火焰长度可
从GB 50183-2004 中火焰长度和释放热量Q - L关
系曲线图查得，也可按照《石油化工设计手册》中
有关规定确定）；按规范中火炬高度的计算公式进
行计算，并予以圆整；以圆整后的高度计算火炬的
地面辐射范围，进而确定火炬放空区需要的征地面积。
7 结语
（1） 系统总汇管与放空立管或火炬的连接采用
挠性连接（如管线活接头），对泄放装置及其出口
管线进行固定。这样可以有效地减小管线的震动，
降低噪音，防止放空时发生事故。
（2） 尽量缩短安全阀前管线的长度以及安全阀
至放空立管或火炬间的管线长度。缩短安全阀前管
线长度可以降低该段管线的压力损失，从而减小震
动；缩短安全阀至放空立管或火炬间的管线长度可
以降低安全阀的背压，使被保护设备、容器或管线
在超压时，安全阀可以及时迅速起跳，并以设计量
进行泄放。
（3） 安全阀背压大小对其放空时的泄放量影响
很小（影响安全阀起跳时的灵敏度），所以建议选
用波纹管式安全阀（允许背压为设定压力的50%）。
采用波纹管式安全阀时，站场内高、低压放空一般
可共用一套系统。此时需对两种方案（采用普通弹
簧式安全阀，分设高、低压放空系统；低压放空阀
采用波纹管式安全阀，高、低压放空共用一套系
统） 进行经济比选。
（4） 计算时将放空汇管尺寸计算步骤提前，预
先求得站场系统最大放空量。需对不同的可能同时
放空的工况进行匹配，寻找最大泄放量发生工况，
并以此最终校验整个放空系统。
参考文献
[1] 赵淑珍．西气东输放空系统的设计与研究[J]．天然气与石油，
2006，24 (5)：41－43.
[2] 徐勇．油井数字化监控在计量及节能中的应用[J]．油气田地面
工程，2010，29 (4)：66－67.
[3] 齐建波．西气东输二线阀室放空系统的设置[J]．油气储运，
2009，28 （9）：63－65.
[4] 黄汉京．石油化工可燃气体或蒸气排放系统的消防安全设计[J]．
石油工程建设，2006，32 (6)：16－19.
（栏目主持张秀丽）

米想戈壁

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林间风华

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