天然气长输管道火炬放空扩散规律研究.pdf

第 4 5 卷第 3期 2 0 1 6 年 3月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V 0 ] ． 4 5 ．N o ． 3 M a r c h ，2 01 6 天然气长输管道火炬放空扩散规律研究 梁 俊 奕 中国石油集团工程设计有限责任公司 西南分公司，四川 成都 6 1 0 0 4 1 摘 要天然气的放空扩散非常危险，研究天然气长输管道火炬放空扩散的规律 ，可以为其安全放空提供 指导依据。 P H A S T 软件是公认的最权威最准确的后果分析软件 ， 可以用于长输管道的天然气放空扩散计算。 采 用该软件建立天然气长输管道系统的亚临界流不点火放空的扩散模型， 确定天然气在不点火放空过程中可能燃 烧的危险区域。以某实际长输管道为例，计算两种工况下天然气扩散规律。结果显示，在放空过程中风速影响 天然气的扩散。低风速时，天然气会向上扩散 ，在高风速时，天然气向水平方向扩散。天然气 5 0 ％L F L云团水 平距离随风速的增大而增加 ，云团高度随风速的增加而减小。 关键词 天然气；管道 ；立管 ；火炬 ；扩散 中图分类号T E 8 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 6 0 3 0 5 5 9 0 2 S t u d y o n Di f f u s i o n La w o f Ga s Du r i n g Lo n g Di s t a n c e Ga s Pi p e l i n e Ve n t i n g LI ANG J un - yi Ch i n a Pe t r o l e u m E n g i n e e rin g Co ． ， L t d ． S o u t h we s t Co mp a n y ， S i c h u a n Ch e n g d u 6 1 0 0 41 ， C h i n a Ab s t r a c t Di ff u s i o n o f g a s i s v e r y d an g e r o u s d u rin g fla r e v e n t i n g ． T h e r e s e a r c h o n t h e d i ffu s i o n l a w o f g a s d u ri n g l o n g d i s t a n c e g a s p i p e l i n e fl a r e v e n t i n g c an p r o v i d e g u i d a n c e f o r g a s b l o wd o wn．PHAS T i s r e c o g n i z e d a s t h e mo s t a u t h o ri t a t i v e a n d a c c u r a t e c o n s e q u e n c e a n a l y s i s s o f t wa r e a n d c a n b e us e d t o c a l c u l a t e t h e fl a r e v e n t i n g ． T h e s o f t wa r e i s a d o p t e d t o e s t a b l i s h s u b c r i t i c a l f l o w d i ffu s i o n mo d e l o f g a s d u r i n g l o n g d i s t a n c e g a s p i p e l i n e v e n t i n g ． Dan g e r z o n e o f g a s i g n i t i o n c a n b e d e t e r mi n e d ． I n t h i s p a p e r , t a k i n g a p r a c t i c a l l o n g - d i s t an c e p i p e l i n e a s a n e x a mp l e ， d i ffu s i o n l a w o f n a t u r a l g a s wa s c a l c u l a t e d u n d e r t h e t wo c o n d i t i o n s ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t wi n d s p e e d c a n a f f e c t t h e g a s d i f f u s i o n ． Th e g a s u p wa r d d i ffu s e s wh e n wi n d s p e e d i s l o w； t h e g a s h o riz o n t a l l y d i ffu s e s wh e n wi n d s p e e d i s h i g h ． Na t u r a l g a s 5 0 ％ LF L c l o u d h o r i z o n t a l d i s t a n c e i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f wi n d s p e e d an d c l o u d h e i g h t d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f wi n d s p e e d ． K e y wo r d s Na t u r a l g a s ； P i p e l i n e ； Ri s e r ； F l a r e ； Di ff u s i o n 天然气是多种烃的混合物 ，其中主要成分是 C H ，天然气在大气 中的爆炸极 限为 5 ％～ 1 5 ％，在 爆炸极限内遇明火即爆炸， 不仅会造成装置的损坏， 同时也会对周围人员、环境等产生威胁 ，为了避免 天然气放空过程中造成的巨大损失。本文研究 了天 然气长输管道放空的扩散规律，为长输管道天然气 放空提供指导依据。 韦焕杰对长输管道天然气放空所需时间计算公 式进行了推导，并将计算结果与其他计算方式进行 了分析对比，为生产调度与事故抢修等工作提供了 理论依据 。秦琴运用国标和 A P I 标准的计算方法 和 B r z u s t o w s k i S o m m e r 计算方法研究了长输管道放 空热辐射的距离， 并与 P H A S T 软件的计算结果进行 了对比，发现两种计算方法结果较保守犯 。孔吉民 根据天然气放空时间及放空量进行演算推理，得出 了计算公式 ，并根据实际管道的参数计算了两个阀 室之间管线的放空时间和放空量弘 。齐建波根据西 气东输二线阀室放空立管的参数， 采用 P H A S T软件 对放空立管的出口天然气扩散过程进行了模拟，得 出了天然气燃烧后的热影响强度和范围 。 1 放空建模 P H A S T软件是定量的后果分析软件，由 D N V 公司开发，可以用于以下多个方面的后果分析① 气体、液体及气液两相在大气中的扩散；②火灾后 果分析 包括 沸腾液体、 池火、 喷射火等 ； ③模 拟爆炸后果 受限和不受限环境 ； ④物料泄漏速率 计算。该软件可以采用图形来显示模拟结果，还可 以以文字的方式对结果进行简单的分析， P H A S T软 件已被广泛用于石油、天然气和石油化工领域，至 今已有 2 O 多年使用经验 6 1 0 P H A S T 是公认的计算 后果最权威最准确的软件，对于扩散计算， 其原理 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 1 8 作 者 简 介 誊 挛 ” 成 都 人 ， 助 理 工 程 师 ； 年 毕 业 于 西 南 石 油 大 学 油 气 储 运 工 程 专 业 ， 研 究 方 向 主 要 从 事 天 然 气 长 输 _ P 站场工艺方面的设计和研究 - m i q l ln w 1 _ s w 0 ． 1 E - m a i l L i a n g j u n y c n p c ’ ． co 。 m ．c 。 H⋯⋯ ⋯ 一 一⋯且’ u／ 川 工趸 平 八 午 刖 当 代 化 工 2 0 1 6年 3月 是通过导人放空口出口之后气体膨胀至压力为大气 压时的温度、流量、速度的这一状态，模拟出一个 稳定持续放空工况下的扩散范围。 通过 P H A S T软件来计算天然气长输管道系统 的亚临界流不点火放空的扩散过程，确定天然气在 不点火放空过程中可能燃烧的危险区域 危险区域 边界浓度为 0 ． 5 L F L值 。 P HA S T建模 为不可视建模 ， 没有建模 图形 ， 所 有的建模通过参数输入完成。现将模型简化为天然 气在放空立管出口的持续排放。且排放出的天然气 压力 为大气压 。对 于扩散可燃性选 择模 块为 u s e r d e f i n e d ，选择泄放形式 为 l e a k 。瞬间扩 张采用 s t a n d a r d m e t h o d ，喷射气体动量采用 m o r t o n e t ．a l 方 程 。扩散计算模型采用 v e r s i o n 2 。 建模过程中的关键参数的选取原则如下 1 放空质量流量 由站场或线路放空系统 水力计算获得。对于线路有控制放空，可取规定放 空时间内的平均流量。 ． 2 放空立管口径 由站场或线路放空系统 水力计算获得 ； 3 放空立管高度 可选取类似规模工程的 设计参数作为试算值，一般为 2 0 ，2 5 和 3 0 m； 4 风速根据当地气象参数选取； 5 大气稳定度 帕斯奎尔稳定度 ，其取值 与风速有关。 简化选取方法为 风速 1～ 2 ． 9 m ／ s 为 F； 3～ 4 ． 9 m ／ s为 ；5 m ／ s以上为 D； 6放空立管排放 口天然气温度 此参数对 扩散计算的结果影响较小。一般计算中可取天然 气由放空初始状态节流到大气压后的温度 ，精确 计算时通过站场或线路放空系统水力计算确定排 放温度 。 2 长输管道放空扩散计算实例 以某长输管道为例，管道中气体组分见表 l 。 表 1 天然气组分表 Ta b l e 1 Co mp o n e n t t a b l e o f na t u r a l g a s 组份 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C O N 2 天然气可燃性表见表 2 。放空系统的放空立管 排放天然气温度 5℃， 放空立管高 2 0 m， 立管直径 D N 4 0 0 ，排放角度为 9 0 。 ，环境温度 2 O℃，大气相 对湿度 7 0 ％，一旦放空系统建设完后，扩散主要受 风速和周围大气温度度影响，所以分别选取两种工 况，工况一周围大气稳定度为 E ，当地平均风速 3 m ／ 工况二周围大气稳定度为 D ，当地平均风 速 1 0 m ／ s ，计算两种工况下的扩散范围。 表 2 天然气可燃性表 Ta b l e 2 Fl a m ma b i l i t y t a b l e o f n a t u r a l g a s 3 计算结果 放空 口的位置坐标为f0 ，2 0 ，风向为从左至右， 放空立管高度为 2 0 m， 经过计算后扩散计算结果分 别如 图 1 - 2所示 Sl昵Vle w ■ L-一 l7 【 ／ ／ u ， f ／ ／ ／ 一 r ， 1 ＼ ／ n - 一 c 图 1 风速和大气稳定为 3 E时天然气浓度云图 F i g ． 1 Cl o u d c h a r t o f g a s c o n c e n t r a t i o n wh e n s p e e d a n d a t mo s p h e r i c s t a b i l i ty i s 3 E S Ⅵ鲫 } 。 一 一 r T lL l _ 土 r r r 厂 j 一 l _ j 篚 f 』一 0 叶_ 一叶 i i r _ L 图 2 风速和大气 稳定为 1 0 D时天然气 浓度云图 F i g ． 2 Cl o u d c h a r t o f g a s c o n c e n t r a t i o n wh e n s p e e d a n d a t mo s p h e r i c s t a b i l i ty i s I O D 对 比图 1 和图 2可知 ，在放空过程中，在低风 速时，天然气会向上扩散，在高风速时，天然气向 水平方向扩散，形成一定的可燃气体云团。天然气 5 0 ％ L F L云团水平距离随风速的增大而增加 ， 云团 高度随风速的增加而减小。在放空立管规格为 D N 4 0 0 ， 高度 2 0 m， 放空量为 1 7 ． 0 3 k g ／ s 8 ． 9 X 1 m ／ h 的条件下 ， 天然气放空过程中浓度达到 L F L的距离 最远为 6 ．6 m，高度范围为 2 0 3 7 ． 1 m；天然气浓度 达到 5 0 ％ L F L的最远距离为 1 6 ． 8 m，高度范围为 2 0 ～ 4 3 ．4 m 表 3 1 。 - F 转第5 6 3页 第4 5 卷第3 期 赵春森，等利用模糊综合评判法评价水井分层注水效果 5 6 3 得到的 值可以较好的反映出各井组的分层注水 得出了各水井井组的性质。 效果 n 。 如图 2所示 ，井组综合评价系数 厚度累积 分布频率小于2 5 ％时， 综合评价系数最大在0 ．2 9 5 6 左右 ，则综合评价系数 小于这个值的井组暂定 为注水效果差 ， 需要采取措施提高注水效果应该保 持；累积分布频率大于7 4 ．9 ％时， 综合评价系数最 小 0 ．5 7 8 2 6 左右， 则综合评价系数大于这个值的井 组暂定为注水效果好， 应该保持。 暂定厚度累积分 布频率前 2 5 ％为优 ，累积分布频率后 2 5 ％为差， 对于注水效果差的井组， 可采取适当措施提高注水 效果 。 祷 妊 斛 骚 嘴 综合评价系数E 图2 综合评价系数 累积分布概率曲线 Fi g ． 2 The cumul ative pr o ba bi l i t y di s t r i but i on c ur ve o f c ompr e he ns i v e e v al uation c oe ffi c i e n t 4 结 论 1 又 寸 各个断块注水井井组注水效果的指标油 井增油量、 水井吸水比例、 水驱动用程度进行分析， 2 运用层次分析法确定评价指标权重， 即各 因素对注水效果影响的重要性，利用模糊综合评判 法确定井组性质，求出 值，找出 值与注水效 果的递增关系， 通过综合系数 值评价出各井组注 水效果 的优劣。 3 对注水效果差的井组提出酸化 ， 压裂等措 施建议 ， 从而提高井组注水效果。 参考文献 [ 1]胡熙平． 分层注水的油藏适应性分析【 J ] ． 西部探矿工程， 2 0 0 6 1 2 8 7 8 8 ． [ 2]陈元千现 代油藏工程[ M] ．北京石油工业出版社， 2 0 1 h 1 7 6 1 7 8 ． [ 3 ] 佃生权．试述油田注水井分层注水工艺技术[J ] ．中国石油和化工标 准与质量， 2 0 1 4 0 2 1 7 7 ． [ 4]胡熙平 ， 袁世 昌．分层注 水的油藏适 应性分析 [J J ． 西 部探矿工 程，2 0 0 6 1 2 8 7 8 8 ． [ 5 ] 张君， 王喜梅． 浅析油 田注水井分层注水工艺技术[ J J ．中国石油和化 工标准与质量， 2 0 1 2 0 8 1 0 3 ． [ 6 ] 路向伟， 张翠萍，李超， 苟永俊． 胡尖山油田胡 1 5 4区精细分层注水效 果分析『 J I． 地下水， 2 0 1 3 0 2 3 3 3 5 ． [ 7] 杨文学， 刘勇， 王黉， 邵立栋． 定向注水井分层注水及配套测试技术研 究叽 中国新技术新产品， 2 0 1 3 0 2 1 1 9 ． [ 8 ]陈蕾． 采油分层注水工艺研究【 J 】 ． 硅谷， 2 0 1 3 1 7 4 4 3 1 ． [ 9] 杨酷，何春，郝建华， 雷颖， 陈军红．注水井分层注水工艺技术研究 I J J l 中国石油和化工标准与质量， 2 0 1 4 1 1 8 9 ． [ 1 0 ] 解凤强．基于模糊数学方法的压裂井优选[ J J ． 科学技术与工程， 2 0 1 0 0 7 4 5 3 2 ． [ 1 1 ] 宋玉梅． 高含水期注水综合调整方案的方法[ J 1． 中国石油和化工标 准与质量，2 0 1 1 0 4 2 4 2 9 ． 上接第 5 6 0页 表 3 天然气扩散范围表 T a b l e 3 S c o p e t a b l e o f g a s d i ffu s i o n 因此，综合不同大气条件下的天然气扩散模拟 结果 ，危险区域划定为半径 1 6 ． 8 m，高度范围为 2 0 ～ 4 3 ． 4 m的区域。 参考文献 [ 1 ]韦焕杰． 天然气长输管道放空时间的探讨f J ] ．化工管理， 2 0 1 4 8 4 3 - 4 4． [ 2]秦琴 ，王玮 ，张磊．长输天然气管道放空火炬热辐射距离计算方 法探讨[ J ] ． 化工机械 ，2 0 0 9 ， 3 6 6 5 6 6 5 6 9 ． [ 3 ]孔吉 民． 对管线 内天然气放空时间及放空量的探讨 [ J ]． 石油化 工应用， 2 0 0 5 ， 24 4 1 1 8 2 0 ． [ 4]齐建波， 孙立刚， 张文伟， 等． 西气东输二线阀室放空系统设置阴． 油气储运， 2 0 0 9 ， 2 8 9 1 6 3 6 5 ． [ 5 ] 石天雄． P H A S T软件预测火炬的气体扩散和热辐射【 J 】 ． 安全 、 健康 和环境， 2 0 1 0 ， l 0 7 3 5 3 8 ． [ 6]朱伯龄，於孝春． P H A S T软件对液化天然气泄漏扩散的研究[ J ] l 计 算机与应用化学． 2 0 0 9 。2 6 1 1 1 1 4 1 8 1 4 2 2 ．