放空立管安全距离研究
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摘要：目前天然气长输管道工程中常遇到在人口密集或者敏感地区，截断阀室放空区的征地困难或者由于与附近建构筑物间安全距离过大造成征地面积过大等问题，且国内无公认的放空立管与附近建构筑物间安全距离的计算公式。本报告借鉴高斯扩散模型等公式，介绍了放空立管与周围建构筑物的安全距离的计算过程。
关键词：放空立管 安全距离高斯扩散模型
Abstract：Long gas pipeline is often encountered in densely populated or sensitive area. In this area the land acquisition difficulties of the venting area of the cut-off valve chamber and the long security distance between the venting area and the nearby structure are the two problems that the investors should solve immediately. However, there is not recognized formula to calculate the security distance from vent riser to nearby structures. This thesis aims to study on the calculation method and the calculation process of the safe distance from the vent riser and the surrounding structures on the basis of the Gaussian diffusion model formula and other formulas.
Keywords: vent riser, safe distance, gaussian diffusion model.
中图分类号：P618.13文献标识码：A 文章编号：
随着天然气长输管线的迅速发展，在经济发达地区，阀室放空区征地困难的问题，越来越突出。本工程针对阀室放空系统征地问题展开了相关技术研究。
1 放空时间
受天然气长输管道允许停输时间和维检修速度因素的制约，一般管道的停产时间不超过72小时，放空时间在10-12小时之间。
2 放空立管高度的确定
根据《输气管道设计规范》GB50251-2003，放空立管放空高度的要求有以下两点：
3.4.7输气干线放空竖管应设置在不致发生火灾危险和危害居民健康的地方。其高度应比附近建（构）筑物高出2m以上，且总高度不应小于10m。
3.4.8输气站放空竖管应设置围墙外，与站场及其他建（构）筑物的距离应符合现行国家标准《石油天然气防火规范》GB50183的规定。其高度应比附近建（构）筑物高出2m 以上，且总高度不应小于10m。
图2 可燃气体排气筒顶或放空管允许最低高度示意图
注：阴影部分为平台或建筑物的设置范围
3 安全间距的确定
3.1 规范解读
根据《石油天然气工程设计防火规范》的规定：
4.0.4 石油天然气站场与周围居住区、相邻厂矿企业、交通线等得防火距离，不应小于表4.0.4的规定。
火炬的防火间距应经辐射热计算确定，对可能携带可燃由全体的火炬的防火间距，尚不应小于表4.0.4的规定。（此条为强制性条款）
4.0.8火炬和放空管宜位于石油天然气站场生产区最小风频风向的上风侧，且宜布置在站外地势较高处。火炬和放空管与石油天然气站场的间距：火炬由本规范第5.2.1条确定；放空管放空量等于或小于1.2×104m3/h时，不应小于10m；放空量大于1.2×104m3/h且小于或等于4×104m3/h时，应不小于40m。
表4.0.4石油天然气站场区域布置防火间距
注：5放空管可按本表中可能携带可燃液体的火炬间距减少50％。
上述条款是针对石油天然气站场的规定，放空立管区域布置防火间距的要求是“5放空管可按本表中可能携带可燃液体的火炬间距减少50％。”。石油天然气站场的特点是一般长期有人值守或者操作频繁，站场放空次数多，放空立管可能携带可燃液体或者有毒物质组分，为防止放空时液滴落到工艺装置或人类活动的地方才做出此规定。但是本工程1#阀室无人值守，放空次数少，放空时不含可燃液体，因此建议阀室放空立管安全间距的确定不按照天然气站场的规定执行。
根据《输气管道设计规范》GB50251-2003规定：
3.4.7输气干线放空竖管应设置在不致发生火灾危险和危害居民健康的地方。其高度应比附近建（构）筑物高出2m以上，且总高度不应小于10m。
一般阀室放空管放空的天然气主要成分是CH4，无毒性，对周围环境（包括阀室）造成的影响主要是可能存在天然气浓度过高遇到点火源时会产生闪燃，因此该放空立管与周边环境及阀室的安全间距建议按下述方法考虑：放空立管放空时周边可燃气体浓度在爆炸极限浓度以上的范围即为放空立管与周边设施的安全距离。
3.2 安全间距计算
1）放空速度
阀室的放空属于计划性放空，认为控制放空速度，现场放空速度控制在马赫数0.5以下，放空速度小于180m/s。
2）安全距离的计算
目前国内无天然气扩散浓度计算的公式，目前主要通过PHAST等软件进行模拟。但是大多数设计院并无PHAST等软件。所以我们的确定原则如下：
（1）根据《卸压和减压系统指南》SY/T 10043的规定[1]：
4.3.2.2 蒸汽扩散：经研究表明，在泄放速度超过30 m/s的场合，喷射冲力稀释效果是相同的。下图表明了水平方向可燃性的范围。该图表示可燃气体包络线的水平范围实际上与风速基本无关。
根据该图知，放空速度大于30m/S时，出现爆炸极限浓度的范围在距离放空管水平距离43D的范围内。
（2）高斯扩散模型[2]
但是当放空速度小于30m/S时， 《卸压和减压系统指南》中未进行说明。且当放空速度小于30m/S时，应考虑大气扩散的影响。本工程参照《大气污染控制工程》（第二版）“第四章：大气扩散浓度估算模式”中的高斯扩散模式。公式详见附件。
附件一：放空立管扩散浓度的计算
1.高斯模型扩散原理适用范围
高斯模型扩散原理适用于平均空气流速大于2m/s的情况，高斯扩散模式的一般适用条件是：
1）地面开阔平坦，性质均匀，下垫面以上大气湍流稳定；
2）扩散处于同一大气温度层结中，扩散范围小于10km；
3）扩散物质随空气一起运动，在扩散输送过程中不产生化学反应，地面也不吸收污染物而全反射；
4）平均风向和风速平直稳定，且u＞1～2m/s。
所以当放空速度小于30 m/s时，可以采用该模型进行简单计算。由于此工况下仅考虑大气扩散，而不考虑喷射流的影响，所以当放空速度越快时，相同地点的浓度越高。
2.相关计算公式
1）需要输入条件
2）计算公式
平均风速下的高度计算公式如下:
式中 :
H—烟筒的高度，m；
q—源强，即单位时间内排放的污染物，g/s；
u—平均风速，m/s；
C0—地面最高允许浓度，g/ m3，为确保放空系统的安全性，本文取爆炸下限的50%；
Cb—空气中已有的浓度，g/ m3，对于天然气可以取0；
vS—烟流出口速度，m/s；
D—烟囱出口内径，m；
u—烟囱出口的环境平均风速，m/s；
Ts—烟气出口温度，K；
Ta—环境平均气温度，K；
σz/σy—污染物在z、y方向上分布标准差，m。
σzmax—最高浓度时的Z方向分布标准差，m；
Qh—烟囱的热排放率，对于放空火炬工况可取0；
C（x,y,z,H）—任意一点的污染物浓度，g/ m3。
Z—点源距地面的高度，m。
根据大气不稳定指数原理，大气的稳定度分为了Ａ～Ｆ６个等级，详细设计时参照《大气污染控制工程》（第二版），本工程按照C计算。
利用公式（1-3）计算出σzmax，然后查图4-2对应的X（即地面浓度最大值时的距离）。再根据4-1得出σy。
图4-1图4-2
。
参考文献：
[1] SY/T 10043-2002，卸压和减压系统指南.
[2] 郝吉明，马广大等，大气污染控制工程（第二版），高等教育出版社，2009.5.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。