放散管的工艺计算方法

1392015年2月上第03期总第207期油田、矿山、电力设备管理与技术ChinaScience&Technology1前言在油田地面工程及长输管线中,当设备或天然气/油管线出现故障或需要检修时,为避免天然气对周边环境及人员造成危害,必须设置必要的放空系统用以排放需泄放的天然气,除火炬外,放散管也是放空系统中常用的一种设备,俗称“冷放空”。2放散管设计时需要考虑的因素在以往的设计过程中,放散管口径的设计往往会给予重视,但高度的确定却常常带有主观性,缺乏详细的计算过程。经过对第2008版API521的详细研究,总结出放散管高度确定时需考虑以下几个方面的因素:(1)放散管出口流速。较低的流速不利于扩散,而较高的流速(接近音速)则可能导致系统背压较高,从而影响上游压力保护装置非正常开启;(2)热辐射的影响。规范中要求在任何情况下,对于可燃性介质的泄放,必须对放散管的热辐射强度进行评估,其评估方法与火炬相同,且热辐射强度的限制值也应与火炬相同;(3)可燃性气体及有毒性气体扩散浓度。两者的最高扩散浓度需满足相应的环保要求;(4)放散管口径及高度对系统背压的影响;(5)设置的放散管高度必须比邻近的设备、建筑、烟囱或其他结构高出3m。3放散管的设计计算放散管尺寸的设计计算分为两部分,首先是放散管直径的确定,其次是放散管高度的确定。3.1放散管直径的计算放散管直径的计算涉及到的因素主要有以下几个方面:泄放介质的分子量、绝热指数、质量流量、马赫数以及放散管出口处压力和温度等。首先需要根据介质分子量和放散管出口处压力及温度确定泄放介质的密度,具体计算公式如下:式中:Rw2ρ—放散管出口处介质密度kg/m3;MW—泄放介质分子量;P2—放散管出口处压力(绝对压力),kPa;T—放散管出口介质温度,K;R—气体常数,8.314;得出泄放介质密度后,可根据介质绝热指数算出声速VS:3-s10wgVMTRK式中:Kg—泄放介质绝热指数;Vs—声速,m/s;在计算放散管出口流速之前需先确定泄放介质的马赫数m,API521第7.3.4.1节中提到,当放散管出口气体流速在150m/s时能够提供极好的扩散效果,因此马赫数m可在0.4～0.5选取,放散管出口处流速及出口截面积可由以下公式计算:放散管的工艺计算方法刘静薛登存(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司,北京　100085)【摘　要】放散管是国内外油田地面建设工程中常用的一种放空设备,在详细阐述了放散管的设计及应用过程中需要考虑的各个因素之后,参考APIRP521,给出了放散管尺寸及高度的详细工艺计算方法,可在实际设计过程中进行广泛应用。【关键词】放散管工艺计算方法安全因素【Abstract】Coldventpipeisacommonrelievingfacilityinoilfieldsurfaceengineeringindomesticoroverseas.Afterexpatiatingeachsafetyfactorwhichneedtobeconsideredfordesignandapplication,thedetailofprocesscalculationmethodforsizeandheightofventpipehasbeenprovidedaccordingtoAPIRP521.Thiscanbeusedinpracticedesign.【Keywords】ColdVentPipe;ProcessCalculationMethod;Safetyfactor作者简介:刘静(1981—),女,新疆克拉玛依人,中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司、中级工程师、硕士,研究方向:油田地面工程设计。RR'hdXch'Ya∑ΔXLD∑ΔY图1放散管高度计算尺寸关系图1402015年2月上第03期总第207期油田、矿山、电力设备管理与技术ChinaScience&TechnologyOverviewsVmvv3600WAT式中:m—放散管出口马赫数;v—放散管出口处介质流速,m/s;W—泄放介质质量流量,kg/h;AT—放散管出口截面积,m2;确定了流速及出口截面积后,即可由下面公式计算得放散管直径:TAD4式中:D—放散管出口直径,m;3.2放散管高度的计算根据规范,在确定放散管高度时可先假定放散管为燃烧状态,其次确定其热辐射强度限制值,而后依据火炬高度计算的方法来确定放散管的高度。下面就放散管高度计算给出具体计算过程,大体包括以下几步:火焰长度的确定,火焰变形计算,以及放散管高度计算。3.2.1火焰长度(L)的计算放散管火焰的长度主要取决于总热量,其计算公式如下:3600WQQL式中:Q—燃烧释放的总热量,kW;QL—泄放气体的低热值,kJ/kg;W—泄放介质质量流量,kg/h;计算出释放总热量后可在API-PR-521,figure7中查出对应的火焰长度L(m)。3.2.2火焰变形长度计算火焰变形计算需计算出介质的体积流量和放散管出口处的实际介质流速,公式如下:0vap360024TTQqvap4/2dquvapj式中:Qvap—泄放气体体积流量,Nm3/d;T0—标准温度,273K;T—泄放介质操作温度,K;qvap—泄放气体工况下体积流量,m3/s;d—放散管出口直径,m;uj—放散管出口处流速,m/s;得到放散管出口处流速uj后,可根据最大侧向风速u得出juu值,根据此值可在API-PR-521,Figure9中查得Lx和Ly值,其中X表示风速在水平方向上导致火焰有效变形的长度;Y表示风速在垂直方向上导致火焰有效变形的长度。由此,火焰中心距放散管顶部的垂直距离可由Yc=0.5×y算得;火焰中心距放散管中心的水平距离可由Xc=0.5×X算得;3.2.3放散管高度的计算首先需要计算出火焰中心至受热点的距离,计算公式如下:)'(4KKFQD161161)5.30()100(79.0Dr式中:D—火焰中心至受热点的距离,m;—大气中的热辐射系数;F—热辐射因子(取决于泄放介质,参考API-PR-521,Table10进行取值);Q—标准温度,273K;K—允许的最大热辐射强度值,kW/m2;K’—最大太阳热辐射强度值,kW/m2;r—大气相对湿度,%;在计算时,需使用试差法进行试算,首先假定值,从而可由公式计算出D,将D带入的计算式中,若计算出的值与假定值一致,则计算结束。放散管高度与火焰中心、受热点位置的关系可见图1。由图1可以得出以下关系:h’=h+0.5∑Δy;　R’=R-0.5∑Δx式中:R－受热点至放散管中心间距,m;R’－受热点至火焰中心间距,m;h－放散管高度,m;h’－火焰中心至受热点的垂直距离,m;考虑最保守工况时,可令R’=0,即受热点在火焰中心的正下方,此时R’=0,R=Xc。由D2=R’2+h’2可知,当R’=0时,h’=D。若是有人员在受热点时,还需考虑人员自身高度,保守起见,可使受热点抬高至距离地面2m处,即h’在计算的结果之上再加2m。从而由h=h’-Yc即可得到放散管的设计高度。计算出放散管高度后,设计人员还需进行其他几个方面的核算:一是泄放介质中有毒气体扩散浓度,常规可使用FLARESIM软件进行计算,若扩散浓度能够满足环保要求,则计算值可用,否则需要进一步增加放散管高度后再次核算,直至满足环保要求为止;二是可燃气体浓度扩散核算,方法同有毒气体扩散;三是校核系统背压是否满足上游压力保护装置正常开启要求,通常可用FLARENET软件进行核算。四是校核该设计的高度是否比周边设备、建筑、烟囱及其他结构高出3m。4结语相对火炬而言,放散管的配备没有火炬系统复杂和完备,但其使用却也非常普遍。随着环保意识的不断加强,放散管对环境的影响也逐渐引起人们的高度重视,因此在设计计算时必须严格按照规范核算其热辐射强度、有毒气体及可燃性气体扩散对周边环境的影响。API521就放散管的尺寸及高度计算给出了详细过程,在实际设计过程中参考使用。参考文献:[1]APIRP521Pressure-relievingandDepressuringSystems,ADDENDUM,MAY2008.