天然氣處理廠放空系統(tǒng)運(yùn)行安全分析及對(duì)策

天然氣處理廠放空系統(tǒng)運(yùn)行安全分析及對(duì)策

吉林天然氣處理廠負(fù)責(zé)靖邊氣田第二凈化廠、蘇里格氣田第二處理廠、子洲-米脂氣田和吉林氣田-4號(hào)區(qū)域的氣處理和傳輸。通過(guò)陜西省和中央天然氣1號(hào)和2號(hào)線向北京和周邊地區(qū)供應(yīng)天然氣。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它是中國(guó)北方天然氣田的中心和喉嚨。從2001年建設(shè)至今,隨著榆林氣田南區(qū)、子洲米脂氣田的不斷開(kāi)發(fā),集氣規(guī)模的不斷擴(kuò)大,目前榆林處理廠的集氣規(guī)模達(dá)到60億立方米/年。榆林天然氣處理廠現(xiàn)有放空火炬為2001年建設(shè)第二集配氣總站時(shí)的配套設(shè)施,設(shè)計(jì)放空能力按照第二凈化廠20億立方米/年來(lái)氣設(shè)計(jì),一直沿用至今,未進(jìn)行改造,其放空能力已不能滿足目前集氣規(guī)模60億立方米/年的放空需要。為此,通過(guò)對(duì)放空工藝系統(tǒng)進(jìn)行全面分析,提出優(yōu)化完善措施。1天然氣處理廠的通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀1.1中壓系統(tǒng)系統(tǒng)概況(1)榆林天然氣處理廠按功能分為三大部分,分別是天然氣處理系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)。目前集配氣區(qū)集氣規(guī)模為60億立方米/年,由三個(gè)集氣單元構(gòu)成,分別匯集25億立方米/年的第二凈化廠來(lái)氣、20億立方米/年的榆林南區(qū)來(lái)氣、15億立方米/年的子洲-米脂氣田來(lái)氣,三個(gè)系統(tǒng)均為中壓系統(tǒng);(2)榆林天然氣處理廠火炬來(lái)氣為天然氣處理系統(tǒng)、集配氣區(qū)、凝析油穩(wěn)定裝置、自用氣系統(tǒng)天然氣及丙烷壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)放空丙烷,放空系統(tǒng)工藝流程(見(jiàn)圖1)。①天然氣處理系統(tǒng)主要由2套天然氣脫油脫水裝置組成,主要設(shè)備有氣體過(guò)濾分離器、冷箱、LD分液器、滿液蒸發(fā)器、三相分離器等。該系統(tǒng)為中壓系統(tǒng),運(yùn)行壓力4.0～4.7MPa,氣體預(yù)過(guò)濾器安全閥整定壓力4.95MPa。天然氣處理裝置前設(shè)有定壓放空系統(tǒng),天然氣處理裝置超壓時(shí)閥門自動(dòng)打開(kāi),進(jìn)行放空;②凝析油穩(wěn)定裝置工作壓力0.3MPa,安全閥整定壓力0.5MPa,放空管線規(guī)格Φ114×5,直接連接至火炬;③丙烷循環(huán)制冷系統(tǒng)儲(chǔ)罐工作壓力1MPa,安全閥整定壓力2.07MPa,放空管線直接連接在天然氣處理裝置放空總管上;④自用氣系統(tǒng)安全閥整定壓力0.4MPa,放空管線連接至集配氣區(qū)放空總管。1.2中壓、低壓系統(tǒng)運(yùn)行壓力榆林天然氣處理廠按照壓力可劃分中壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng),其中天然氣處理裝置、集配氣單元運(yùn)行壓力在4.0～5.4MPa,為中壓系統(tǒng)。自用氣系統(tǒng)、丙烷系統(tǒng)、凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行壓力在2MPa以下,為低壓系統(tǒng)。目前廠內(nèi)高壓放空系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)共用放空總管。1.3輸氣管道與凈化廠同時(shí)放空放空總管規(guī)格為Φ377×10mm,火炬直徑為426mm,高40m。建設(shè)時(shí)滿足第二凈化廠至榆林第二集配氣總站輸氣管道(設(shè)計(jì)輸氣量20×10設(shè)計(jì)院關(guān)于上述設(shè)計(jì)分析如下:(1)第二凈化廠至榆林第二集配氣總站輸氣管道與榆林凈化廠同時(shí)放空可能性:只有當(dāng)下游兩個(gè)用戶(陜京一線、陜京二線)發(fā)生重大事故或其它重大自然災(zāi)害,切斷進(jìn)氣閥門,兩個(gè)系統(tǒng)需要同時(shí)放空,幾率很少;(2)第二凈化廠至榆林天然氣處理廠配氣區(qū)輸氣管道沿線設(shè)有閥室,放空管為φ219,榆林天然氣處理廠天然氣處理裝置區(qū)已設(shè)調(diào)壓放空系統(tǒng),根據(jù)壓力高低控制放空量,此外當(dāng)輸氣管道與凈化廠同時(shí)放空時(shí),為減少凈化廠火炬放空量,可利用榆林南區(qū)干線(4條)起點(diǎn)放空管(4座φ159,設(shè)點(diǎn)火設(shè)施)和中間閥室放空管(1座φ159)同時(shí)配合放空。根據(jù)以上分析,從節(jié)約投資角度,利用已建火炬放空,火炬為φ426,火炬口流速約200m/s,約0.5馬赫,符合規(guī)范要求。低壓放空與高壓放空采用捆綁式連接到火炬頭。2開(kāi)放系統(tǒng)的安全分析2.1火的釋放功能分析2.1.1現(xiàn)有定壓放空系統(tǒng)放空壓力計(jì)算按照要求,放空天然氣速度最大馬赫數(shù)不能超過(guò)0.7,否則容易發(fā)生湍流造成放空管線及火炬抖動(dòng),發(fā)生安全事故。馬赫數(shù)計(jì)算公式:式中:M—馬赫數(shù);W—泄放量,kg/s;P—大氣壓力,取10A—橫截面積,mZ—?dú)怏w壓縮因子,取0.9;R—通用氣體常數(shù),取8314J/(kmol·K);T—天然氣溫度,K;K—絕熱系數(shù),取1.3;M(1)根據(jù)此公式選取放空天然氣馬赫數(shù)0.7,反算求得W=26kg/s,折算為279×10由于天然氣處理系統(tǒng)有定壓放空裝置,泄壓時(shí)應(yīng)首先考慮通過(guò)定壓放空系統(tǒng)放空。針對(duì)定壓系統(tǒng)放空,其它區(qū)域不放空計(jì)算放空管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓力。①天然氣放空管道內(nèi)徑與管段的當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)算(見(jiàn)表2);②計(jì)算fL/d,通過(guò)查圖4求得放空管段出口壓力與入口壓力之比,計(jì)算管段各點(diǎn)壓力③計(jì)算管段出口處馬赫數(shù)和fL/D,根據(jù)圖4查得P④通過(guò)計(jì)算可以得出E點(diǎn)壓力為0.05MPa,因?yàn)槟鲇头€(wěn)定裝置放空點(diǎn)距離E點(diǎn)無(wú)天然氣流動(dòng),即處于平衡狀態(tài),因此凝析油穩(wěn)定裝置安全閥背壓為0.05MPa,同理可求得自用氣系統(tǒng)、集配氣區(qū)等區(qū)域安全閥背壓,計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表5)。根據(jù)彈簧式安全閥的泄放要求,背壓應(yīng)小于安全閥整定壓力的十分之一,自用氣和丙烷循環(huán)制冷系統(tǒng)安全閥背壓皆不符合要求。2.1.2當(dāng)前火炬安全獲釋量的計(jì)算公式選擇170×10通過(guò)計(jì)算,以170×102.1.3管道壓裂率計(jì)算2.1.3.上游正常輸氣量的調(diào)整米脂610管線來(lái)氣在進(jìn)站處設(shè)有氣動(dòng)球閥,當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí),迅速切斷該管線來(lái)氣,按照上游正常輸氣量計(jì)算這兩條管線升壓速率(見(jiàn)表7)。由表7可以看出,切斷子米來(lái)氣緊急截?cái)嚅y,Φ610管線在30min內(nèi)的最大升壓值為0.93MPa,管線的最大壓力達(dá)到5.33MPa,低于設(shè)計(jì)壓力6.4MPa。2.1.3.管網(wǎng)及玉林天然氣處理廠壓力上升速率(1)因Φ610管線進(jìn)站有氣動(dòng)球閥,可以在較短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉,而二凈來(lái)氣及榆林南區(qū)各干線來(lái)氣關(guān)閉需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,預(yù)計(jì)接到通知到關(guān)閉需要10min,計(jì)算此段時(shí)間管網(wǎng)及榆林天然氣處理廠壓力上升速率。由計(jì)算可得,總體升壓速率0.03MPa/min,10min后管網(wǎng)平均壓力上升0.3MPa,此時(shí)榆林南區(qū)管網(wǎng)壓力最高5.94MPa,20min后壓力升高至6.24MPa,接近設(shè)計(jì)最高工作壓力6.4MPa。2.2放空能力不足,放空系統(tǒng)面臨安全隱患長(zhǎng)北合作區(qū)來(lái)氣、大牛地氣田來(lái)氣、蘇里格氣田來(lái)氣、子米氣田及榆林南區(qū)氣田來(lái)氣都通過(guò)陜京二線輸送。陜京二線壓縮機(jī)功率較大,如果運(yùn)行中的1臺(tái)壓縮機(jī)出現(xiàn)故障停運(yùn),備用壓縮機(jī)不能及時(shí)啟用,由于氣量大,為保證榆林壓氣站不憋壓,必須切斷各路來(lái)氣量1200×10(1)火炬放空能力不足,現(xiàn)有火炬按照20億立方米/年設(shè)計(jì),最大安全放空量?jī)H能達(dá)到170×10(2)在用火炬高度偏低,距離公路較近,放空時(shí)因燃燒不全造成嚴(yán)重的油雨、火雨等污染,且產(chǎn)生的熱輻射危及到地面草場(chǎng)和莊稼地,甚至影響到附近500m左右的長(zhǎng)北天然氣處理廠及其堆料場(chǎng),存在安全隱患。且火炬設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)易型,只有攀爬梯,無(wú)保護(hù)設(shè)施,維修極不方便和安全;(3)中低壓放空系統(tǒng)共用火炬,存在安全隱患。自用氣系統(tǒng)和丙烷壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)(分別為0.4MPa、1.0MPa),其放空口就近接入中壓放空總管(4.7MPa),在放空氣量較大時(shí),放空壓力可能超過(guò)放空安全閥背壓,導(dǎo)致竄入低壓系統(tǒng);(4)由于凝析油穩(wěn)定裝置放空管線直接入放空火炬底部,在放空管線再次冷凝下來(lái)的凝析油,大量沉降在火炬中,并串入中壓放空管線內(nèi),造成整個(gè)站內(nèi)管網(wǎng)留存較多的凝析油,對(duì)運(yùn)行和檢維修及動(dòng)火置換造成較大影響。3開(kāi)放系統(tǒng)的技術(shù)準(zhǔn)備3.1啟動(dòng)系統(tǒng)的改革3.1.1放空管線接入(1)建立獨(dú)立的低壓放空系統(tǒng),在廠內(nèi)鋪設(shè)低壓放空總管,將自用氣放空管線、丙烷系統(tǒng)放空管線和凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)放空管線接入低壓放空總管,低壓放空總管接入已建的閃蒸分液罐進(jìn)口;(2)改造凝析油穩(wěn)定裝置至原火炬管線,將管線接到閃蒸排污分液罐出口,使其成為低壓放空管線的一部分。3.1.2放空管線dn330原高壓放空流程為脫油脫水裝置放空總管(DN350)與二配高壓放空管線(DN350)在距原火炬約65m處會(huì)合于DN350的管線。隨著放空量的增加,為減少放空過(guò)程中天然氣對(duì)管線的沖擊,保證管線安全,將此DN350管線至新火炬管線改為DN650。3.1.3火炬系統(tǒng)配置拆除原火炬,新建塔架式結(jié)構(gòu)火炬,設(shè)高、低壓放空火炬,高壓火炬與低壓放空火炬捆綁。配套建成相應(yīng)的高、低壓點(diǎn)火、保護(hù)及控制等系統(tǒng)。新建中低壓火炬規(guī)格尺寸計(jì)算如下:3.1.3.高壓放空系統(tǒng)清管區(qū)(閥前壓力4.0～5.0MPa)、集氣區(qū)(閥前壓力閥前壓4.0～5.0MPa)和配氣區(qū)(閥前壓力4.0～5.0MPa)、脫水脫油區(qū)緊急放空時(shí)排入高壓放空系統(tǒng)。榆林處理廠有兩套脫水脫油裝置,單套裝置正常處理量為300×10火炬放空量按照榆林天然氣處理廠總體規(guī)模(20×103.1.3.火炬筒出口內(nèi)壓值k根據(jù)《石油和天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,計(jì)算公式如下:式中:d—筒出口直徑,m;W—?dú)赓|(zhì)量流率,kg/s;m—馬赫數(shù);T—排放氣體溫度,K;K—排放氣體絕熱系數(shù);M—排放氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量;P—筒出口內(nèi)側(cè)壓力,kPa(絕壓)?；鹁嫱渤隹趦?nèi)側(cè)壓力比出口處的大氣壓略高。簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí),可近似為等于該處的大氣壓?？砂聪率接?jì)算:式中:PV—?dú)怏w流速,m/s;W=44.10617kg/sm=0.5T=283KK=1.3M=17.8154P=90.7kPa經(jīng)計(jì)算:D=0.62825944m火炬的筒徑取DN6503.1.3.火焰長(zhǎng)度計(jì)算火焰釋放的總熱量按下式計(jì)算:式中:Q—火炬釋放的總熱量,kW;HHL=33.5kJ/kgW=44.10617kg/s經(jīng)計(jì)算:Q=2349652.77kW?；鹧骈L(zhǎng)度隨火炬釋放的總熱量變化而變化。火焰長(zhǎng)度L可按圖4確定。查圖得:火焰長(zhǎng)度為75m。風(fēng)會(huì)使火炬傾斜,并使火焰中心位置改變。風(fēng)對(duì)火焰在水平和垂直方向上的偏移影響,火焰中心與火炬筒頂?shù)拇怪本嚯xYC與水平距離XC按下列公式計(jì)算:查圖5得:經(jīng)計(jì)算:Y3.1.3.a輻射系數(shù)火炬筒高度按下列公式計(jì)算:式中:H—火炬筒高度,m;Q—火炬釋放總熱量,kW;F—輻射率,可根據(jù)排放氣體的主要成分取值;q—允許熱輻射強(qiáng)度,kW/mYR—受熱點(diǎn)至火炬筒的水平距離,m;h—受熱點(diǎn)至火炬筒下地面的垂直高差,m;τ—輻射系數(shù),該系數(shù)與火焰中心至受熱點(diǎn)的距離及大氣相對(duì)濕度、火焰亮度等因素有關(guān),對(duì)明亮的烴類火焰,當(dāng)上述距離為30～150m,可按下式計(jì)算輻射系數(shù):式中:r—大氣相對(duì)濕度,%;D—火焰中心至受熱點(diǎn)的距離,m;r=50%,D=170m,經(jīng)計(jì)算τ=0.9886將τ=0.9886F=0.232Q=2349652.778kWY代入火炬高度計(jì)算公式可得:H=63.24m,取65m根據(jù)核算,新中壓火炬高度為65m,公稱直徑DN650,低壓火炬高度65m,同理計(jì)算低壓火炬公稱直徑DN100。3.1.3.5.安裝后的背壓計(jì)算改造后中壓系統(tǒng)按照25.3×103.2來(lái)氣管線設(shè)置(1)第二凈化廠、米脂處理廠來(lái)氣進(jìn)站區(qū)改造。①第二凈化廠、米脂處理廠來(lái)氣管線分別設(shè)置DN650、DN600氣動(dòng)緊急切斷閥;②第二凈化廠、米脂處理廠來(lái)氣管線分別設(shè)置DN650、DN600氣動(dòng)球閥作為越站旁通;③第二凈化廠、米脂處理廠來(lái)氣管線緊急截?cái)嚅y前設(shè)置DN100放空流程。(2)東干線、西干線、南一干線、南二干線進(jìn)站區(qū)改造。(下轉(zhuǎn)第79頁(yè))①東干線、西干線、南一干線、南二干線來(lái)氣管線設(shè)置氣動(dòng)緊急切斷閥;②東干線、西干線、南一干線、南二干線來(lái)氣管線增加手動(dòng)越站旁通;③東干線、西干線、南一干線、南二干線氣管線緊急截?cái)嚅y前設(shè)置DN80放空流程。(3)榆林配氣站1016管線增設(shè)越站旁通。3.3增設(shè)氣動(dòng)緊急放空系統(tǒng)(1)在榆川公司外輸管線上新增DN200氣動(dòng)緊急切斷閥,利用原有閥體增加氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在陜京一線、陜京二線外輸管線上分別設(shè)置DN450、DN700的氣動(dòng)緊急切斷閥;(2)在陜京一線、陜京二線原放空管線分別增加DN80、DN100定壓放空系統(tǒng);(3)在匯