陳俊文 湯曉勇 諶貴宇 李玉星 何 山 Cho Hing Lee 劉翠偉 李天雷 郭艷林
1.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266580;3.伊爾姆環(huán)境資源管理咨詢(上海)有限公司, 上海 200080;4.挪威船級社(DNV)可持續(xù)發(fā)展卓越中心, 上海 200336
近年來,氫能綜合利用是世界各國研究的熱點(diǎn),也是世界新能源的重要發(fā)展方向之一[1-3]。大規(guī)模運(yùn)輸氫氣時(shí),管道運(yùn)輸更加高效、安全。國外已建成氫氣管道約 6 000 km,同時(shí)一些國家將氫氣摻入天然氣管道中實(shí)現(xiàn)氫氣長距離運(yùn)輸和利用,構(gòu)成了氫氣管道輸送、混氫天然氣管道輸送等長距離儲運(yùn)模式,可統(tǒng)稱為含氫天然氣管道輸送。同時(shí),美國、歐洲等相繼發(fā)布了部分相關(guān)的含氫天然氣管道標(biāo)準(zhǔn)。在“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展背景下,中國建設(shè)含氫管道的需求日益迫切,但中國尚無專門的含氫管道輸送相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,因此亟待填補(bǔ)空白。目前,諸多學(xué)者在含氫管道輸送工藝[4-6]、天然氣摻氫后設(shè)備適應(yīng)性[7]、技術(shù)規(guī)范剖析[8-9]和氫氣/混氫管道技術(shù)發(fā)展分析[10-12]等方面開展了研究工作,取得了較多成果,均可對含氫天然氣管道輸送標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定提供一定的支撐,但受氫氣、天然氣介質(zhì)特性差異和含氫管道中氫氣/天然氣比例等影響,目前在涉及到站場區(qū)域布置、管道潛在影響半徑、防爆區(qū)域范圍等在工程設(shè)計(jì)中具有定量要求的關(guān)鍵間距問題上,中國尚無相關(guān)報(bào)道。同時(shí),由于設(shè)計(jì)理念差異,在站場區(qū)域布置間距問題上無法參考他國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;對于不同濃度的氫氣—天然氣混合體系,他國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的管道潛在影響半徑、防爆區(qū)域范圍等是否合理尚待考證。為此,有必要結(jié)合氫氣與含氫天然氣的介質(zhì)特性,基于含氫天然氣管道工程設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需求,對前述站場布置間距、管道潛在影響半徑、防爆區(qū)域范圍等相關(guān)問題進(jìn)行探討,以期對形成中國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的關(guān)鍵技術(shù)要求提供支撐,更好地為含氫天然氣管道工程設(shè)計(jì)提供參考。
由于常規(guī)天然氣組分以甲烷為主要介質(zhì),為了便于對比輸送介質(zhì)特性,下文采用甲烷代表天然氣進(jìn)行比對與探討。
氫氣在空氣中最小點(diǎn)火能很低。有數(shù)據(jù)表明,氫氣最小點(diǎn)火能僅為0.019 mJ,點(diǎn)燃后燃燒速率很快,是燃燒危險(xiǎn)性很大的危險(xiǎn)化學(xué)品;而甲烷的最小點(diǎn)火能相對較高,達(dá)到0.29 mJ。在工程應(yīng)用場景中,這種差異直接體現(xiàn)在泄漏后的點(diǎn)火概率上,即氫氣在泄漏并暴露在大氣環(huán)境時(shí),其立即點(diǎn)火概率大于甲烷的立即點(diǎn)火概率。
氫氣的爆炸極限是4.0%~77%(體積濃度),在空氣中燃燒和爆炸的極限范圍大于甲烷,但氫氣和甲烷的燃燒下限相差不大,氫氣約為4.0%,甲烷約為4.9%。在工程應(yīng)用中,一般在泄放和危險(xiǎn)區(qū)域分析時(shí)使用燃燒下限,可知?dú)錃獾目刂埔笙鄬^嚴(yán)。
在常壓下,氫氣的比重僅為0.069,甲烷的密度為氫氣的8倍;氫氣與甲烷均屬于比空氣輕的可燃?xì)怏w,相比于甲烷,氫氣在空氣中擴(kuò)散速度更快,一旦泄漏更容易擴(kuò)散,不易在設(shè)備或建筑低洼處積聚。
在熱值上,標(biāo)況下氫氣熱值約為12.1 MJ/m3,甲烷約為37.7 MJ/m3,可見氫氣熱值遠(yuǎn)低于甲烷。然而,在泄漏燃燒時(shí),由于氫氣密度小,聲速高,還需要結(jié)合實(shí)際泄放體積來綜合判斷熱輻射尺度。
綜上,氫氣相比于天然氣,具有垂向擴(kuò)散性較好、燃燒范圍較寬、點(diǎn)火能量較低、體積熱值較低等特點(diǎn),這為后文探討相關(guān)問題提供了基礎(chǔ)。
目前,國際上現(xiàn)行ASME B31.12—2019 Hydrogen Piping and Pipelines(以下簡稱ASME B31.12—2019)[13]和CGA-5.6—2005(R2013)Hydrogen Pipeline Systems(以下簡稱CGA-5.6—2005(R2013))[14]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,適用于氫氣含量大于10%體積分?jǐn)?shù)的含氫天然氣管道輸送工程。ASME B31.12—2019主要關(guān)注于管道與管件本體設(shè)計(jì),未提及站場區(qū)域布置間距要求。而在CGA-5.6—2005(R2013)中,對混氫管道站場與周圍環(huán)境的安全距離提出了典型參考值,與變電站的安全距離為15 m,與公共建筑的距離為8 m等。需要注意的是,與中國油氣站場設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范常用的防火間距不同,該間距綜合了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的安全距離,與防火間距存在設(shè)計(jì)本質(zhì)的不同。由此可見,國際的相關(guān)含氫天然氣管道規(guī)范在站場區(qū)域布置間距的典型參考值并不宜作為中國含氫天然氣管道設(shè)計(jì)的直接參考。
目前,中國GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021年版)》(以下簡稱GB 50516—2010)中,對加氫站的站址選擇主要按照防火間距要求執(zhí)行[15];國際上的IGC Doc 15/06/E Gaseous Hydrogen Stations(以下簡稱IGC Doc 15/06/E)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可作為加氫站最小水平安全距離的參考[16]。上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的防火間距與安全間距可比指標(biāo)對比見表1。
由表1可見,對于系統(tǒng)配置基本類似的加氫站,受實(shí)際情況與間距考慮原則的影響,中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的防火間距明顯大于國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全間距。因此,定量來看,中國借鑒國際上常用的含氫天然氣管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推薦的安全間距作為防火間距的參考基準(zhǔn)是不適宜的。另外,由于中國加氫站與含氫天然氣管道工程站場的設(shè)施、操作壓力、儲存量等均有較大區(qū)別,含氫天然氣管道工程一般不設(shè)置儲氫罐,操作壓力也基本不超過10 MPa,故中國也不應(yīng)直接參考加氫站的防火間距。
在實(shí)際工程中,含氫天然氣管道工程一般設(shè)置首站、中間站、末站等站場,其主要功能、工藝流程與常規(guī)天然氣管道站場類似。同時(shí),防火間距主要考慮火災(zāi)熱輻射對周圍環(huán)境的影響。為此,考慮借助理論與模擬分析,從比對相同事故輻射后果的角度出發(fā),借鑒輸氣管道站場防火間距標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,對含氫天然氣管道站場的防火間距提出取值建議。
為此,在某相同壓力的站場泄漏場景下,對氫氣、含氫天然氣與天然氣進(jìn)行相同孔徑下的水平泄漏噴射火影響范圍模擬,模擬軟件選擇為DNVGL PHAST V8.0,模擬結(jié)果見圖1。
圖1 不同氫含量的含氫天然氣泄漏后噴射火熱輻射范圍模擬結(jié)果對比圖
由圖1可見,在相同運(yùn)行壓力下的相同孔徑泄漏時(shí),對同一熱輻射強(qiáng)度,天然氣燃燒的熱輻射距離大于氫氣,且基本滿足隨著氫氣含量增加,熱輻射距離降低的規(guī)律。這主要是相同泄漏孔徑下,對于運(yùn)行壓力相同的體系,由于天然氣的密度相對較大,其泄漏的質(zhì)量流量較高;同時(shí),雖然氫氣的單位質(zhì)量熱值較高,但協(xié)同計(jì)算后,天然氣的熱輻射強(qiáng)度大于氫氣。同時(shí),還進(jìn)行了其他泄漏壓力場景的噴射火分析,得出的結(jié)論與圖1規(guī)律一致。
同時(shí),進(jìn)一步利用Flacs 3D軟件進(jìn)行了氫氣泄漏后熱輻射分析,在相同工況下,Flacs 3D軟件的計(jì)算結(jié)果與DNVGL PHAST V8.0軟件計(jì)算結(jié)果誤差小于20%,但氫氣熱輻射影響距離仍明顯小于天然氣的熱輻射影響距離。
輸氣管道站場區(qū)域布置的防火間距參照現(xiàn)行GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡稱GB 50183—2004)執(zhí)行[17-18],與GB 50516—2010的區(qū)域布置防火間距相比,以重要公共建筑與站場的防火間距為例,前者要求為30 m(間距為站場設(shè)施與重要公共建筑的距離),后者要求為35 m(間距為氫氣壓縮機(jī)或加氫機(jī)等工藝設(shè)施與重要公共建筑的距離),加氫設(shè)施的操作壓力一般大于30 MPa,遠(yuǎn)高于含氫天然氣管道工程運(yùn)行壓力;另外,上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對站場與室外變配電站、鐵路等的間距較為接近。因此,結(jié)合前文分析,在相同壓力泄漏場景下對比,可認(rèn)為參考天然氣站場相關(guān)的防火間距作為氫氣或含氫天然氣管道工程站場的總體布局間距要求是合理和保守的。同時(shí),氫氣站場與人居場所、重要建筑的間距可進(jìn)一步比對現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行協(xié)調(diào)、從嚴(yán)要求。
GB 50516—2010的加氫站放空管口與站外建(構(gòu))筑物的防火間距要求,制定的依據(jù)是綜合比對GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范(2014年版)》和GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(2020年版)》中的天然氣相關(guān)要求,并根據(jù)氫氣與天然氣物性差異進(jìn)行優(yōu)選,這進(jìn)一步說明利用一種介質(zhì)防火間距作為另一種介質(zhì)防火間距確定的比選參考已有先例。
另外,對于含氫天然氣管道工程的站場內(nèi)部防火間距,對比分析現(xiàn)行GB 50183—2004與GB 50516—2010的近似要求后,結(jié)合加氫站的運(yùn)行壓力遠(yuǎn)高于含氫天然氣管道站場運(yùn)行壓力的實(shí)際情況,推薦含氫天然氣管道工程的站場內(nèi)部防火間距參考現(xiàn)行天然氣站場布置的相關(guān)要求。
本文同時(shí)還模擬了相同壓力、不同孔徑的不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏后擴(kuò)散場景,由于氫氣的聲速較高,初始噴射速度較快,故中孔、小孔泄漏后達(dá)到50%爆炸下限距離稍大于甲烷,因此對于含氫站場中“生產(chǎn)設(shè)施與明火或散發(fā)火花地點(diǎn)的防火間距”,推薦考慮20%裕量。
輸氣管道發(fā)生泄漏事故時(shí)可能形成對周邊公眾安全和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重影響的區(qū)域,該區(qū)域范圍通過管道潛在影響半徑進(jìn)行表征是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的做法。
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASME B31.8 S—2020 Managing System Integrity of Gas Pipelines(以下簡稱ASME B31.8 S—2020)和GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(以下簡稱GB 32167—2015)均提出了相同的定量計(jì)算公式[19-20],主要考慮了管道管徑、最大允許操作壓力的影響,僅適用于天然氣管道。ASME B31.12—2019提出了適用于氫氣的潛在影響半徑計(jì)算公式,主要影響因素也是管道管徑和最大允許操作壓力。為了體現(xiàn)其差異,列出ASME B31.8 S—2020和ASME B31.12—2019的潛在影響半徑計(jì)算公式。
1)ASME B31.8 S—2020中的天然氣管道潛在影響半徑:
(1)
2)ASME B31.12—2019中的氫氣管道潛在影響半徑區(qū)域:
(2)
式中:r為潛在影響半徑,ft(1 ft=0.304 8 m);p為最高允許操作壓力,psi(1 psi=0.068 9 MPa);d為管道外徑,in(1 in=25.4 mm)。
由此可見,兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均規(guī)定了輸送管道的潛在影響半徑計(jì)算公式,在相同的允許操作壓力和管徑下,氫氣管道的潛在影響半徑為天然氣的68%,說明在相同泄漏場景下,氫氣管道的潛在影響半徑明顯小于天然氣管道。同時(shí),ASME B31.12—2019在適用范圍中說明,本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不適用于氫氣含量小于10%的天然氣管道,但計(jì)算公式僅體現(xiàn)了管道外徑與最高操作壓力等影響因素,未體現(xiàn)組分的影響,而從ASME B31.12—2019和ASME B31.8 S—2020的對比可看出,組分對潛在影響半徑的影響明顯。因此,尚需進(jìn)一步論證該公式的實(shí)際適用性。
潛在影響半徑公式考慮了埋地可燃?xì)怏w輸送管道在完全破裂的場景下形成噴射火,其噴射火熱輻射造成1%死亡概率時(shí)的影響半徑,考慮的熱輻射通量為15.8 kW/m2,影響因素包括當(dāng)量泄漏速率、燃燒系數(shù)、輻射系數(shù)、燃燒熱、熱輻射通量等。其中,當(dāng)量泄漏速率、燃燒熱等參數(shù)均與組分相關(guān),當(dāng)量泄漏速率的計(jì)算與管道直徑、管道運(yùn)行壓力、氣體比熱比等有關(guān)。由此,在介質(zhì)組分確定的情況下,不同介質(zhì)的潛在影響半徑計(jì)算公式的形式與式(1)~(2)一致,且式(1)~(2)中的系數(shù)實(shí)際上就是組分特征的折算值,這也就解釋了氫氣管道、天然氣管道的潛在影響半徑計(jì)算公式差異所在。
因此,本文推導(dǎo)了適用于不同氫氣含量的氫氣—天然氣體系的潛在影響半徑計(jì)算公式。
(3)
式中:rmixture為含氫天然氣管道的潛在影響半徑,m;m為濃度修正系數(shù),m的典型取值見表2。
表2 不同氫含量修正系數(shù)表
采用式(1)~(3),模擬了最高允許操作壓力為 8 MPa 的DN300管道輸送天然氣和氫氣下的潛在影響半徑,計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 式(1)~(3)模擬工況潛在影響半徑對比表
由表3可見,由于從潛在影響半徑的本質(zhì)進(jìn)行了探討,本文推導(dǎo)的式(3)計(jì)算結(jié)果與式(1)~(2)的計(jì)算結(jié)果誤差較小,產(chǎn)生誤差的主要原因可能是關(guān)聯(lián)公式中組分特性取值有所差別;同時(shí),從計(jì)算結(jié)果可以看出,ASME B31.12—2019推薦的式(2)實(shí)際上是純氫氣管道的潛在影響半徑。結(jié)合前文在探討站場間距時(shí)的結(jié)果也印證了此問題,即相同泄漏場景下,天然氣的等強(qiáng)度熱輻射范圍大于氫氣。
進(jìn)一步的分析結(jié)果也說明了ASME B31.12—2019規(guī)范在潛在影響半徑公式的適用性上存在說明不充分的問題,例如,若對于氫氣含量10%的含氫天然氣管道,其計(jì)算的潛在影響半徑約為87.5 m,而采用ASME B31.12—2019的計(jì)算結(jié)果(式(2))為62.99 m,誤差較為明顯,并且這種誤差將導(dǎo)致對管道潛在影響半徑的估算不足。
站場爆炸危險(xiǎn)區(qū)域是爆炸性混合物出現(xiàn)的或預(yù)期可能出現(xiàn)的數(shù)量達(dá)到足以要求對電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取預(yù)防措施的區(qū)域。按照爆炸性混合物出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時(shí)間可分為不同危險(xiǎn)程度的若干區(qū)。爆炸性氣體環(huán)境應(yīng)根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。由于中國尚未發(fā)布含氫天然氣管道工程站場的相關(guān)規(guī)范,其爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍有待討論。
氫氣、甲烷和含氫天然氣均屬于可燃性氣體,其爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分均可執(zhí)行GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定[21]。GB 50516—2010和GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB 50251—2015)對于環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分的原則一致,但具體作法有所不同。GB 50516—2010認(rèn)為:已建的氫氣站內(nèi)有爆炸危險(xiǎn)的房間均設(shè)置了自然通風(fēng)和一般的機(jī)械通風(fēng),但未設(shè)局部通風(fēng)。因此,在氫氣站的制氫間、氫氣純化間、氫氣壓縮機(jī)間、氫氣灌裝間等房間內(nèi)爆炸危險(xiǎn)物質(zhì)的釋放屬于第一級釋放源,其爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分應(yīng)定為1區(qū)。對于有爆炸危險(xiǎn)的房間,GB 50251—2015針對室內(nèi)的分區(qū),采用了“通風(fēng)良好”或“通風(fēng)不良”進(jìn)行區(qū)分,將存在1類釋放源的“通風(fēng)良好室內(nèi)區(qū)域”劃分為2區(qū),將存在1類釋放源的“通風(fēng)不良室內(nèi)區(qū)域”劃分為2區(qū)。
同時(shí),在戶外區(qū)域,GB 50251—2015在有介質(zhì)放散的管口區(qū)域(半徑為1.5 m范圍)也考慮為1區(qū),在GB 50516—2010中未提出這類要求。
綜上所述,鑒于含氫天然氣管道工程的站場流程、操作條件和設(shè)施等與天然氣管道工程較為類似,在含氫天然氣管道工程的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域劃分相關(guān)要求中,可按照GB 50251—2015的要求執(zhí)行,但需要進(jìn)一步對“通風(fēng)良好”的具體措施進(jìn)行專業(yè)分析和討論。
GB 50516—2010和GB 50251—2015對室內(nèi)或密閉區(qū)域的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍的確定原則一致,均整體考慮為氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍;但對2區(qū)的邊界劃分略有區(qū)別。具體地,對點(diǎn)釋放源均按照半徑4.5 m的原則劃分2區(qū)范圍,對面釋放源均按照外延4.5 m的原則劃分2區(qū)范圍;在放散口區(qū)域,天然氣按照放散口為中心劃分4.5 m球形區(qū)域?yàn)?區(qū),氫氣則從氫氣放空管管口計(jì)算,半徑4.5 m的區(qū)域和頂部以上7.5 m的空間區(qū)域?yàn)?區(qū)。
實(shí)際上,在微小泄漏時(shí),氫氣由于分子量較小,臨界流速較高,水平擴(kuò)散到50%爆炸下限的距離大于天然氣,因此按照氫氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇4.5 m的指標(biāo)是可以滿足含氫天然氣的同類場景擴(kuò)散距離要求的。在GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)(2018年版)》第5.2節(jié)條文解釋中,認(rèn)為正常操作時(shí),甲類(包括甲烷)工藝設(shè)備周圍3 m左右屬于可燃?xì)怏w的微小泄漏擴(kuò)散范圍,同時(shí)也進(jìn)一步指出“氫氣的水平擴(kuò)散距離一般不超過4.5 m”,這也對前述分析進(jìn)行了佐證。
綜上所述,對于含氫天然氣管道站場的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍,宜結(jié)合GB 50516—2010和GB 50251—2015的從嚴(yán)要求執(zhí)行。
本文基于氫氣、天然氣的介質(zhì)特性,結(jié)合工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵間距要求問題,重點(diǎn)開展了含氫天然氣管道站場區(qū)域布置防火間距、潛在影響半徑、防爆區(qū)域范圍等關(guān)鍵定量問題的探討,得出以下結(jié)論和建議。
1)相同泄漏場景下,含氫天然氣的熱輻射范圍總體呈現(xiàn)隨氫氣含量升高而下降的趨勢,但受初始噴射速度的影響,中、小孔泄漏下,含氫天然氣的擴(kuò)散范圍(至50%爆炸下限)隨氫氣含量升高而升高。通過深入分析現(xiàn)行的相關(guān)防火規(guī)范的間距要求,基于不同比例含氫天然氣管道泄漏后果分析,結(jié)合含氫天然氣管道工程工藝流程、運(yùn)行壓力等實(shí)際情況,推薦含氫天然氣管道工程的防火間距參考GB 50183—2004中的同規(guī)模天然氣站場要求執(zhí)行,對氫氣站場與人居場所、重要建筑的可參照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范進(jìn)行從嚴(yán)要求。并建議部分可由擴(kuò)散后引燃的間距范圍適當(dāng)考慮設(shè)計(jì)裕量。
2)現(xiàn)行ASME B31.12—2019的潛在影響半徑計(jì)算存在適用范圍說明不清晰的問題,僅適用于純氫氣體;針對含氫天然氣管道的潛在影響半徑問題進(jìn)行了定量探討,提出了一種基于氫氣含量、操作壓力和管徑的潛在影響半徑計(jì)算方法,可對工程提供參考和借鑒。
3)含氫天然氣管道站場的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域劃分宜參照輸氣管道站場要求執(zhí)行,但需進(jìn)一步探討“通風(fēng)良好”的具體措施;對于含氫天然氣管道站場的爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)域范圍,宜結(jié)合GB 50516—2010和GB 50251—2015的從嚴(yán)要求執(zhí)行。