CN110543735B - 一种天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距的设计方法，其包括(A)收集在线分析仪器的基础参数；(B)根据收集数据，计算所有仪器爆破的能量，并转化成TNT当量值，挑选值较高的仪器为布局依据；(C)基于1000kg TNT炸药爆炸产生的冲击波超压，结合高斯分布函数概率模型，拟合关联失效概率与相当距离的关系，并选出可接受的关联失效概率，定性确定相当距离；(D)基于冲击波超压相等原则，结合步骤(B)与步骤(C)的计算结果，计算所选仪器的安全距离；(E)根据步骤(D)的计算结果，设计或调整在线分析仪器间的布局。本发明计算得到的在线分析仪器的安全间距为仪器的安装布局提供指导，为分析小屋的安全运行提供保障。

Description

一种天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法
技术领域
本发明涉及天然气站场在线分析技术与安全保障技术领域，尤其涉及一种天然气站场分析小屋内在线分析仪器安装间距设计方法。
背景技术
在天然气工业中，在线分析仪器通常安装在源流体现场，用于自动测量、分析天然气组分或物性参数，广泛的应用于天然气生产、净化、储运、贸易等环节。在天然气长输管道的输气首站、中间站与末站一般均配置硫化氢、微量水、色谱分析仪等三种分析仪器，有的输气首站还配置在线烃露点分析仪。在线分析仪器的分析结果不仅反映了现场生产工艺的关键指标，还直接参与了天然气计量标准转换。基于分析仪器的重要性，为保障仪器的使用性能并利于维护，在天然气工业现场，在线分析仪器通常安装在金属结构的分析小屋内。
分析小屋为在线分析仪器提供了可控制的操作和维护环境，但由于分析小屋运输、安装的特殊性，其壁面尺寸受限；且由GB/T 34042-2017《在线分析仪器系统通用规范》中给出的分析小屋典型布置图可知，分析仪器通常安装在同一壁面上。这使得分析仪器间布局紧凑，部分分析仪的安装间距甚至不足0.3m。一旦某一分析仪器发生设备超压、样气气路堵塞等紧急事故，极有可能波及屋内其他仪器设备，进而引发多米诺效应，极大的扩展了分析仪器的失效后果。而多米诺效应的升级向量一般考虑为冲击波超压、爆炸碎片和热辐射，由于分析小屋空间密闭且分析样气有限，可忽略热辐射影响；对于体积小于500m3的设备对其爆炸碎片问题通常不作考虑。因此，本发明仅就冲击波超压作为分析仪器间的升级向量进行说明。
分析仪器由于临近仪器的超压爆破导致的损坏，这一事件事件可称为关联失效事件，将其中的失效概率定义为关联失效概率。影响关联失效概率的因素主要包括仪器间距离与发生超压爆破产生的爆破能量。当分析仪器的爆破能量一定时，可以通过调整仪器间的距离将这种关联失效影响降到可接受范围内，从而有力地控制分析仪器的失效风险。而目前，国内外尚无指导分析仪器布局的方法，也就难以实现对分析仪器间关联失效概率的有效控制。
发明内容
本发明是为了解决现有国家标准、规范中缺乏分析小屋在线分析仪器的布局要求，难以获得合理、安全地安装间距，无法满足实际应用需求等问题而提出的一种清晰、易操作的在线分析仪器的安装间距设计方法，计算结果能够指导分析小屋在线分析仪器的安装布局，降低分析仪的运行风险，保障站场的安全运行。
本发明是通过以下技术方案实现的：
上述的一种天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法，包括以下步骤：(A)收集所有(设为n个)在线分析仪器的体积、工作压力与仪器间实际距离；(B)根据上述步骤(A)中收集到的数据，计算出每个仪器爆破产生的爆破能量，并转化成TNT当量值，然后确定n-1个TNT当量值较高的分析仪器作为仪器安装间距的设计依据；(C)根据已知的1000kg TNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压结合高斯分布函数概率模型，拟合关联失效概率与相当距离的关系，选择可接受的关联失效概率，定性的确定相当距离R0；(D)根据冲击波超压相等原则，结合步骤(B)与步骤(C)的计算结果，计算得到n-1个仪器的全部安全距离；(E)根据上述步骤(D)计算结果，对新建的天然气站场分析小屋合理设计在线分析仪器间的布局，而对于已投产运行的分析小屋，合理调整在线分析仪器间的布局。
所述天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法，其中，所述步骤(B)中计算每个仪器爆破产生的爆破能量的计算公式为：
Figure BDA0002195149150000021
式(1)中，Eg指所述容器内气体的爆炸能量，单位为J；p指所述气体爆破前的绝对压力，单位为MPa；V指所述容器体积(无液体时)，单位为m3；k指所述气体绝热指数。
所述天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法，其中，所述步骤(B)中计算每个仪器爆破产生的爆破能量转化为TNT当量值的计算公式为：
Figure BDA0002195149150000022
式(2)中，WTNT指所述容器爆破的TNT当量值，即容器爆破产生冲击波所消耗的能量相当于TNT炸药量，kg。
所述天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法，其中，所述步骤(C)中已知的1000kg TNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压关系如表1所示：
表1 1000kg TNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压
Figure BDA0002195149150000031
所述天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法，其中，所述步骤(C)中高斯分布函数概率模型的计算公式为：
Figure BDA0002195149150000032
式(3)中，f指所述目标设备失效概率，单位为次/a；u指所述积分变量；Y指所述目标设备损坏概率的概率单位值，按表2确定。
表2事故扩展概率计算模型
Figure BDA0002195149150000033
所述天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法，其中，所述步骤(C)中拟合得到的关联失效概率与相当距离的关系曲线如下图1所示，基于可接受的关联失效概率选择当距离。
所述天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法，其中，所述步骤(D)中冲击波相等原则表述为当不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果距离爆炸中心的距离R之比与炸药量q的三次方根之比相等，则所产生的冲击波超压相同，其计算公式为：
Figure BDA0002195149150000034
式(4)中，R指所述目标与爆炸中心距离，单位为m；R0指所述目标与基准爆炸中心的距离，单位为m；q0指所述基准爆炸能量，相当于TNT炸药量，取1000kg；q指所述爆破时产生冲击波所消耗的能量，相当于TNT炸药量，单位为kg；Δp指所述目标处的超压，单位为MPa；Δp0指所述基准目标处的超压，单位为MPa；a指所述炸药爆炸实验的模拟比。
此时，容器爆破产生冲击波所消耗的能量WTNT即为q。
说明书附图
图1为本发明天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距设计方法的流程图
图2为本发明相当距离与关联失效概率的关系图
图3为本发明在线分析仪器壁面布置图
图4为本发明在线分析仪器布局调整结果示意图
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步描述。
实施例1
某分析小屋壁面安装有水烃露点分析仪、H2S分析仪和气相色谱分析仪各1台，分析仪的壁面布置图如图3所示。建议关联失效概率控制在20％以下时，完成在线分析仪器安装间距的设计。(取水烃露点分析仪样气k＝1.25，H2S分析仪样气k＝1.29，气相色谱仪样气k＝1.38)步骤(A)收集水烃露点分析仪、H2S分析仪和气相色谱分析仪的体积依次为0.214m3、0.038m3与0.208m3，工作压力依次为2.7MPa、0.56MPa与0.7MPa，仪器间实际距离由图3可知；
步骤(B)根据基础数据，计算出每个仪器的爆破能量并转化成TNT当量值，然后确定3-1＝2个TNT当量值较高的分析仪器作为仪器安装间距的设计依据；
其中，水烃露点分析仪的爆破能量：
Figure BDA0002195149150000041
水烃露点分析仪爆破的TNT当量值：
Figure BDA0002195149150000042
H2S分析仪的爆破能量：
Figure BDA0002195149150000043
H2S分析仪爆破的TNT当量值：
Figure BDA0002195149150000051
气相色谱仪的爆破能量：
Figure BDA0002195149150000052
气相色谱仪的TNT当量值：
Figure BDA0002195149150000053
选择TNT当量值较高的水烃露点分析仪与气象色谱仪为布局依据。
步骤(C)基于图2，当确定关联失效概率在20％以下时，相当距离R0≥45m；
步骤(D)根据冲击波超压相等原则，结合步骤(B)与步骤(C)的计算结果，计算得到水烃露点分析仪与气象色谱仪的安全距离；
其中，由冲击超压相等原则
Figure BDA0002195149150000054
可得其变形式
Figure BDA0002195149150000055
距离水烃露点分析仪的安全距离：
Figure BDA0002195149150000056
距离气象色谱仪的安全距离：
Figure BDA0002195149150000057
步骤(E)根据上述步骤(D)计算结果，调整实例中分析仪布局，调整结果如图4所示。(这里按两种分析小屋长度给出假设，若均不满足，建议增大分析小屋长度)。

Claims (1)

1.一种天然气站场分析小屋在线分析仪器安装间距的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)收集天然气站场分析小屋内n个在线分析仪器基础参数，其中基础参数包括体积、工作压力、仪器间的实际距离；
(B)根据步骤(A)中收集的数据，计算所有仪器爆破的能量，并转化成TNT当量值，挑选n-1个TNT当量值较高的仪器为布局依据；
(C)基于1000kg TNT炸药爆炸时产生的冲击波超压结合高斯分布函数概率模型，拟合关联失效概率与相当距离的关系，并选出可接受的关联失效概率，定性的确定相当距离；
(D)基于冲击波超压相等原则，结合步骤(B)与步骤(C)的计算结果，计算得到n-1个仪器的全部安全距离；
仪器间的安全距离采用下式进行计算：
Figure FDA0003588230230000011
Δp＝Δp0
式中，R指目标与爆炸中心距离，单位为m；R0指目标与基准爆炸中心的距离，单位为m；q0指基准爆炸能量，单位为kg；q指爆破时产生冲击波所消耗的能量，单位为kg；Δp指目标处的超压，单位为MPa；Δp0指基准目标处的超压，单位为MPa；a指炸药爆炸实验的模拟比；
(E)根据步骤(D)的计算结果，设计或调整在线分析仪器间的布局。
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