FLARESIM軟件在脫氣站火炬改造中的應(yīng)用

高秀寶,黃志慧

(1.中海油石化工程有限公司儲運(yùn)室，山東青島 266000；

2.中海油石化工程有限公司設(shè)備室，山東 青島 266000 )

國外某脫氣站為了提高產(chǎn)量，擬新增兩列油氣分離處理設(shè)施，受限于現(xiàn)有設(shè)備的總圖布置，擬新增的油氣處理設(shè)施距離現(xiàn)有火炬設(shè)施較近，為了保證新增油氣處理設(shè)施的安全，需要對現(xiàn)有的火炬設(shè)施進(jìn)行移位改造。移位改造的火炬僅作為臨時(shí)設(shè)施使用。為了節(jié)省成本，臨時(shí)火炬的高度要求盡量降低，為了保證臨時(shí)火炬周圍人員及設(shè)備的安全，對其熱輻射的計(jì)算尤為重要。目前，國內(nèi)外工程公司及火炬生產(chǎn)廠家所廣泛使用的專業(yè)軟件是Flaresim軟件，該軟件不僅可以幫助工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及評估，而且可以計(jì)算火炬產(chǎn)生的熱輻射和噪音以及估算受輻射物體表面的溫度。

1 FLARESIM軟件特點(diǎn)[1]

Flaresim不僅可以幫助專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行火炬系統(tǒng)周圍熱輻射、溫度分布的計(jì)算，而且可以分析具有多個(gè)火炬頭共架的復(fù)雜火炬系統(tǒng)。其高斯擴(kuò)散模型可以計(jì)算火炬未燃燒時(shí)火炬氣中的H2S以及燃燒后SO2、NOx的濃度分布，可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行火炬設(shè)施的布置。

Flaresim 軟件操作界面非常友好，設(shè)計(jì)人員通過菜單欄和工具欄就可以進(jìn)行操作。軟件輸出的文件及計(jì)算結(jié)果均可以進(jìn)行定制，按要求輸出文本、表格、圖形等。

2 熱輻射距離計(jì)算方法

根據(jù)API 521[2]，計(jì)算火焰輻射熱時(shí)通常將火焰看作單一熱源點(diǎn)考慮，對于單一熱源點(diǎn)至受熱點(diǎn)的距離計(jì)算則根據(jù)Hajek 和Ludwig的推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式。

式中：D——從熱源點(diǎn)至受熱點(diǎn)的最小距離，m；

τ——通過大氣的熱輻射傳導(dǎo)系數(shù)；

F——熱輻射系數(shù)；

Q——釋放熱量(低熱值)，kW；

K——允許的熱輻射密度，kW/m2。

API 521詳細(xì)的中給出了一種簡單的圖解法和Brzustowski's and Sommer's 計(jì)算方法，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)研究報(bào)道[3]，API 521中的圖解法相對而言計(jì)算比較保守，在較大排放量時(shí)計(jì)算結(jié)果不太合理。而Brzustowski's and Sommer's 計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果是大家普遍接受的。

3 FLARESIM軟件熱輻射計(jì)算方法

FLARESIM軟件輻射熱計(jì)算方法有6種，包括API計(jì)算方法、點(diǎn)源計(jì)算方法、擴(kuò)散源計(jì)算方法、點(diǎn)源和擴(kuò)散源的混合計(jì)算方法、Brzustowski's and Sommer's 計(jì)算方法，以及Chamberlain (Thornton)計(jì)算方法。其中API計(jì)算方法中有Flaresim API和 Strict API兩種變化形式。所有這些方法的主要區(qū)別在于火焰中單個(gè)元素?zé)崃髁坑?jì)算方式和火焰形狀計(jì)算方式。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，以上方法中Flaresim API、Strict API和混合計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果較為精確且應(yīng)用廣泛。

在火炬輻射熱計(jì)算中還有一個(gè)非常重要的參數(shù)就是熱輻射系數(shù)F。熱輻射系數(shù)跟火炬頭的設(shè)計(jì)、泄放速度以及火炬氣的分子量相關(guān)。API 521給出了部分氫氣、丁烷、甲烷和天然氣(95%甲烷)熱輻射系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，火炬的熱輻射系數(shù)差別很大，范圍在0.1～0.5，并給出了熱輻射的計(jì)算公式：

式中：HV——排放氣體的體積低發(fā)熱值，kJ/Nm3；

RH——空氣濕度百分比；

DR——火焰中心至受熱點(diǎn)的距離，m。

FLARESIM軟件也給出了幾種熱輻射系數(shù)的計(jì)算方法，通常采用High Efficiency，詳見下表。

4工程實(shí)例應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概況

國外某油田脫氣站為了提高產(chǎn)量需要新增兩列一、二級分離器，并配套新建一套火炬系統(tǒng)用于處理新增油氣分離設(shè)施泄放的天然氣。而現(xiàn)有火炬設(shè)施主要用于處理現(xiàn)有分離設(shè)施的泄放氣體?，F(xiàn)有火炬設(shè)施距離現(xiàn)有站內(nèi)分離設(shè)施約200米，火炬高度僅為5米。受限于目前脫氣站總圖布置，新增的油氣處理設(shè)施距離現(xiàn)有火炬設(shè)施較近，為了保證新增油氣處理設(shè)施的安全，需要根據(jù)輻射熱計(jì)算結(jié)果對現(xiàn)有的火炬設(shè)施進(jìn)行移位改造。脫氣站內(nèi)工藝流程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有設(shè)施工藝流程圖

現(xiàn)有火炬設(shè)施如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有火炬設(shè)施

4.2 建模計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目要求，臨時(shí)高低壓火炬距離最近的設(shè)施輻射熱值要小于1.58kW，并且保證火炬燃燒產(chǎn)物以及火炬熄滅時(shí)H2S擴(kuò)散濃度小于相關(guān)要求。

4.2.1 模型建模輸入

項(xiàng)目現(xiàn)場海拔為4～10 m，大氣壓力約為102kPa，環(huán)境溫度為-5～55℃，相對濕度為25%～80%，最大風(fēng)速達(dá)到40m/s，根據(jù)文獻(xiàn)[3]輻射熱計(jì)算風(fēng)速取值8.9 m/s，當(dāng)?shù)靥栞椛錈?.04kW/m2。高壓火炬系統(tǒng)的處理量為22616kg/h，低壓火炬系統(tǒng)的處理量為3991kg/h。高低壓火炬系統(tǒng)處理的氣體組分差別不大，因此按照同一組分考慮，具體組分如表2所示。

表2 泄放氣體組分

表2(續(xù))

4.2.2 軟件模擬計(jì)算

以現(xiàn)有火炬的規(guī)格作為臨時(shí)火炬筒體高度及直徑的輸入，以臨時(shí)高壓火炬系統(tǒng)作為原點(diǎn)(0，0)。以項(xiàng)目要求的輻射熱及H2S擴(kuò)散濃度限值進(jìn)行計(jì)算，得到臨時(shí)火炬的安全距離。高低壓火炬熱輻射范圍見圖3。

圖3 高低壓火炬熱輻射范圍圖

通過軟件計(jì)算，臨時(shí)高壓火炬北側(cè)2.8m處敷設(shè)熱值最大(假設(shè)風(fēng)向由南向北)，可以達(dá)到21.2kW/m2。在臨時(shí)火炬105m以外范圍敷設(shè)熱值可以滿足小于1.58kW/m2的要求。

圖4 H2S落地濃度曲線圖

通過軟件計(jì)算，H2S最大落地濃度出現(xiàn)在臨時(shí)火炬下風(fēng)向約2800m處，濃度為19.65ug/m3，可以滿足項(xiàng)目要求，H2S落地濃度曲線見圖4。

通過軟件計(jì)算，臨時(shí)火炬燃燒產(chǎn)物SO2和CO2最大落地濃度出現(xiàn)在臨時(shí)火炬下風(fēng)向約1000m處，落地濃度分別為127.3ug/m3和32.5ug/m3，可以滿足項(xiàng)目相關(guān)規(guī)定，H2S落地濃度≤15mg/m3，SO2落地濃度≤13mg/m3，CO2落地濃度≤9000mg/m3，SO2和CO2落地濃度曲線見圖5。

圖5 SO2和CO2落地濃度曲線圖

4.2.3 項(xiàng)目實(shí)施結(jié)果

根據(jù)軟件計(jì)算，臨時(shí)火炬布置距離脫氣站最近設(shè)施105m以外的位置既可以保證輻射熱值小于1.58 kW/m2的要求，又可以滿足H2S、SO2和CO2最大落地濃度限值，臨時(shí)火炬設(shè)施見圖6。

圖6 臨時(shí)火炬設(shè)施

5 結(jié)論

FLARESIM軟件可以有效的幫助工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行火炬設(shè)計(jì)，該軟件不僅可以計(jì)算火炬的熱輻射分布，受輻射物體表面的溫度、火炬的噪音，而且可以計(jì)算火炬燃燒后的污染物落地濃度以及火炬未燃燒時(shí)有害氣體的落地濃度。尤其是在GB50160《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》明確了不同輻射熱范圍內(nèi)布置不同的設(shè)施后，該軟件可以有效幫助設(shè)計(jì)人員確定各類設(shè)施的安全間距。