高架火炬热辐射安全间距的计算

高架火炬热辐射安全间距的计算

该火炬系统用于燃烧和处理异常和事故期间从装置排放的所有气体，如烃类、硫醇钠等。火炬按照燃烧器是否远离地面分为高架火炬和地面火炬。高架火炬因具有建设成本低、处理量大等优点被石化企业广泛应用。GB50160-2008《石油化工企业设计防火规范》要求高架火炬与厂外公路、铁路等距离≥80m,与甲乙类工艺装置或设施距离≥90m,距居民区、村庄等≥120m。这不但造成建设一座高架火炬需要大面积的征地,而且随着企业用地紧张,许多高架火炬与周边设施的间距不满足该标准要求。GB50984-2014《石油化工工厂布置设计规范》要求当排放气体不带液时,高架火炬周边人员集中场所和设施处的热辐射值需满足要求。SH3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》规定了火炬系统最大运行热辐射值,见表1所示。为了研究高架火炬的热辐射影响范围,以某企业高架火炬为案例,采用工程化模型及计算流体力学(CFD)模型,得到了高架火炬按照最大设计处理量排放时热辐射云图,确定火炬周边关键设施的热辐射强度,确定高架火炬合理的安全距离。1高架火炬周边装置布置现状该石化厂火炬系统主要用来燃烧处理原料预处理、延迟焦化、柴油加氢等装置排放的气体。最大设计火炬气流量为92602kg/h,排放气体主要由H高架火炬周边装置主要包括水封罐、分液罐、地面火炬、硫氢化钠储罐区以及硫氢化钠生产罐区,高架火炬周边装置地形标高及分布情况,如图1所示。高架火炬及其附属设备所在区域标高173.4m,地面火炬所处区域、硫氢化钠储罐区及硫氢化钠生产罐区所处地形标高均为169m。高架火炬周边正北方向约32m处为地面火炬,硫氢化钠储罐区距离高架火炬约27.5m,硫氢化钠生产罐区距离高架火炬距离约55m。2高架火炬的风向(1)风向:取硫氢化钠生产罐区位于高架火炬的下风向,设风向与正北向的角度为225°;取硫氢化钠生产罐区位于高架火炬的上风向,设风向与正北向的角度为45°。(2)风速:取该地区气象站近20a主要气候要素统计表中的全年平均风速,2m/s;考虑较大风速对高架火炬燃烧热辐射的影响,增加风速为5m/s的工况。(3)环境温度:取该地区气象站近20a的全年平均气温,13.2℃。(4)环境湿度:取该地区年均相对湿度,65%。3高火的热辐射计算3.1火炬燃烧过程热辐射计算(1)Flaresim工程化模型。Flaresim可以用于海洋石油平台、气体生产车间、炼厂以及化学品车间的火炬系统的设计和计算,提供了一系列的公式预测各种不同火炬的热辐射量。Flaresim包括多种用于热辐射计算的法则,主要有API、点源模型、扩散源模型、点源和扩散源混合模型、Brzustowski模型以及Chamberlain模型。(2)计算模型建立。利用Flaresim软件对该企业高架火炬建立计算模型。根据火炬头设计参数,选择火炬筒体模型(genericpipe),该方法适用于火炬头出口马赫数大于0.2的火炬系统设计计算。火焰长度及热辐射计算选择点源和扩散源混合模型(Mix),该方法采用单点和扩散组合计算模式,在火炬近场和远场计算结果更贴近真实值。(3)计算区域设置。设置火炬塔架底部中心位置为原点(0,0,0),东西方向为X轴,北南方向为Y轴,海拔方向为Z轴。硫氢化钠生产和储存装置位于火炬塔架的东北方向,为了更加直观地显示火炬燃烧时硫氢化钠生产区周边热辐射强度,热辐射计算结果显示2D区域如下:东西方向:-150~150m;高度方向:-10~150m。热辐射监测点设置在最靠近火炬塔架的硫氢化钠反应罐罐顶,此处靠近高架火炬距离最近,热辐射值最大。监测点位置相对坐标为(53.13,14.24,0.60)。(4)典型场景热辐射计算结果。按照高架火炬最大设计泄放工况为92602kg/h,对不同风向条件下风速为2、5m/s时高架火炬燃烧产生的热辐射进行了模拟计算,模拟计算得到高架火炬火焰高度以及其热辐射强度数据,如图2~图5所示。其中横坐标为东西方向,纵坐标为海拔高度,中心下方为火炬塔架,上方为火焰,环形曲线为不同的热辐射等值线。将Flaresim计算得到的火焰长度以及热辐射值汇总,见表2所示。4种场景计算火焰长度均为70.46m。这是由于火炬气大量泄放时,火炬头出口处气流速度较快,此时火焰长度只与火炬气马赫数和火炬头出口面积有关,与风速风向无关。当风速为5m/s、风向为225°时,监测点热辐射强度最大,约为2.862kW/m3.2物理模型及热辐射(1)KFX介绍。采用KameleonFireEx(KFX)软件,该软件可以对各种类型的火灾进行CFD模拟,包括池火、喷射火、火炬、LNG火灾、密闭空间火灾、复杂阻塞区域火灾或开放空间火灾等,同时能够对温度、热辐射、烟气、能见度、燃烧物质浓度、有毒气体、噪声等进行详细计算。(2)物理模型的建立。依据现场实际情况建立了该厂高架火炬及周边设备的三维物理模型,主要包括高架火炬及其附属设备、地面火炬、硫氢化钠罐区(原料罐、产品罐)、生产罐区(反应釜、水封罐、缓冲罐、脱氨罐、真空泵入口缓冲罐、真空泵出口缓冲罐等)等。其中地面火炬、硫氢化钠罐区、生产罐区位于同一标高,以此作为基准,高架火炬及其附属装置标高高于基准4.4m,建立三维物理模型,如图6所示。(3)计算数学模型的建立。发生事故排放时,大量泄放气通过高架火炬的燃烧器放空,属于湍流流动。为了描述湍流,采用工程中应用广泛的k-ε双方程模型。燃烧模型采用Magnussen提出的涡耗散概念模型,即被广泛应用于燃烧模拟中的EDC模型,该模型已经过实验验证。热辐射计算采用Shah和Lockwood提出的离散传递模型,即DTM模型。(4)计算域设置。以高架火炬喷射口中心位置处作为X、Y坐标的0点,地面作为Z的0点,计算域取值为X坐标取-120~120m;Y坐标取-120~120m;Z坐标取0~200m。计算采用六面体网格,在燃烧器喷嘴附近加密网格,在远离燃烧区域的地方拉伸网格,共划分约200万网格。(5)典型场景热辐射计算结果。取高架火炬最大设计泄放工况为92602kg/h,利用CFD软件对不同风向条件下风速为2、5m/s时高架火炬燃烧产生的热辐射进行模拟计算,得到火焰燃烧温度场其热辐射强度数据,如图7~图10所示。其中,燃烧温度场截面取喷射口所处的XOZ截面,热辐射截面取硫氢化钠生产罐区反应釜所处的XOZ截面。对比风向225°,风速2、5m/s条件下的火焰燃烧温度场以及热辐射强度图可以看出,环境风速对高架火炬的火焰形状以及热辐射均有一定的影响。环境风速是影响大气湍流的重要因素之一。对于高架火炬燃烧火焰,风速直接影响火焰下风向的倾角,风速越大时火焰的倾角越大,即火焰越向地面靠拢。随着环境风速的增大,高架火炬热辐射的影响范围有所减小,这是由于风速增加时,高温烟气迅速被风稀释降温,导致燃烧产生的高温烟气的热辐射降低。高架火炬泄放量为92602kg/h、风向225°、风速分别为2、5m/s时,硫氢化钠生产罐区以及硫氢化钠储罐区的热辐射值为1.6~3.0kW/m风向45°时,对比2、5m/s风速条件下的火焰燃烧温度场以及热辐射强度图,与风向225̊时呈现类似的规律。当高架火炬泄放量为92602kg/h、风速为2m/s且风向45̊时,硫氢化钠生产罐区以及硫氢化钠储罐区的热辐射值为1.6~3.0kW/m4热辐射的意义(1)采用