高架火炬系统高度计算方法的比较研究

高架火炬系统高度计算方法的比较研究

通过满足环境要求，火炬系统安全处理原油预制装配厂、加油站等工厂或设备无法重复使用的燃料燃烧系统。高架火炬是目前行业内应用最广泛的火炬系统,火炬高度对整个高架火炬系统起着至关重要的作用。高架火炬系统高度的确定方法,包括通过国内外的设计规范计算火炬高度,并通过国内外的大气污染物排放标准核算火炬排放的可燃和有毒气体的落地浓度是否满足要求。然而国内外计算火炬高度和可燃、有毒气体落地浓度的方法很多,本文通过阐述几种火炬高度计算方法的原理,得出不同计算方法的应用场合;并且结合可燃和有毒气体的落地浓度最终确定火炬系统的高度。1为热辐射系数m目前国内外火炬高度的计算模型均为Hajek和Ludwing单点源方法:式中:D为火焰中心至受热点的距离,(m);τ为通过大气传播的辐射热量的比例;F为热辐射系数;Q为火焰产生的热量,(kW);K为允许的火炬热辐射强度,(kW/m但是确定火焰中心点和计算τ的方法不同,主要的方法有以下几种:API521Simple方法、Brzustowski’s和Sommer’s方法以及G.R.Kent方法等。1.1火炬高度和火焰长度计算Simple方法是自1969年在API521发表至今一直运用了很多年的方法,该方法是基于几组实测数据制作的火焰长度与气体低热值相关联的对数坐标图,并且结合火炬筒体出口处侧向风与火焰变形的近似关系图,通过图解法得出火焰中心点的位置,根据火焰中心点和接收点的几何关系进而计算得出火炬的高度。此方法需要使用两种经验图,且两幅图的制作均基于各种氢和碳氢化合物的实际观测数据。另外,通过与实际火炬的火焰长度作比较,该方法计算的数据与实际偏差比较大,尤其是在较大排放量时,其计算结果不太合理。因此Simple方法不适用较大排放量,或者含有醇类和脂类等成分的排放气体。且此方法假设τ为1,即认为火炬产生的辐射热在大气中不传播,所以Simple方法偏于保守。1.2增设火焰长度计算方法Brzustowski’s和Sommer’s方法是一种根据射流扩散理论确定火焰中心的单点法。该方法是基于可燃性气体在侧向风中喷射混合和在空气中爆炸下限研究的火焰长度计算方法。火焰的中心点是根据火焰在侧向风作用下形状中心曲线的中心点定义的。此方法需要运用经验图确定火炬中心点的坐标,根据排放气爆炸下限、空气推力与火炬出口喷射推力的乘积,通过曲线拟合出结果,所以此计算方法需要明确排放的火炬气的具体组分。另外,计算τ的经验公式是通过交叉绘制从霍特尔图计算的吸光度得到的,适用于除H1.3无风火焰中心位置G.R.Kent方法是通过小直径管道在静止的空气中对火焰的长度进行实验,得出从马赫数≥0.2开始火焰长度是固定的,并约等于气体出口直径的118倍。此方法认为火焰的热量是沿火焰长度均匀释放的,因此通过积分得到无风时火炬的火焰中心约在火焰长度下的1/3处。此方法需要运用伊万诺夫射流轨迹方程确定火焰的中心点,把火焰假设为刚性体,计算结果略保守于Brzustowski’s和Sommer’s方法。另外,该方法被收录在规范SH3009—2013中。但是在规范SH3009—2013中计算火炬高度时,未考虑辐射热量通过大气后被削弱的比例τ,所以计算结果略保守。1.4热辐射系数f还有其他方法可以用来计算火炬的高度。考虑了风速、火炬出口气体速度、火焰形状和火焰段分析的复杂模型更适用于特殊情况,特别是对于大型排放系统。Flaresim软件中还提出PointSource方法,该方法是APISimple方法的多点扩展,其中火焰假设是完全透明的,这样来自一个点的辐射既不会干扰另一个点,也不会遮挡另一个点。火焰被分成一系列较小的点源元素,这些点源元素的贡献加起来就可以得到火焰的总辐射。在实践中,这种方法通常比APISimple方法给出更实际的值。然而,它倾向于过度预测近场的热辐射。根据上述方法计算出火焰中心点,再通过地面不同区域接受点的最大允许热辐射强度,最终得出火炬的高度。在计算过程中地面不同区域接受点的允许热辐射值根据SH3009-2103和API521—2014的要求设置。另外,影响火炬对地面热辐射的因素还有热辐射系数F,由于火炬燃烧产生的火焰中释放的热量,并不是所有的热量都可以通过辐射的方式传递到地面。气体的组分、火焰类型、燃料/空气混合状态、火炬头的型式等因素都会影响热辐射系数的取值。因此热辐射系数的选取在计算火炬高度时也是需要着重考虑的因素之一。2气体扩散模型目前国内计算可燃和有毒物质落地浓度的计算方法主要是采用《环境影响评价技术导则大气环境》HJ2.2–2008的推荐模式—Screen3方法。Screen3方法计算气体扩散的模型是采用的相似模型。相似模型对气云微元就动量平衡、质量平衡、能量平衡进行分析,分别列出相应的x、y、z方向动量守恒、质量守恒等控制方程。经过质量和能量交换后,气云逐步转化为湍流扩散,最终表现为一个纯粹的高斯分布Screen3方法是假定扩散模型内符合相似的高斯烟羽分布,且结合最不利气象条件,计算气体最大落地浓度。此方法计算出的是某一污染源对环境空气质量的最大影响程度和影响范围的保守的计算结果。3火炬高度核算火炬高度的确定原则如下:1)地面不同区域接受点的最大允许热辐射强度需满足国内外规范要求;2)根据高度计算火炬排放时对地面产生的噪音,并按国内外环境噪音限值核算火炬高度。3)根据火炬高度计算可燃和有毒气体的落地浓度,并按国内外大气污染物排放标准核算火炬