FLARESIM軟件在脫氣站火炬改造中的應用

高秀寶,黃志慧

(1.中海油石化工程有限公司儲運室，山東青島 266000；

2.中海油石化工程有限公司設備室，山東 青島 266000 )

國外某脫氣站為了提高產量，擬新增兩列油氣分離處理設施，受限于現有設備的總圖布置，擬新增的油氣處理設施距離現有火炬設施較近，為了保證新增油氣處理設施的安全，需要對現有的火炬設施進行移位改造。移位改造的火炬僅作為臨時設施使用。為了節省成本，臨時火炬的高度要求盡量降低，為了保證臨時火炬周圍人員及設備的安全，對其熱輻射的計算尤為重要。目前，國內外工程公司及火炬生產廠家所廣泛使用的專業軟件是Flaresim軟件，該軟件不僅可以幫助工程設計人員進行火炬系統的設計及評估，而且可以計算火炬產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[1]

Flaresim不僅可以幫助專業設計人員進行火炬系統周圍熱輻射、溫度分布的計算，而且可以分析具有多個火炬頭共架的復雜火炬系統。其高斯擴散模型可以計算火炬未燃燒時火炬氣中的H2S以及燃燒后SO2、NOx的濃度分布，可以幫助設計人員進行火炬設施的布置。

Flaresim 軟件操作界面非常友好，設計人員通過菜單欄和工具欄就可以進行操作。軟件輸出的文件及計算結果均可以進行定制，按要求輸出文本、表格、圖形等。

2 熱輻射距離計算方法

根據API 521[2]，計算火焰輻射熱時通常將火焰看作單一熱源點考慮，對于單一熱源點至受熱點的距離計算則根據Hajek 和Ludwig的推導的經驗公式。

式中：D——從熱源點至受熱點的最小距離，m；

τ——通過大氣的熱輻射傳導系數；

F——熱輻射系數；

Q——釋放熱量(低熱值)，kW；

K——允許的熱輻射密度，kW/m2。

API 521詳細的中給出了一種簡單的圖解法和Brzustowski's and Sommer's 計算方法，根據有關文獻研究報道[3]，API 521中的圖解法相對而言計算比較保守，在較大排放量時計算結果不太合理。而Brzustowski's and Sommer's 計算方法得到的計算結果是大家普遍接受的。

3 FLARESIM軟件熱輻射計算方法

FLARESIM軟件輻射熱計算方法有6種，包括API計算方法、點源計算方法、擴散源計算方法、點源和擴散源的混合計算方法、Brzustowski's and Sommer's 計算方法，以及Chamberlain (Thornton)計算方法。其中API計算方法中有Flaresim API和 Strict API兩種變化形式。所有這些方法的主要區別在于火焰中單個元素熱流量計算方式和火焰形狀計算方式。根據文獻[4]，以上方法中Flaresim API、Strict API和混合計算方法計算結果較為精確且應用廣泛。

在火炬輻射熱計算中還有一個非常重要的參數就是熱輻射系數F。熱輻射系數跟火炬頭的設計、泄放速度以及火炬氣的分子量相關。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。根據文獻[2]，火炬的熱輻射系數差別很大，范圍在0.1～0.5，并給出了熱輻射的計算公式：

式中：HV——排放氣體的體積低發熱值，kJ/Nm3；

RH——空氣濕度百分比；

DR——火焰中心至受熱點的距離，m。

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

4工程實例應用

4.1 項目概況

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

圖1 現有設施工藝流程圖

現有火炬設施如圖2所示。

圖2 現有火炬設施

4.2 建模計算

根據項目要求，臨時高低壓火炬距離最近的設施輻射熱值要小于1.58kW，并且保證火炬燃燒產物以及火炬熄滅時H2S擴散濃度小于相關要求。

4.2.1 模型建模輸入

項目現場海拔為4～10 m，大氣壓力約為102kPa，環境溫度為-5～55℃，相對濕度為25%～80%，最大風速達到40m/s，根據文獻[3]輻射熱計算風速取值8.9 m/s，當地太陽輻射熱1.04kW/m2。高壓火炬系統的處理量為22616kg/h，低壓火炬系統的處理量為3991kg/h。高低壓火炬系統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)

4.2.2 軟件模擬計算

以現有火炬的規格作為臨時火炬筒體高度及直徑的輸入，以臨時高壓火炬系統作為原點(0，0)。以項目要求的輻射熱及H2S擴散濃度限值進行計算，得到臨時火炬的安全距離。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

通過軟件計算，臨時高壓火炬北側2.8m處敷設熱值最大(假設風向由南向北)，可以達到21.2kW/m2。在臨時火炬105m以外范圍敷設熱值可以滿足小于1.58kW/m2的要求。

圖4 H2S落地濃度曲線圖

通過軟件計算，H2S最大落地濃度出現在臨時火炬下風向約2800m處，濃度為19.65ug/m3，可以滿足項目要求，H2S落地濃度曲線見圖4。

通過軟件計算，臨時火炬燃燒產物SO2和CO2最大落地濃度出現在臨時火炬下風向約1000m處，落地濃度分別為127.3ug/m3和32.5ug/m3，可以滿足項目相關規定，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 項目實施結果

根據軟件計算，臨時火炬布置距離脫氣站最近設施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，臨時火炬設施見圖6。

圖6 臨時火炬設施

5 結論

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