海上平臺火炬臂長度設計計算實例分析

鐘小俠，鄭 路，林洞峰，陳 希，侯辰光

(中海石油(中國)有限公司天津分公司工程建設中心 天津 300459)

海上采油平臺通常設置壓力泄放系統，用于處理工藝容器和設備在安全泄放、維修時的排放及放空等。壓力泄放系統主要包括火炬燃燒和冷放空。其中，火炬是用來處理可燃有毒氣體的特殊燃燒設施，是保障安全生產、減少環境污染的一項重要的安全屏障[1]。海上平臺采用高架火炬，燃燒時會產生熱輻射、噪聲、光害和污染[2]。在進行火炬工藝計算時，必須遵循相關規范，充分考慮火炬燃燒的危害因素，從而保障海上平臺人員和設備的安全。

FlareSIM 軟件是應用于火炬設計和評價的典型軟件，能夠在多個平面定義多個感受點，并計算感受點的熱輻射、噪聲和表面溫度；采用火炬系統設計中美國石油學會(API)標準的Hajek/Ludwig 算法計算熱輻射，能夠定義多個環境工況來快速評價在不同風速和風向下火炬系統情況，適用于海洋平臺、氣田、煉廠和化工廠的火炬設計。本文通過FlareSIM 軟件設計渤海某新建采油平臺項目高架火炬，在滿足相關規范和項目對火炬的熱輻射、噪聲和溫度等數據要求的情況下，得到合理的火炬高度，為火炬系統后續設計提供基礎數據。

1 火炬臂的型式

海上油田火炬支撐結構有懸臂塔架式、直立塔架式、獨立火炬平臺和地面火炬4 種型式。懸臂塔架火炬是海上油田固定平臺常見的火炬型式。懸臂塔架火炬的火炬臂從平臺邊部向外伸出，與水平線成15°～45°傾角，火炬臂一般長為30～60 m。超過76 m時應考慮設置單獨的火炬平臺，以免因為過長或過重而在大風浪或其他災難性的波動中承受危險的結構應力。火炬臂的方位由主風向條件確定。

2 火炬臂長度計算原理

火炬熱輻射強度取決于火焰溫度、火焰中各種物質的濃度、火焰與目標物的相對位置，以及空間性質等多重因素[3]。火炬熱輻射是以火焰中心為球心的球面輻射，熱輻射強度計算對于確定火炬臂長度以及平面布置有著重要的指導意義。

如圖1 所示，采用API RP521 給出的Hajek 和Lndwig 公式[4]計算火炬臂長度：

圖1 火炬臂長度計算示意圖Fig.1 Calculation diagram of flare arm length

式中：D 為火炬中心至被考慮目標之間的最小距離，m；τ為熱強度傳導系數，無量綱；F 為熱輻射系數，無量綱；Q 為釋放熱量(低熱值)，kW；K 為允許的輻射熱強度，kW/m2。

依據API RP521，設計熱輻射強度值及影響后果見表1[4]。

表1 熱輻射強度值及影響后果(不包括太陽輻射強度)Tab.1 Thermal radiation intensity value and influence consequences(excluding solar radiation intensity)

3 實例分析

3.1 火炬氣組分

渤海某新建海上采油平臺火炬設計泄放量為65 530 Sm3/h，放空火炬氣成分主要為CH4、N2，含少量CO2，不含H2S，具體組分見表2。

表2 火炬氣組分Tab.2 Flare gas composition

3.2 環境數據

海上平臺所在環境的風速、風向、溫度、濕度等條件是火炬工藝計算的重要參數，詳見表3。

表3 環境數據Tab.3 Environmental data

3.3 模型建立

①建立流體：在FlareSIM 軟件中建立工程文件，輸入系統物料參數。輸入系統組分后，軟件將自動計算物料各項參數。

②環境設置：根據項目給定環境參數，在FlareSIM 軟件中選取10、19.8、30.5 m/s 的風速為不同的環境風速，以平臺為基準設定相對風向，簡化計算過程。

③火炬頭設置：在Tip 模塊中輸入火炬頭高度、直徑、放空氣質量流量等。火炬頭型式選用音速火炬頭。

④感受點選取：選擇平臺典型位置作為火炬計算的感受點，對這幾個點的輻射值進行比選，找到輻射強度最大的點。選取感受點的熱輻射強度小于6.31 kW/m2，噪聲強度小于115 dB(A)(緊急泄放工況)，定義火炬臂根部為空間直角坐標系原點(0，0，0)。

⑤計算方法：火炬熱輻射計算方法、噪聲計算方法依據API RP521。

⑥風速對火炬臂長度的影響：對于火炬而言，火焰在風的影響下將向風吹的方向傾斜，進行火炬工藝設計時必須仔細考慮設計風速的選取，見表3。考慮到平臺現場實際情況，當風速為25 m/s 以上時(風級大于10 級)人員基本不可能進行海上作業，根據基礎數據選取19.8 m/s 為較保守的數據。

3.4 計算結果

3.4.1 火炬熱輻射強度

在緊急泄放工況，火炬最大排放量下計算得到熱輻射分布如圖2 所示。

圖2 火炬燃燒輻射垂直等值線(Northing-Elevation)Fig.2 Vertical contour of flare combustion radiation(Northing-Elevation)

在不包括太陽熱輻射強度的情況下，滿足甲板熱輻射強度小于6.31 kW/m2，根據表1 可知，人員在此工況下可以有1 min 的安全撤離時間。在此熱輻射強度下計算得到火炬臂長度為47.93 m，火炬頭入口直徑為16 in(406.4 mm)，為便于結構設計，取火炬臂長度為48 m。

3.4.2 火炬噪聲強度

在緊急泄放工況，火炬噪聲分布圖如圖3 所示。

從圖3 可知，在火炬臂長度48 m，火炬頭入口直徑16 in(406.4 mm)，風速取25 m/s 的情況下，感受點噪聲強度小于115 dB(A)，滿足海上平臺開敞空間噪聲要求。

4 結論

海上平臺火炬設計主要考慮火炬的熱輻射強度和噪聲強度對甲板人員和設備安全的影響，綜合分析相關因素，得到合理的火炬高度。經計算得到渤海某項目火炬臂長度為48 m，火炬臂傾角為45°，火炬頭入口直徑為16 in(406.4 mm)。通過使用FlareSIM 軟件，節約了人員工時，提高了工作效率，并且得到了準確的設計計算結果，有力地協助工程設計人員完成了火炬系統的設計。