Flaresim在油田火炬设计中的应用

Flaresim在油田火炬设计中的应用
火炬是用来处理油田生产设施、炼油厂和化工厂无法收集和再加工的可燃和有毒气体及蒸汽的特殊燃烧设施，工艺装置中设备、管道上的安全阀、泄压阀、排放阀等在不正常操作（或事故）时排放的可燃物料，开停车时必须排放的可燃物料和试车中暂时无法平衡时所必须排出的可燃物料都被送到火炬及时燃烧排放，火炬是保证工厂安全生产、减少环境污染的一项必不可少的措施。

Flaresim 是火炬模拟领域权威公司Softbits开发的一款用于火炬头设计与计算的软件产品，可帮助专业设计人员评估火炬热辐射温度和可燃气体扩散浓度，软件内嵌多种计算辐射热和气体扩散的方程式供设计人员选择。

本文介绍Flaresim在油田地面处理设施的应用。

标签：Flaresim；火炬计算；热辐射
火炬是油田处理设施安全生产的必要设施，在工程设计阶段，考虑整体油田处理设施在紧急工况下的泄放量，根据热辐射、可燃气体扩散等主要因素，利用Flaresim软件计算分析选择合理的火炬系统，能够保证项目顺利投产及后续改扩建设施安全运行。

1 介质物性参数
火炬介质参数的输入有两种方法：①在软件内直接输入介质的摩尔质量、低热值、绝热指数、爆炸极限和临界温度压力（可选填，系统根据前几个物性参数可估算）；②根据已知模型组分，在软件内输入泄放介质各组分的摩尔或质量百分比，系统根据介质各组分含量计算物性。

2 火炬设计参数
2.1 普通火炬和音速火炬
常用的火炬类型是普通火炬，当火炬背压超过2bar，选用音速火炬。

火炬头直径可以手动输入，也可由软件自动计算。

2.2 马赫数
普通火炬，马赫数通常设定为0.2～0.5，如果是音速火炬，则马赫数为1。

2.3 计算因子
火炬热辐射计算因子，包括Natural Gas、Tan、Kent、High Efficiency、Cook、Generic Pipe和Modified Chamberlain等方法，Generic Pipe综合Kent、Tan、Natural Gas和Cook方法，适用范围广，通常选用此方法。

2.4 火炬筒体参数。

定义火炬与水平面和北向的角度，通常选用垂直角度。

定义火炬高度，可以手动输入，也可由软件计算。

2.5 密封形式
火炬头有两种种密封形式：动态密封和分子密封。

2.5.1 动态密封形式如下图所示
动态封截面积/火炬筒截面积比值可选取0.5、0.4和0.3。

2.5.2 分子密封如下图所示
动态密封易于操作维护，造价低，所需吹扫气量低，通常建议火炬选取动态密封。

2.6 消烟流体
包括空气和水蒸汽。

可以人为定义消烟流体流量和比例，也可以由软件计算。

3 环境参数
①根据项目现场气候调研，设定风速，环境温度和湿度；②输入风向，软件默认正北方向为0o，正东方向为90o，正南方向为180o，正西方向为270o；③透射率，反映热辐射在大气环境下的衰变程度，通常设定为1；④太阳辐射热。

通常太阳辐射热在0.79～1.04kw/m2，是一天当中的最高值，且受天气影响较大；装置开、停工期间由于操作不稳定或下游装置不能同步开车，会有大量的可燃气体连续数天排放到火炬燃烧。

因此，太阳热辐射是否叠加到火炬产生的热辐射中，在不同工况下应区别对待[1]；⑤大气稳定度，大气稳定度分为A、B、C、D、E、F六级，根据所在地气候条件选取。

4 接收点
在火炬周边选取一个或多个接收点，评估火炬热辐射和气體扩散的影响。

需要定义接收点的北向和东向位置，还要定义接收点高度，如果火炬距离建构筑物较远，接收点高度可以参考普通人身高。

当要求两个或多个接收点均满足辐射要求时，可在软件中增加接收点，通常多点包括火炬底部0米处、鼓风机顶部处、火炬附近设备、火炬周边建筑物等位置，并根据辐射热极限值设置对应位置的辐射强度。

根据API521[2]，紧急泄放时，人员暴露及逃离时间为8～10s，火炬底部位置处辐射强度不超过9.46kW/m2，操作人员需要长期暴露的区域辐射强度通常设置为1.58kW/m2，详情见下表。

5 火炬辐射区域
输入辐射区域坐标轴范围，选定辐射区域大小。

火炬辐射区域有不同的观察角度，包括东北平面视角、北立体视角和东立体视角。

6 计算模型选取
6.1 API方法
该方法将燃烧火焰假设为火焰中心的某一点，其中Flaresim API使用矢量方法；Stric API 使用曲线绘图方法。

6.2 Point方法
该方法将火炬划分为多个微小透明单元，接收点的热辐射是这些微小单元辐射热的叠加，火焰形状的计算采用矢量方法。

Point方法相对于API方法更精确，但是在临近火炬区域的辐射热计算值偏大。

6.3 Diffuse方法
该方法假设火焰是不透明踢，热辐射来自于火焰表面，微小火焰单元的热辐射被其他火焰单元屏蔽，火焰形状的计算采用矢量方法。

Diffuse方法在计算临近火炬区域的热辐射值往往偏小。

6.4 Mixed方法
又称McMurray方法，该方法是Point方法和Diffuse方法的经验结合，在火炬远近区域的计算都较精确，是一种广泛采用的火炬计算方法。

油田处理设施的火炬计算通常选用Mixed方法[4]。

6.5 Brzustowski方法
该方法也是将火焰假设为单一点的API方法，它用可燃气体的燃烧限值来确定火焰长度，用气体喷射扩散理论来确定火焰中心点。

此方法有以下限制条件：①只能模拟垂直火炬；②不能模拟空气助燃火炬；③只能模拟气体火炬。

6.6 Chamberlain方法
又称Shell Thornton方法，该方法假设火焰是倒置的锥形，热辐射来自锥形表面，火焰具体形状取决于可燃气体的燃烧限值和火焰与风的角度，在火炬临近区域对火焰形状和热辐射有较精确的预测。

6.7 火焰单元数
将火焰划分为微小单元，选取范围是1～50，根据工程经验，一般选取25。

7 遮蔽物
模拟遮蔽物下设备、人员的环境温度，比如，可模拟火炬旁有顶棚遮蔽的助燃风机环境温度。

遮蔽物包括三种类型：①通用，不指明具体遮蔽物性质，需要用戶指定辐射热对遮蔽物的穿透率，穿透率范围0～1；②固体，需要用户指定辐射热对遮蔽物的穿透率，通常默认为1；③水幕，需要用户指定水幕厚度、水滴直径等参数，油田项目通常较少使用水幕。

8 气体扩散
目前日益严格的环保规范，各国越发重视对污染物的控制，所以火炬设计时也要进行污染物扩散的模拟计算。

Flaresim选取的污染物主要包括：CO2、SO2、NO、CO、CH4、H2S等，选用的扩散计算模型包括Gaussian扩散和Jet扩散方程。

火炬燃烧状况下，通常选取CO、SO2等作为污染物，在火炬熄灭情况下，通常选取H2S和CH4等作为污染物。

9 结论
系统介绍Flaresim软件的使用方法，结合工程实践，分析不同计算因子、工艺参数、火炬类型和环境参数的选取，比较不同火炬计算模型的适用范围和优缺点，介绍气体扩散计算方法。

Flaresim既可用于新项目火炬设计的反复调整计算，也可用于核算改扩建项目的已有火炬，为工程设计人员在火炬设计方面提供便利，让工程师从大量繁琐的手工计算中解脱出来，提高了工作效率。

参考文献：
[1]SH 3009-2013，石油化工可燃性气体排放系统设计规范[S].
[2]API STD 521-2014，Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].
[3]GB 50183-2004，石油天然气工程设计防火规范[S].
[4]戴磊，王涛，严雪莲，李芝.海洋平台FLARESIM火炬模拟计算方法探讨[J].石油化工安全环保技术，2016，32（4）：39-44.。