高架火炬事故状态火焰热辐射危险性分析
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0
, s′)
dΩ′
(1)
式中 , r 为位置矢量 ; s 为方向矢量 ; s′为散射方向矢
量 ; s 为沿程长度 ; a 为吸收系数 ; n 为折射系数 ;σs
为散射系数 ;σ为斯蒂芬 - 玻耳兹曼常数 (5. 672 ×
10 - 8 W ·m - 2 ·K- 4 ) ; I 为入射辐射强度 ,和位置矢 量 ( r) 与方向矢量 (s) 有关 ; T 是局部温度 ;Φ为相位 函数 ;Ω′是空间立体角 。
σT 4 π
+
σs 4π
4π
I(
0
r , s)
dΩ′
(2)
2 物理模型
选取石化企业 3. 0 ×105 t/ a 乙烯装置的高架火 炬为研究对象 。 火炬为塔架支撑式结构 ,基础数据如下 : 高度 H = 120 m ;公称直径 D = 1 400 mm ;事故状态下的 排放量按照对应生产规模的高架火炬的通常设计要 求来取值 ,取 W = 500 t/ h 。 2. 1 基本假设和简化 在事故状态时 ,火炬气的泄放量很大 ,泄放速度 也很快 ,因此 ,会使得火炬气不完全燃烧 ,产生炭黑 , 形成发光火焰 。 火焰中有辐射能力的主要是 CO2 , H2 O 等三原 子气体 ,它们的辐射能力比炭黑粒子低 ,所以火焰辐 射主要是炭黑辐射[7] 。为计算方便 ,下面提出几点 假设 : (1) 将火焰近似看成圆柱形火焰 ; (2) 将火焰对周围的热辐射假定为火焰圆柱外 表面对周围的辐射 ,并假定为灰体辐射 ,黑度取炭黑 的黑度 0. 96 ; (3) 假定为无风情况 ,稳态燃烧 ,燃烧放热量不 随时间变化 ,并设研究区域之外为黑体壁面 。 2. 2 几何模型 研究区域为内外圆柱体之间的部分 ,内圆柱体 为假定的火焰的尺寸 ,外面圆柱体尺寸为辐射模拟 区域 ,见图 1 。
文章编号 :1006 - 396X(2009) 01 - 0069 - 04
高架火炬事故状态火焰热辐射危险性分析
承 奇 , 张礼敬 , 陶 刚 , 宋会会
(南京工业大学城市建设与安全工程学院 ,江苏省城市与工业安全重点实验室 ,江苏南京 210009)
摘 要 : 从流体力学角度研究大型石化企业高架火炬事故状态时火焰热辐射的危害性 ,应用 CFD 数值模拟技 术对其排放量为 500 t/ h 时的火焰热辐射进行了数值模拟 ,建立了火焰周围的热辐射强度场 。运用 Statistica 软件拟 合数据得出热辐射强度与距离火焰中心的水平距离的对应关系式 。根据《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体 排放系统设计规范》SH3009 - 2001 中规定的人体所能接受的安全热辐射强度计算得出地面操作人员安全间距的参 考值为 81. 5 m ,对事故状态时的应急救援和人员防护起到一定的指导意义 。
常复杂的过程[7 ] 。
1. 1 辐射传输方程 R T E
对于具有吸收 、发射 、散射性质的介质 ,在位置
r、沿方向 s 的 R T E 方程为[8 - 9 ] :
d I ( r , s) ds
+ ( a +σs ) I ( r , s)
=
∫ an
2
σT 4 π
+
σs 4π
4π
I ( r , s′)Φ(s
( J i an gsu Key L aboratory of U rban an d I n d ust ri al S a f et y , S chool of U rban Const ruction an d S a f et y En gi neeri n g , N anj i n g U ni versit y of Technolog y , N an j i n g J i an gs u 210009 , P. R. Chi na) Recei ved 4 J une 2008 ; revise d 23 October 2008 ; acce pte d 13 N ovember 2008
q = εQ/ (4πX2 )
(3)
Q = 10 000 W
(4)
R2
+
X
2 m
=
X2
(5)
其中 , q 为辐射热强度 , kJ / ( m2 ·h) ; Q 为气体燃烧
产生的总热量 ,kJ / h ;ε为辐射率 ,取 0. 2 ; X 为辐射
距离 (火焰中心到防护对象的空间距离) ,m ;W 为火
大型石化装置的放空火炬系统 ,主要用于及时 处理生产装置中排放的多余和不平衡的废气 ,以及 试车 、开停车或者事故状态时泄放出的大量气体 ,从 而保证石化生产装置的安全 、稳定运行[1] 。然而 ,这 些事故状态泄放的气体燃烧会产生大量的辐射热 , 对火炬周围的操作人员 、设备以及工艺装置带来严 重的危害 ,因此分析和评估事故状态时放空火炬燃 烧火焰热辐射的危害性十分必要[2] 。 在石化企业放空火炬装置中 ,由于地面式火炬 具有燃烧较易控制 、噪声小 、操作维修简便等优势 , 近年来我国开始出现多级式燃烧的地面式火炬装置
收稿日期 :2008 - 06 - 04 作者简介 :承奇 (1984 - ) ,男 ,江苏溧阳市 ,在读硕士 。 基金项目 :国家 863 计划资助项目 (2007AA06A402) 。
的运用[3] ,但是与高架火炬相比 ,随着处理气量的增 加 ,地面火炬的造价增加幅度要高得多[4] ,因此高架 火炬依然占据着放空火炬系统运用的主体地位 。所 以 ,研究对象选取石化企业中处理气量较大的高架 火炬 。 相关的研究工作在国内已经开展 ,研究者对火 炬的设计计算 ,安全距离等都进行了探讨 。其中 ,胡 景沧[2] 根据规范中的计算公式和对实践经验的总 结 ,探讨了火炬设计中一些参数的取值以及石油化 工厂高架火炬安全距离的确定方法 ;王东宝等[5] 运 用数值模拟技术对东海某悬臂塔架火炬的热辐射状 况进行模拟 ,评估了热辐射对该海上油气生产综合 平台的危害等问题 。但陆上石油化工企业高架火炬 泄放时热辐射的数值模拟研究尚未见报道 。 在传统的工程计算和火炬系统设计中 ,一般采
Abstract : Flame radiatio n hazard of pet rochemical plant s’ flare systems was st udied f rom fluid dynamic. CFD technique was used to simulate flame radiatio n under 500 t/ h discharge and radiatio n field aro und flare was established. The software Statistica was used to fit t he relatio nship between heat radiatio n intensity and horizo ntal distance to t he center of flame. Based on safe heat radiation intensity 81. 5 m is o btained as t he safety distance fo r personnel o n t he gro und according to t he requirement of t he standard SH3009 - 2001. This safety distance is important for emergency response and perso nal p rotection. Key worLeabharlann Baidus : Elevated flare ; Heat radiatio n ; CFD simulation ; Safe distance Co rrespondig aut hor. Tel. : + 86 - 25 - 83363570 ; fax : + 86 - 25 - 83363570 ; e - mail :cqsteven2008 @163. com
第 2 2 卷 第 1 期 石 油 化 工 高 等 学 校 学 报 Vol . 2 2 No . 1 2009 年 3 月 J OU RNAL O F PETROC H EMICAL UN IV ERSITIES Mar. 2009
方程 , 因此 , 有多少个方向矢量就要求解多少个
R T E 方程 。求解方程时 ,首先将方程 (1) 转化为空
间中某点辐射强度的传输方程 (2) ,然后再求解 ,求
解方法和求解流体流动以及能量方程一样 。
·( I ( r , s) s) + ( a +σs) I ( r , s) =
∫ an2
1. 2 辐射模型
进 行 数 值 模 拟 时 , 选 择 的 辐 射 模 型 是 DO
(Discrete Ordinates) 模型[10] ,该模型是将空间离散
化为 n 个立体角 ,每一个立体角都对应全球笛卡儿
坐标系中指向某一坐标点的一个方向矢量 。然后把
每一个立体角都作为一个研究单元 ,计算求解 R T E
Fig. 1 Geometry model schematic diagram 图 1 几何模型示意图
2. 2. 1 火焰长度的确定 火炬的火焰长度计算一 般采用 G - R 肯特提出的计算方法[11] ,即马赫数为 0. 2 时 ,火焰长度 L 与火炬公称直径 D 的比值等于 120 。但是国内外研究工作者对火焰长度的实测数
关键词 : 高架火炬 ; 热辐射 ; CFD 模拟 ; 安全间距 中图分类号 : X937 文献标识码 : A
Flame Heat Radiatio n Hazard Analysis of Elevated Flare U nder Accident Co nditio n
C H EN G Qi , ZHAN G Li - jing , TAO Gang , SON G Hui - hui
70
石油化工高等学校学报 第 22 卷
用美国石油学会标准《泄压和减压系统导则》A PI RP521 推荐的方法及其一些被修正后的方法 。但 由于这些方法并未考虑燃烧火焰的温度以及热辐射 的方向性 ,因此 ,并不能准确地反映实际的热辐射状 况[5] 。 近年来 ,计算流体动力学 ( Co mp utatio nal Fluid Dynamics ,CFD) 技术的迅速发展 ,在各个领域的科 研 、工程设计中得到大量的应用 ,显著地提高了工作 的效果和效率[6] 。该技术是通过计算机数值计算和 图像显示 ,对包含有流体流动和热传导等相关物理 现象的系统做出分析 ,模拟物质流动中的压力 、温 度 、速度等物理量的变化和热量传递等过程 。 因此 ,在前人的研究成果上 ,借助 CFD 技术 ,对 石油化工企业中的高架火炬在事故泄放状态下产生 的热辐射进行模拟 ,从而进一步分析和评估热辐射 对火炬周围操作人员的危害 。
1 辐射模拟理论基础
火炬燃烧产生的火焰 ,最主要的换热过程是辐
射过程 ,对邻近的操作人员和装置设备的热辐射影
响体现在受辐射的强度和辐射时间上 。
火炬燃烧火焰对周围的热辐射 ,与火焰温度 、燃
烧介质的成分和辐射特性 、环境介质的辐射吸收与
散射能力 、辐射层的有效厚度有关 ;而介质的辐射 、
散射能力与辐射波长有关 ,所以辐射计算是一个非
炬气的处理量 ,kg/ h ; Xm 为火焰中心到地面的垂直
第 1 期 承 奇等. 高架火炬事故状态火焰热辐射危险性分析
71
据比理论值要小得多 。为了模拟更接近于现实火炬
的燃烧情况 ,因此采用日本东洋公司的实测数据 50
～55 m[11 ] ,取 50 m 的火焰长度 。
2. 2. 2 模拟范围的确定 用于计算火炬火焰辐射
热强度及安全距离的几个基本公式如下[11] :
, s′)
dΩ′
(1)
式中 , r 为位置矢量 ; s 为方向矢量 ; s′为散射方向矢
量 ; s 为沿程长度 ; a 为吸收系数 ; n 为折射系数 ;σs
为散射系数 ;σ为斯蒂芬 - 玻耳兹曼常数 (5. 672 ×
10 - 8 W ·m - 2 ·K- 4 ) ; I 为入射辐射强度 ,和位置矢 量 ( r) 与方向矢量 (s) 有关 ; T 是局部温度 ;Φ为相位 函数 ;Ω′是空间立体角 。
σT 4 π
+
σs 4π
4π
I(
0
r , s)
dΩ′
(2)
2 物理模型
选取石化企业 3. 0 ×105 t/ a 乙烯装置的高架火 炬为研究对象 。 火炬为塔架支撑式结构 ,基础数据如下 : 高度 H = 120 m ;公称直径 D = 1 400 mm ;事故状态下的 排放量按照对应生产规模的高架火炬的通常设计要 求来取值 ,取 W = 500 t/ h 。 2. 1 基本假设和简化 在事故状态时 ,火炬气的泄放量很大 ,泄放速度 也很快 ,因此 ,会使得火炬气不完全燃烧 ,产生炭黑 , 形成发光火焰 。 火焰中有辐射能力的主要是 CO2 , H2 O 等三原 子气体 ,它们的辐射能力比炭黑粒子低 ,所以火焰辐 射主要是炭黑辐射[7] 。为计算方便 ,下面提出几点 假设 : (1) 将火焰近似看成圆柱形火焰 ; (2) 将火焰对周围的热辐射假定为火焰圆柱外 表面对周围的辐射 ,并假定为灰体辐射 ,黑度取炭黑 的黑度 0. 96 ; (3) 假定为无风情况 ,稳态燃烧 ,燃烧放热量不 随时间变化 ,并设研究区域之外为黑体壁面 。 2. 2 几何模型 研究区域为内外圆柱体之间的部分 ,内圆柱体 为假定的火焰的尺寸 ,外面圆柱体尺寸为辐射模拟 区域 ,见图 1 。
文章编号 :1006 - 396X(2009) 01 - 0069 - 04
高架火炬事故状态火焰热辐射危险性分析
承 奇 , 张礼敬 , 陶 刚 , 宋会会
(南京工业大学城市建设与安全工程学院 ,江苏省城市与工业安全重点实验室 ,江苏南京 210009)
摘 要 : 从流体力学角度研究大型石化企业高架火炬事故状态时火焰热辐射的危害性 ,应用 CFD 数值模拟技 术对其排放量为 500 t/ h 时的火焰热辐射进行了数值模拟 ,建立了火焰周围的热辐射强度场 。运用 Statistica 软件拟 合数据得出热辐射强度与距离火焰中心的水平距离的对应关系式 。根据《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体 排放系统设计规范》SH3009 - 2001 中规定的人体所能接受的安全热辐射强度计算得出地面操作人员安全间距的参 考值为 81. 5 m ,对事故状态时的应急救援和人员防护起到一定的指导意义 。
常复杂的过程[7 ] 。
1. 1 辐射传输方程 R T E
对于具有吸收 、发射 、散射性质的介质 ,在位置
r、沿方向 s 的 R T E 方程为[8 - 9 ] :
d I ( r , s) ds
+ ( a +σs ) I ( r , s)
=
∫ an
2
σT 4 π
+
σs 4π
4π
I ( r , s′)Φ(s
( J i an gsu Key L aboratory of U rban an d I n d ust ri al S a f et y , S chool of U rban Const ruction an d S a f et y En gi neeri n g , N anj i n g U ni versit y of Technolog y , N an j i n g J i an gs u 210009 , P. R. Chi na) Recei ved 4 J une 2008 ; revise d 23 October 2008 ; acce pte d 13 N ovember 2008
q = εQ/ (4πX2 )
(3)
Q = 10 000 W
(4)
R2
+
X
2 m
=
X2
(5)
其中 , q 为辐射热强度 , kJ / ( m2 ·h) ; Q 为气体燃烧
产生的总热量 ,kJ / h ;ε为辐射率 ,取 0. 2 ; X 为辐射
距离 (火焰中心到防护对象的空间距离) ,m ;W 为火
大型石化装置的放空火炬系统 ,主要用于及时 处理生产装置中排放的多余和不平衡的废气 ,以及 试车 、开停车或者事故状态时泄放出的大量气体 ,从 而保证石化生产装置的安全 、稳定运行[1] 。然而 ,这 些事故状态泄放的气体燃烧会产生大量的辐射热 , 对火炬周围的操作人员 、设备以及工艺装置带来严 重的危害 ,因此分析和评估事故状态时放空火炬燃 烧火焰热辐射的危害性十分必要[2] 。 在石化企业放空火炬装置中 ,由于地面式火炬 具有燃烧较易控制 、噪声小 、操作维修简便等优势 , 近年来我国开始出现多级式燃烧的地面式火炬装置
收稿日期 :2008 - 06 - 04 作者简介 :承奇 (1984 - ) ,男 ,江苏溧阳市 ,在读硕士 。 基金项目 :国家 863 计划资助项目 (2007AA06A402) 。
的运用[3] ,但是与高架火炬相比 ,随着处理气量的增 加 ,地面火炬的造价增加幅度要高得多[4] ,因此高架 火炬依然占据着放空火炬系统运用的主体地位 。所 以 ,研究对象选取石化企业中处理气量较大的高架 火炬 。 相关的研究工作在国内已经开展 ,研究者对火 炬的设计计算 ,安全距离等都进行了探讨 。其中 ,胡 景沧[2] 根据规范中的计算公式和对实践经验的总 结 ,探讨了火炬设计中一些参数的取值以及石油化 工厂高架火炬安全距离的确定方法 ;王东宝等[5] 运 用数值模拟技术对东海某悬臂塔架火炬的热辐射状 况进行模拟 ,评估了热辐射对该海上油气生产综合 平台的危害等问题 。但陆上石油化工企业高架火炬 泄放时热辐射的数值模拟研究尚未见报道 。 在传统的工程计算和火炬系统设计中 ,一般采
Abstract : Flame radiatio n hazard of pet rochemical plant s’ flare systems was st udied f rom fluid dynamic. CFD technique was used to simulate flame radiatio n under 500 t/ h discharge and radiatio n field aro und flare was established. The software Statistica was used to fit t he relatio nship between heat radiatio n intensity and horizo ntal distance to t he center of flame. Based on safe heat radiation intensity 81. 5 m is o btained as t he safety distance fo r personnel o n t he gro und according to t he requirement of t he standard SH3009 - 2001. This safety distance is important for emergency response and perso nal p rotection. Key worLeabharlann Baidus : Elevated flare ; Heat radiatio n ; CFD simulation ; Safe distance Co rrespondig aut hor. Tel. : + 86 - 25 - 83363570 ; fax : + 86 - 25 - 83363570 ; e - mail :cqsteven2008 @163. com
第 2 2 卷 第 1 期 石 油 化 工 高 等 学 校 学 报 Vol . 2 2 No . 1 2009 年 3 月 J OU RNAL O F PETROC H EMICAL UN IV ERSITIES Mar. 2009
方程 , 因此 , 有多少个方向矢量就要求解多少个
R T E 方程 。求解方程时 ,首先将方程 (1) 转化为空
间中某点辐射强度的传输方程 (2) ,然后再求解 ,求
解方法和求解流体流动以及能量方程一样 。
·( I ( r , s) s) + ( a +σs) I ( r , s) =
∫ an2
1. 2 辐射模型
进 行 数 值 模 拟 时 , 选 择 的 辐 射 模 型 是 DO
(Discrete Ordinates) 模型[10] ,该模型是将空间离散
化为 n 个立体角 ,每一个立体角都对应全球笛卡儿
坐标系中指向某一坐标点的一个方向矢量 。然后把
每一个立体角都作为一个研究单元 ,计算求解 R T E
Fig. 1 Geometry model schematic diagram 图 1 几何模型示意图
2. 2. 1 火焰长度的确定 火炬的火焰长度计算一 般采用 G - R 肯特提出的计算方法[11] ,即马赫数为 0. 2 时 ,火焰长度 L 与火炬公称直径 D 的比值等于 120 。但是国内外研究工作者对火焰长度的实测数
关键词 : 高架火炬 ; 热辐射 ; CFD 模拟 ; 安全间距 中图分类号 : X937 文献标识码 : A
Flame Heat Radiatio n Hazard Analysis of Elevated Flare U nder Accident Co nditio n
C H EN G Qi , ZHAN G Li - jing , TAO Gang , SON G Hui - hui
70
石油化工高等学校学报 第 22 卷
用美国石油学会标准《泄压和减压系统导则》A PI RP521 推荐的方法及其一些被修正后的方法 。但 由于这些方法并未考虑燃烧火焰的温度以及热辐射 的方向性 ,因此 ,并不能准确地反映实际的热辐射状 况[5] 。 近年来 ,计算流体动力学 ( Co mp utatio nal Fluid Dynamics ,CFD) 技术的迅速发展 ,在各个领域的科 研 、工程设计中得到大量的应用 ,显著地提高了工作 的效果和效率[6] 。该技术是通过计算机数值计算和 图像显示 ,对包含有流体流动和热传导等相关物理 现象的系统做出分析 ,模拟物质流动中的压力 、温 度 、速度等物理量的变化和热量传递等过程 。 因此 ,在前人的研究成果上 ,借助 CFD 技术 ,对 石油化工企业中的高架火炬在事故泄放状态下产生 的热辐射进行模拟 ,从而进一步分析和评估热辐射 对火炬周围操作人员的危害 。
1 辐射模拟理论基础
火炬燃烧产生的火焰 ,最主要的换热过程是辐
射过程 ,对邻近的操作人员和装置设备的热辐射影
响体现在受辐射的强度和辐射时间上 。
火炬燃烧火焰对周围的热辐射 ,与火焰温度 、燃
烧介质的成分和辐射特性 、环境介质的辐射吸收与
散射能力 、辐射层的有效厚度有关 ;而介质的辐射 、
散射能力与辐射波长有关 ,所以辐射计算是一个非
炬气的处理量 ,kg/ h ; Xm 为火焰中心到地面的垂直
第 1 期 承 奇等. 高架火炬事故状态火焰热辐射危险性分析
71
据比理论值要小得多 。为了模拟更接近于现实火炬
的燃烧情况 ,因此采用日本东洋公司的实测数据 50
～55 m[11 ] ,取 50 m 的火焰长度 。
2. 2. 2 模拟范围的确定 用于计算火炬火焰辐射
热强度及安全距离的几个基本公式如下[11] :