基于PHAST的输气站场放空火炬热辐射安全距离与影响因素研究

裴 斌 杨 斯 许 娟 杨云峰 贾彦杰 白 雪

(1.中国石油西南管道昆明输油气分公司；2.中国石油管道建设项目经理部中缅项目部；3.中国石油大学储运与建筑工程学院)

基于PHAST的输气站场放空火炬热辐射安全距离与影响因素研究

裴 斌**1杨 斯2许 娟1杨云峰1贾彦杰1白 雪3

(1.中国石油西南管道昆明输油气分公司；2.中国石油管道建设项目经理部中缅项目部；3.中国石油大学储运与建筑工程学院)

通过PHAST软件对火炬点火形成喷射火的影响范围及其影响因素进行模拟研究，研究距离、风速、风向和大气稳定度对热辐射强度的影响规律。研究表明：热辐射强度随距离的增大先增大后减小，但在距离火炬中心较远的区域，距离对热辐射强度的影响不大；总体上风速越大，热辐射强度越大，但距离火炬中心较远的区域，风速对热辐射强度的影响可以忽略；下风向的辐射距离大于侧风向的且远大于上风向的辐射距离；大气稳定度对热辐射强度的影响可以忽略。

站场放空火炬 热辐射强度 安全距离 PHAST软件

放空火炬是天然气站场安全设施的重要组成部分，其安全与否关系到输气管道和处理装置的平稳运行、人民生命财产和国有资产的安全。在进行放空火炬点火作业时，其产生的热辐射可能对周围的人员、设备造成伤害、破坏，火炬热辐射影响范围的研究对站场放空火炬建设选址和减少点火形成热辐射影响及火炬周边厂区平面布置优化具有重指导意义[1]。利用PHAST软件对火炬点火形成喷射火的影响范围进行模拟分析，研究距离、风速、风向和大气稳定度对热辐射强度的影响规律，为站场放空火炬建设选址及火炬周边厂区平面布置优化提供参考[2]。

1 PHAST软件简介

PHAST软件是挪威船级社推出的石化厂过程危害后果分析工具，它是国内应用最为普遍的定量风险分析软件[3]。PHAST能够用于物料泄漏、气体的大气扩散、喷射火及池火灾等后果评估[4]。该软件中“喷射火”模型中的API RP521模型适用于站场火炬点燃后热辐射的计算分析[1]。

计算时涉及到的关键参数有：火炬排放物料名称、排放质量流量、温度、压力、风速、大气稳定度、火炬头直径及火炬高度等[5]。其中，如果直接采用火炬头直径计算出的物料排放质量流量数值会比实际大很多，因此需要对火炬头直径进行修正，以保证结果的准确性[1]，修正公式为：

式中d实际——火炬头实际直径，mm；

d修正——修正后的火炬头直径，mm；

Q计算——火炬计算排放量，kg/s；

Q实际——火炬实际排放量，kg/s。

2 实例分析

2.1 基础数据

以输气干线某段管道放空系统的放空火炬为例，计算火炬点燃时的热辐射情况。排放物料为甲烷(天然气中99.6%为甲烷)，放空压力为7.6MPa，温度20℃，火炬高度为20m，火炬头直径为350mm，最大放空量为93 500Nm3/h，大气稳定度为D级，风速取1.5、9.0、15.0m/s。

2.2 热辐射伤害准则

热辐射对目标损伤的判定准则有3种：热辐射剂量准则、热辐射强度准则、热剂量-热强度准则[6]。热通量准则是以热通量作为衡量目标，判断人和物是否被破坏的参数，当目标受到的热通量大于或等于引起目标破坏所需的临界热通量时，目标被破坏[7]。通常情况下热通量准则用于判断稳态火灾的情况，即天然气长输管道放空系统火炬的喷射火情况[7,8]。热通量伤害准则见表1[9～11]，当目标在一定时间内受到的热通量超过表中阈值，则产生破坏。

表1 热辐射强度及其影响后果

2.3 计算结果与分析

在“喷射火”模型下可得到不同风速条件下水平剖面上热辐射强度分布和热辐射强度在xoz、yoz平面上的分布后果输出[1,12]，风速为1.5、9.0、15.0m/s，高度1.5m处的水平剖面上热辐射强度分布与热辐射强度计算结果见表2。

表2 不同风速下热辐射强度与距离的分布关系

注：风速单位m/s，距离单位m，热辐射强度单位kW/m2。

可以看出，热辐射强度随距离的增大先增大后减小，但在距离火炬中心较远的区域，距离对热辐射强度的影响不大。风速为1.5m/s、辐射强度小于1.58kW/m2时，在118m以外的人员、设施等受到的伤害和破坏在可接受范围内，即在该工况下进行火炬点火作业时安全距离为118m。随着距离的扩大，在相同的距离内风速越大热辐射强度越大，随着距离扩大到一定程度，风速的大小对热辐射强度的影响逐渐降级(图1)，直至可以忽略。

图1 风速对热辐射强度的影响

以风速15.0m/s、热辐射强度4kW/m2、距地面高度1.5m为例，下风向的辐射距离为89m，侧风向的辐射距离为70m，上风向的辐射距离仅为16m，因此在进行火炬点燃放空时，要适当选择安全风向，使易受热辐射影响的人员、设备等尽量处于上风向的位置。

大气稳定度分别为B、D、E级别时，模拟得出的热辐射强度的变化曲线只有一条(重合)，由此可初步判定大气稳定度对放空火炬热辐射强度的影响可以忽略。

3 结论

3.1放空火炬热辐射强度并不因与火炬间距增大而呈现指数单调减小，在距火炬中心40m内热辐射强度逐渐增大，在40m以外热辐射强度持续减小，但减小趋势逐渐放缓，150m外热辐射强度逐渐趋于稳定。

3.2总体上风速越大，热辐射强度越大，但距离火炬中心较远的区域，风速对热辐射强度的影响可以忽略；下风向的辐射距离大于侧风向的且远大于上风向的辐射距离；大气稳定度对放空火炬热辐射强度的影响可以忽略。

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ResearchonInfluenceFactorsandSafetyDistanceofThermalRadiationfromFlareSysteminGasStationBasedonPHAST

PEI Bin1, YANG Si2, XU Juan1, YANG Yun-feng1, JIA Yan-jie1, BAI Xue3

(1.PetroChinaSouthwestPipelineKunmingPetroleumOil&GasTransportationBranch,Kunming650000,China;
2.ChinaandMyanmarProjectDepartment,PetroChinaPipelineConstructionProjectManagerBranch,
Kunming650000,China;3.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Both influence scope and safety distance of jet fire which resulted from the flare system was simulated and investigated through PHAST software, including the influence of distance, wind speed, wind direction and atmospheric stability on the thermal radiation intensity. The results show that, the thermal radiation intensity increases at first and then decreases with the increase of distance; and the distance’s influence on the thermal radiation intensity becomes less at the area far from the flare system; generally, the greater wind speed can incur bigger thermal radiation intensity, but at the area far from the flare system, the wind speed’s effect on the strength of thermal radiation can be ignored; and the radiation distance downwind is greater than that at lateral direction and far more than the radiation distance upwind; and the influence of atmospheric stability on the thermal radiation intensity can be ignored too.

flare system in gas station, thermal radiation intensity, safety distance, PHAST software

** 裴 斌，男，1985年12月生，工程师。云南省昆明市，650000。

TQ055.8

A

0254-6094(2016)04-0461-03

2015-09-29，

2015-10-20)