FLARESIM软件在脱气站火炬改造中的应用

高秀宝,黄志慧

(1.中海油石化工程有限公司储运室，山东青岛 266000；

2.中海油石化工程有限公司设备室，山东 青岛 266000 )

国外某脱气站为了提高产量，拟新增两列油气分离处理设施，受限于现有设备的总图布置，拟新增的油气处理设施距离现有火炬设施较近，为了保证新增油气处理设施的安全，需要对现有的火炬设施进行移位改造。移位改造的火炬仅作为临时设施使用。为了节省成本，临时火炬的高度要求尽量降低，为了保证临时火炬周围人员及设备的安全，对其热辐射的计算尤为重要。目前，国内外工程公司及火炬生产厂家所广泛使用的专业软件是Flaresim软件，该软件不仅可以帮助工程设计人员进行火炬系统的设计及评估，而且可以计算火炬产生的热辐射和噪音以及估算受辐射物体表面的温度。

1 FLARESIM软件特点[1]

Flaresim不仅可以帮助专业设计人员进行火炬系统周围热辐射、温度分布的计算，而且可以分析具有多个火炬头共架的复杂火炬系统。其高斯扩散模型可以计算火炬未燃烧时火炬气中的H2S以及燃烧后SO2、NOx的浓度分布，可以帮助设计人员进行火炬设施的布置。

Flaresim 软件操作界面非常友好，设计人员通过菜单栏和工具栏就可以进行操作。软件输出的文件及计算结果均可以进行定制，按要求输出文本、表格、图形等。

2 热辐射距离计算方法

根据API 521[2]，计算火焰辐射热时通常将火焰看作单一热源点考虑，对于单一热源点至受热点的距离计算则根据Hajek 和Ludwig的推导的经验公式。

式中：D——从热源点至受热点的最小距离，m；

τ——通过大气的热辐射传导系数；

F——热辐射系数；

Q——释放热量(低热值)，kW；

K——允许的热辐射密度，kW/m2。

API 521详细的中给出了一种简单的图解法和Brzustowski's and Sommer's 计算方法，根据有关文献研究报道[3]，API 521中的图解法相对而言计算比较保守，在较大排放量时计算结果不太合理。而Brzustowski's and Sommer's 计算方法得到的计算结果是大家普遍接受的。

3 FLARESIM软件热辐射计算方法

FLARESIM软件辐射热计算方法有6种，包括API计算方法、点源计算方法、扩散源计算方法、点源和扩散源的混合计算方法、Brzustowski's and Sommer's 计算方法，以及Chamberlain (Thornton)计算方法。其中API计算方法中有Flaresim API和 Strict API两种变化形式。所有这些方法的主要区别在于火焰中单个元素热流量计算方式和火焰形状计算方式。根据文献[4]，以上方法中Flaresim API、Strict API和混合计算方法计算结果较为精确且应用广泛。

在火炬辐射热计算中还有一个非常重要的参数就是热辐射系数F。热辐射系数跟火炬头的设计、泄放速度以及火炬气的分子量相关。API 521给出了部分氢气、丁烷、甲烷和天然气(95%甲烷)热辐射系数。根据文献[2]，火炬的热辐射系数差别很大，范围在0.1～0.5，并给出了热辐射的计算公式：

式中：HV——排放气体的体积低发热值，kJ/Nm3；

RH——空气湿度百分比；

DR——火焰中心至受热点的距离，m。

FLARESIM软件也给出了几种热辐射系数的计算方法，通常采用High Efficiency，详见下表。

4工程实例应用

4.1 项目概况

国外某油田脱气站为了提高产量需要新增两列一、二级分离器，并配套新建一套火炬系统用于处理新增油气分离设施泄放的天然气。而现有火炬设施主要用于处理现有分离设施的泄放气体。现有火炬设施距离现有站内分离设施约200米，火炬高度仅为5米。受限于目前脱气站总图布置，新增的油气处理设施距离现有火炬设施较近，为了保证新增油气处理设施的安全，需要根据辐射热计算结果对现有的火炬设施进行移位改造。脱气站内工艺流程如图1所示。

图1 现有设施工艺流程图

现有火炬设施如图2所示。

图2 现有火炬设施

4.2 建模计算

根据项目要求，临时高低压火炬距离最近的设施辐射热值要小于1.58kW，并且保证火炬燃烧产物以及火炬熄灭时H2S扩散浓度小于相关要求。

4.2.1 模型建模输入

项目现场海拔为4～10 m，大气压力约为102kPa，环境温度为-5～55℃，相对湿度为25%～80%，最大风速达到40m/s，根据文献[3]辐射热计算风速取值8.9 m/s，当地太阳辐射热1.04kW/m2。高压火炬系统的处理量为22616kg/h，低压火炬系统的处理量为3991kg/h。高低压火炬系统处理的气体组分差别不大，因此按照同一组分考虑，具体组分如表2所示。

表2 泄放气体组分

表2(续)

4.2.2 软件模拟计算

以现有火炬的规格作为临时火炬筒体高度及直径的输入，以临时高压火炬系统作为原点(0，0)。以项目要求的辐射热及H2S扩散浓度限值进行计算，得到临时火炬的安全距离。高低压火炬热辐射范围见图3。

图3 高低压火炬热辐射范围图

通过软件计算，临时高压火炬北侧2.8m处敷设热值最大(假设风向由南向北)，可以达到21.2kW/m2。在临时火炬105m以外范围敷设热值可以满足小于1.58kW/m2的要求。

图4 H2S落地浓度曲线图

通过软件计算，H2S最大落地浓度出现在临时火炬下风向约2800m处，浓度为19.65ug/m3，可以满足项目要求，H2S落地浓度曲线见图4。

通过软件计算，临时火炬燃烧产物SO2和CO2最大落地浓度出现在临时火炬下风向约1000m处，落地浓度分别为127.3ug/m3和32.5ug/m3，可以满足项目相关规定，H2S落地浓度≤15mg/m3，SO2落地浓度≤13mg/m3，CO2落地浓度≤9000mg/m3，SO2和CO2落地浓度曲线见图5。

图5 SO2和CO2落地浓度曲线图

4.2.3 项目实施结果

根据软件计算，临时火炬布置距离脱气站最近设施105m以外的位置既可以保证辐射热值小于1.58 kW/m2的要求，又可以满足H2S、SO2和CO2最大落地浓度限值，临时火炬设施见图6。

图6 临时火炬设施

5 结论

FLARESIM软件可以有效的帮助工程设计人员进行火炬设计，该软件不仅可以计算火炬的热辐射分布，受辐射物体表面的温度、火炬的噪音，而且可以计算火炬燃烧后的污染物落地浓度以及火炬未燃烧时有害气体的落地浓度。尤其是在GB50160《石油化工企业设计防火标准》明确了不同辐射热范围内布置不同的设施后，该软件可以有效帮助设计人员确定各类设施的安全间距。