输气站封闭式地面火炬风险评估分析

刘贝贝　杨涛　全馨　张杰东

摘要：天然气具有极大的易燃易爆特性，目前站场清管作业、装置检维修、事故工况产生的放空气主要通过放空管冷放空处理。为解决放空过程中的消防安全距离、噪声影响等问题，地面火炬应运而生。文章选取一典型地面火炬为例，通过CFD模拟计算，对地面火炬的火焰高度、燃烧热辐射、可燃气云扩散等进行计算，得出某一特定火炬的安全距离要求，同时结合地面火炬在操作上的风险和防控，得出目前地面火炬在设计和管理上常见的风险因素和防控措施。

关键词：天然气;地面火炬;燃烧热辐射;放空设计

天然气是易燃易爆气体，在常温常压下，天然气的爆炸极限为5%～15%，一旦遇到明火会发生剧烈爆炸，具有很强的破坏力。因此，天然气的生产、运输手段和设备设施都会有严格的消防要求，天然气均存储在密闭环境内，传统场站一般设置高架火炬，用来收集和处理天然气。文章以国内某大型能源公司××分输站新投用的天然气地面火炬为例，从燃烧热辐射对周边的影响、火炬未成功点火时可燃气云扩散的影响以及地面火炬日常运行所必需的配套设计三个方面开展风险评估分析。

一、地面火炬火焰高度及热辐射的计算与影响

（一）CFD模拟软件介绍

Computational Fluid Dynamics是计算流体力学的简称，CFD是现代模拟仿真技术中的一种，其基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动的情况。

Kameleon FireEx KFX®是目前在气体扩散、火炬和火灾模拟方面处于领先地位的CFD软件，利用KFX三维计算模拟软件可以对池火、喷射火、火炬、LNG火灾、密闭空间火灾或开放空间火灾等各种类型的火灾进行模拟，同时能够对温度、热辐射、有毒气体、燃烧物质浓度等进行详细计算。

（二）CFD模拟计算模型建立

利用CFD模拟软件对××输气站封闭式地面火炬及周边主要装置进行三维建模如图1所示，封闭式地面火炬筒体直径为3m（内径），高度为7m，火炬周边包括站场内南侧工艺区、东侧办公楼、西侧厂房、北侧电线杆，其中封闭式地面火炬筒体外壁距离东侧办公楼10m、距离西侧厂房30m。

以封闭式地面火炬中心位置处作为X、Y坐标的0点，计算域将封闭式地面火炬及周边主要设施均包括在内。

（三）火焰高度及热辐射影响范围模拟计算（文章以风向为北风为例计算）

1.火焰高度及高温影响计算

由于CFD模拟软件无法直接确定火焰高度，因此常用温度法对火焰高度进行定义，即用某一温度等值面作为火焰的轮廓，从而得到火焰高度。对于温度的取值，不同文献给出了不同的数值，多为1200K～1400K，此处取1200K等值面作为火焰轮廓确定火焰高度。当地面火炬处理量为1.8t/h，风速为5.2m/s，风向为北风，封闭式地面火炬筒体直径为3m（内径）、高度为7m，采用多点喷射型燃烧器时，火炬点燃燃烧场及热辐射计算结果如图2所示：

此处采用1200K等值面作为火焰轮廓来确定火焰高度，可以看出由于受到北风作用导致火焰向南侧偏移，而火炬中心区域火焰高度较高，火炬内火焰高度约8m、燃烧产生的高温区主要处于火炬筒体内部，高温烟气不会直接对地面及周边人员、设施造成影响。

2.火焰热辐射影响范围模拟计算

根据《石油天然气工程设计防火规范》GB50183-2004中对火炬设计允许热辐射强度的规定值，获取站场地面火炬燃烧时的热辐射强度为1.58kW/m～9.46kW/m的影响范围，文章仅计算1.58kW/m、9.46kW/m两个数值时的辐射影響范围，如图3所示。

（1）1.58kW/m热辐射影响范围

（2）9.46kW/m热辐射影响范围

当地面火炬处理量为1.8t/h，风速为5.2m/s，风向为北风（南向结果一致），封闭式地面火炬筒体直径为3m（内径）、高度为7m，采用多点喷射型燃烧器时，根据地面火炬燃烧热辐射计算结果可知，火炬筒体对内部燃烧火焰产生的热辐射起到了较好的屏蔽作用，因而火炬燃烧产生的热辐射主要分布在火炬筒体上方，热辐射强度为1.58kW/m～9.46kW/m的影响距离为高度6m以上、距离火炬中心3.5～8m范围内。

3.火炬未点燃可燃气云扩散模拟

当有可燃气泄放而地面火炬未能成功点火时，可燃气云扩散可能形成爆炸混合性气体，为了评估可燃气未成功点火导致天然气泄漏扩散的危害性，利用CFD软件对其扩散影响范围进行模拟分析，模拟取地面火炬处理量为1.8t/h，风速5.2m/s，风向为北风，封闭式地面火炬筒体直径为3m（内径）、高度为7m，得到计算结果如图4所示：

甲烷的爆炸极限为5%～15%，模拟结果取甲烷的爆炸极限浓度LEL%（5%等值面）和1/2LEL（2.5%等值面）进行分析，从计算结果可知由于受到风向的影响，未点燃天然气根据风向扩散，LEL%可燃气云主要聚集在火炬筒体上方，最大影响范围约为距离火炬筒外壁0.5m;1/2LEL%可燃气云相比LEL%可燃气云影响范围较大，同样主要聚集在火炬筒体上方，最大影响范围约为距离火炬筒外壁2m。

在实际的应用中，当现场情况发生变化时，只需要对模型的数值条件进行修改，再模拟计算得出具体的影响范围。

二、封闭式地面火炬的操作风险及安全防控

同时，结合天然气输气站的放空作业操作规程及作业风险，现针对地面火炬一般会有以下安全措施：

第一，存在风险：当放空气流量较小时，存在无法点燃或者燃烧不充分的情况。

预防措施：可在燃烧炉炉膛内设置若干长明灯，以确保放空气通过燃烧器火嘴时都能完全燃烧，避免形成爆炸性环境。

第二，存在风险：在放空开始的瞬间，火炬进口处形成空气与天然气的混气段，点火时发生爆燃。

预防措施：可设置氮气吹扫系统，对各级排放阀后管路进行吹扫，以维持排放管道的微正压，防止空气倒流入放空管道。

第三，存在风险：避免放空管路或阀门泄漏导致产生爆炸性气体环境。

预防措施：在封闭式地面火炬燃烧炉下部或在防风墙外围的附属流程工艺装置区设置可燃气体检测报警装置，对泄露的气体环境进行实时监测。

第四，存在风险：在放空结束时，发生回火。

预防措施：在各个长明灯的燃料气管线和常开的一级燃烧支路上设置阻火器。

第五，存在风险：切断阀故障时放空系统憋压。

预防措施：除一级燃烧支路之外，其余各级燃烧支路切断阀设置爆破片旁通。

三、结语

与高架火炬相比，封闭式地面火炬有较多优势，但在国内天然气长输管道站场的应用还未普及，相关规范、标准的制定也相对滞后。因此，在封闭式地面火炬的设计和运行中，应充分考虑各种因素，更大限度地确保封闭式地面火炬的安全、稳定运行。一方面，严格规定地面火炬的设计处理能力及热辐射影响范围;另一方面，设置若干长明灯、进口处设置氮气吹扫系统，防止空气倒流入放空管道发生爆燃;另外，封闭式地面火炬应按照要求设置一定数量的可燃气体报警仪，达到及时预警的效果等。

参考文献：

[1]张小良，邢树鹏，葛安卡.地面火炬火焰高度影响因素模拟研究[J].工业安全与环保，2018，44（12）：5-8.

[2]王鹏.封闭式地面火炬多点射流火焰高度研究[J].消防科学与技术，2018，37（06）：732-735.

[3]焦巍，项曙光.封闭式地面火炬燃烧场及烟羽性质的建模方法研究[J].计算机与应用化学，2015，32（11）：1372-1376.

[4]李立力.封闭式地面火炬系统安全分析与风险控制[J].广州化工，2014，42（01）：110-112.