劉貝貝　楊濤　全馨　張杰東

摘要：天然氣具有極大的易燃易爆特性，目前站場清管作業(yè)、裝置檢維修、事故工況產(chǎn)生的放空氣主要通過放空管冷放空處理。為解決放空過程中的消防安全距離、噪聲影響等問題，地面火炬應(yīng)運而生。文章選取一典型地面火炬為例，通過CFD模擬計算，對地面火炬的火焰高度、燃燒熱輻射、可燃?xì)庠茢U散等進行計算，得出某一特定火炬的安全距離要求，同時結(jié)合地面火炬在操作上的風(fēng)險和防控，得出目前地面火炬在設(shè)計和管理上常見的風(fēng)險因素和防控措施。

關(guān)鍵詞：天然氣;地面火炬;燃燒熱輻射;放空設(shè)計

天然氣是易燃易爆氣體，在常溫常壓下，天然氣的爆炸極限為5%～15%，一旦遇到明火會發(fā)生劇烈爆炸，具有很強的破壞力。因此，天然氣的生產(chǎn)、運輸手段和設(shè)備設(shè)施都會有嚴(yán)格的消防要求，天然氣均存儲在密閉環(huán)境內(nèi)，傳統(tǒng)場站一般設(shè)置高架火炬，用來收集和處理天然氣。文章以國內(nèi)某大型能源公司××分輸站新投用的天然氣地面火炬為例，從燃燒熱輻射對周邊的影響、火炬未成功點火時可燃?xì)庠茢U散的影響以及地面火炬日常運行所必需的配套設(shè)計三個方面開展風(fēng)險評估分析。

一、地面火炬火焰高度及熱輻射的計算與影響

（一）CFD模擬軟件介紹

Computational Fluid Dynamics是計算流體力學(xué)的簡稱，CFD是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)中的一種，其基本原理是數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動的情況。

Kameleon FireEx KFX?是目前在氣體擴散、火炬和火災(zāi)模擬方面處于領(lǐng)先地位的CFD軟件，利用KFX三維計算模擬軟件可以對池火、噴射火、火炬、LNG火災(zāi)、密閉空間火災(zāi)或開放空間火災(zāi)等各種類型的火災(zāi)進行模擬，同時能夠?qū)囟?、熱輻射、有毒氣體、燃燒物質(zhì)濃度等進行詳細(xì)計算。

（二）CFD模擬計算模型建立

利用CFD模擬軟件對××輸氣站封閉式地面火炬及周邊主要裝置進行三維建模如圖1所示，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內(nèi)徑），高度為7m，火炬周邊包括站場內(nèi)南側(cè)工藝區(qū)、東側(cè)辦公樓、西側(cè)廠房、北側(cè)電線桿，其中封閉式地面火炬筒體外壁距離東側(cè)辦公樓10m、距離西側(cè)廠房30m。

以封閉式地面火炬中心位置處作為X、Y坐標(biāo)的0點，計算域?qū)⒎忾]式地面火炬及周邊主要設(shè)施均包括在內(nèi)。

（三）火焰高度及熱輻射影響范圍模擬計算（文章以風(fēng)向為北風(fēng)為例計算）

1.火焰高度及高溫影響計算

由于CFD模擬軟件無法直接確定火焰高度，因此常用溫度法對火焰高度進行定義，即用某一溫度等值面作為火焰的輪廓，從而得到火焰高度。對于溫度的取值，不同文獻給出了不同的數(shù)值，多為1200K～1400K，此處取1200K等值面作為火焰輪廓確定火焰高度。當(dāng)?shù)孛婊鹁嫣幚砹繛?.8t/h，風(fēng)速為5.2m/s，風(fēng)向為北風(fēng)，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內(nèi)徑）、高度為7m，采用多點噴射型燃燒器時，火炬點燃燃燒場及熱輻射計算結(jié)果如圖2所示：

此處采用1200K等值面作為火焰輪廓來確定火焰高度，可以看出由于受到北風(fēng)作用導(dǎo)致火焰向南側(cè)偏移，而火炬中心區(qū)域火焰高度較高，火炬內(nèi)火焰高度約8m、燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)主要處于火炬筒體內(nèi)部，高溫?zé)煔獠粫苯訉Φ孛婕爸苓吶藛T、設(shè)施造成影響。

2.火焰熱輻射影響范圍模擬計算

根據(jù)《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》GB50183-2004中對火炬設(shè)計允許熱輻射強度的規(guī)定值，獲取站場地面火炬燃燒時的熱輻射強度為1.58kW/m～9.46kW/m的影響范圍，文章僅計算1.58kW/m、9.46kW/m兩個數(shù)值時的輻射影響范圍，如圖3所示。

（1）1.58kW/m熱輻射影響范圍

（2）9.46kW/m熱輻射影響范圍

當(dāng)?shù)孛婊鹁嫣幚砹繛?.8t/h，風(fēng)速為5.2m/s，風(fēng)向為北風(fēng)（南向結(jié)果一致），封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內(nèi)徑）、高度為7m，采用多點噴射型燃燒器時，根據(jù)地面火炬燃燒熱輻射計算結(jié)果可知，火炬筒體對內(nèi)部燃燒火焰產(chǎn)生的熱輻射起到了較好的屏蔽作用，因而火炬燃燒產(chǎn)生的熱輻射主要分布在火炬筒體上方，熱輻射強度為1.58kW/m～9.46kW/m的影響距離為高度6m以上、距離火炬中心3.5～8m范圍內(nèi)。

3.火炬未點燃可燃?xì)庠茢U散模擬

當(dāng)有可燃?xì)庑狗哦孛婊鹁嫖茨艹晒c火時，可燃?xì)庠茢U散可能形成爆炸混合性氣體，為了評估可燃?xì)馕闯晒c火導(dǎo)致天然氣泄漏擴散的危害性，利用CFD軟件對其擴散影響范圍進行模擬分析，模擬取地面火炬處理量為1.8t/h，風(fēng)速5.2m/s，風(fēng)向為北風(fēng)，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內(nèi)徑）、高度為7m，得到計算結(jié)果如圖4所示：

甲烷的爆炸極限為5%～15%，模擬結(jié)果取甲烷的爆炸極限濃度LEL%（5%等值面）和1/2LEL（2.5%等值面）進行分析，從計算結(jié)果可知由于受到風(fēng)向的影響，未點燃天然氣根據(jù)風(fēng)向擴散，LEL%可燃?xì)庠浦饕奂诨鹁嫱搀w上方，最大影響范圍約為距離火炬筒外壁0.5m;1/2LEL%可燃?xì)庠葡啾萀EL%可燃?xì)庠朴绊懛秶^大，同樣主要聚集在火炬筒體上方，最大影響范圍約為距離火炬筒外壁2m。

在實際的應(yīng)用中，當(dāng)現(xiàn)場情況發(fā)生變化時，只需要對模型的數(shù)值條件進行修改，再模擬計算得出具體的影響范圍。

二、封閉式地面火炬的操作風(fēng)險及安全防控

同時，結(jié)合天然氣輸氣站的放空作業(yè)操作規(guī)程及作業(yè)風(fēng)險，現(xiàn)針對地面火炬一般會有以下安全措施：

第一，存在風(fēng)險：當(dāng)放空氣流量較小時，存在無法點燃或者燃燒不充分的情況。

預(yù)防措施：可在燃燒爐爐膛內(nèi)設(shè)置若干長明燈，以確保放空氣通過燃燒器火嘴時都能完全燃燒，避免形成爆炸性環(huán)境。

第二，存在風(fēng)險：在放空開始的瞬間，火炬進口處形成空氣與天然氣的混氣段，點火時發(fā)生爆燃。

預(yù)防措施：可設(shè)置氮氣吹掃系統(tǒng)，對各級排放閥后管路進行吹掃，以維持排放管道的微正壓，防止空氣倒流入放空管道。

第三，存在風(fēng)險：避免放空管路或閥門泄漏導(dǎo)致產(chǎn)生爆炸性氣體環(huán)境。

預(yù)防措施：在封閉式地面火炬燃燒爐下部或在防風(fēng)墻外圍的附屬流程工藝裝置區(qū)設(shè)置可燃?xì)怏w檢測報警裝置，對泄露的氣體環(huán)境進行實時監(jiān)測。

第四，存在風(fēng)險：在放空結(jié)束時，發(fā)生回火。

預(yù)防措施：在各個長明燈的燃料氣管線和常開的一級燃燒支路上設(shè)置阻火器。

第五，存在風(fēng)險：切斷閥故障時放空系統(tǒng)憋壓。

預(yù)防措施：除一級燃燒支路之外，其余各級燃燒支路切斷閥設(shè)置爆破片旁通。

三、結(jié)語

與高架火炬相比，封閉式地面火炬有較多優(yōu)勢，但在國內(nèi)天然氣長輸管道站場的應(yīng)用還未普及，相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定也相對滯后。因此，在封閉式地面火炬的設(shè)計和運行中，應(yīng)充分考慮各種因素，更大限度地確保封閉式地面火炬的安全、穩(wěn)定運行。一方面，嚴(yán)格規(guī)定地面火炬的設(shè)計處理能力及熱輻射影響范圍;另一方面，設(shè)置若干長明燈、進口處設(shè)置氮氣吹掃系統(tǒng)，防止空氣倒流入放空管道發(fā)生爆燃;另外，封閉式地面火炬應(yīng)按照要求設(shè)置一定數(shù)量的可燃?xì)怏w報警儀，達(dá)到及時預(yù)警的效果等。

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