孫全軍 石一丁 費(fèi)普鴻 葛天明 王子赫

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司天津油氣分公司；2.北京沃利工程技術(shù)有限公司）

火炬放空系統(tǒng)是油田、化工廠、天然氣工廠、煉油廠、海上鉆井平臺(tái)的重要輔助工藝設(shè)施[1]。當(dāng)火炬點(diǎn)火設(shè)備失效時(shí)，氣體會(huì)直接排放到大氣，對(duì)周?chē)藛T產(chǎn)生潛在危害及環(huán)境影響。甲烷作為一種溫室氣體，其影響遠(yuǎn)大于二氧化碳，火炬點(diǎn)火失敗后直接排放至大氣會(huì)增加碳排放。如果排放氣體接觸到外部點(diǎn)火源，還可能發(fā)生火災(zāi)爆炸事故[2]。針對(duì)火炬放空時(shí)點(diǎn)火失敗這一事件，生產(chǎn)企業(yè)需要制定有針對(duì)性的應(yīng)急處置方案。充分了解火炬點(diǎn)火失敗后的擴(kuò)散或爆炸后果是制定合理的、有針對(duì)性的應(yīng)急處置方案的基礎(chǔ)，因此需要研究火炬在點(diǎn)火失敗的情況下，氣體擴(kuò)散及可燃?xì)怏w云團(tuán)被外部點(diǎn)火源點(diǎn)燃后爆炸對(duì)周?chē)藛T及設(shè)施的影響[3-4]。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石化產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中。已有一些研究采用CFD 技術(shù)進(jìn)行火炬放空及熱輻射及其他火災(zāi)模擬[5-6]，但采用CFD 技術(shù)模擬火炬點(diǎn)火失敗后的氣體爆炸相關(guān)研究較少。為此，以某天然氣設(shè)施火炬無(wú)法點(diǎn)火的事件作為案例，通過(guò)CFD 模擬火炬放空時(shí)氣體擴(kuò)散及擴(kuò)散后的氣體爆炸，評(píng)估多座火炬同時(shí)存在時(shí)，火炬放空點(diǎn)火失敗時(shí)對(duì)周?chē)藛T和設(shè)施的影響，為制定有針對(duì)性的應(yīng)急處置方案提供參考。

1 模型及模擬場(chǎng)景

該案例中火炬區(qū)內(nèi)設(shè)有三個(gè)火炬，三個(gè)火炬排列成一行。中間的火炬高度為35 m，火炬筒直徑為350 mm，另兩個(gè)火炬分設(shè)兩邊，高度約為25 m。火炬彼此之間間距分別為15.1 m 和15.5 m，火炬相對(duì)位置見(jiàn)圖1。

三個(gè)火炬分屬于不同的天然氣設(shè)施，其中中間的火炬點(diǎn)火器失效，無(wú)法點(diǎn)火?；鹁鏋榉沁B續(xù)排放，只有生產(chǎn)異常時(shí)才會(huì)進(jìn)行放空操作。因此，如果中間火炬放空時(shí)，由于火炬無(wú)法點(diǎn)火，將形成可燃?xì)怏w云團(tuán)，如果此時(shí)旁邊的火炬進(jìn)行放空操作，可能導(dǎo)致中間火炬放空所形成的氣體云團(tuán)由于延遲點(diǎn)火而發(fā)生爆炸。因此，需要分析這種情況下，爆炸對(duì)周?chē)藛T和設(shè)施可能產(chǎn)生的影響，為制定有針對(duì)性的應(yīng)急處置方案提供參考?；鹁嫒S幾何模型見(jiàn)圖2，能夠滿(mǎn)足分析所需精度，將采用最大放空流量，及不同的風(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行模擬。

圖2 火炬三維幾何模型Fig.2 3D geometric model of flares

模擬輸入條件（氣體溫度-41 ℃，火炬直徑350 mm，火炬高度35 m，放空速率14.88 kg/s，氣體相對(duì)分子質(zhì)量16），氣體組分假設(shè)為100%甲烷。模擬中采用東風(fēng)及東北風(fēng)兩個(gè)風(fēng)向，每個(gè)風(fēng)向采用3 個(gè)風(fēng)速，分別為1 m/s、2 m/s、5 m/s。

在進(jìn)行火炬放空擴(kuò)散模擬后，會(huì)得到在不同風(fēng)向和風(fēng)速的條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)分布和云團(tuán)體積。然后，再根據(jù)擴(kuò)散模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為天然氣化學(xué)當(dāng)量濃度對(duì)應(yīng)的氣體云團(tuán)，設(shè)定不同的點(diǎn)火位置，采用CFD 模擬軟件FLACS 進(jìn)行爆炸模擬。FLACS是進(jìn)行氣體爆炸模擬的專(zhuān)業(yè)CFD 模擬工具，在氣體爆炸模擬領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位。近些年國(guó)內(nèi)已經(jīng)有人采用FLACS 進(jìn)行一些相關(guān)的模擬工作[7-9]。

在進(jìn)行人員風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，主要考慮閃火及爆炸傷害，將依據(jù)GB/T 37243—2019《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》[10]中的傷害準(zhǔn)則進(jìn)行人員傷害影響范圍分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散模擬

在進(jìn)行擴(kuò)散模擬時(shí)，當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，即擴(kuò)散形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)體積達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，提取模擬結(jié)果。東風(fēng)不同風(fēng)速氣體濃度等值面見(jiàn)圖3。可燃?xì)怏w濃度均為左圖爆炸下限LFL（5%）、右圖50% LFL（2.5%）。東北風(fēng)不同風(fēng)速氣體濃度等值面見(jiàn)圖4， 其中可然氣體濃度均為左圖LFL（5%），右圖50%LFL （2.5%）。擴(kuò)散模擬結(jié)果表明，可燃?xì)怏w云團(tuán)距離地面高度為大于35 m，但有可能會(huì)被鄰近的火炬點(diǎn)燃。可燃?xì)怏w云團(tuán)受風(fēng)影響發(fā)生向下彎曲，風(fēng)速越大，氣體云團(tuán)向下彎曲程度越大，距離地面會(huì)越近，但濃度為L(zhǎng)FL 和50%LFL氣體云團(tuán)不會(huì)到達(dá)地面?？扇?xì)怏w云團(tuán)在風(fēng)速5 m/s時(shí)，由于氣云彎曲，會(huì)更接近相鄰火炬，增大了被相鄰火炬點(diǎn)燃的可能性。但即便被鄰近火炬點(diǎn)燃，閃火的影響范圍也在距離地面較高處，不會(huì)對(duì)地面人員產(chǎn)生傷害。

圖3 東風(fēng)不同風(fēng)速氣體濃度等值面Fig.3 Isosurfaces of gas concentration at different wind speeds from east winds

圖4 東北風(fēng)不同風(fēng)速氣體濃度等值面Fig.4 Isosurfaces of gas concentration at different wind speeds from northeast winds

圖5 氣云及點(diǎn)火位置Fig.5 Gas cloud and ignition location

甲烷作為一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)能力比二氧化碳強(qiáng)得多，除了考慮安全影響以外，還需要同時(shí)考慮環(huán)境影響。因此，需要考慮是否有必要進(jìn)行補(bǔ)充點(diǎn)火，此種情況下，合理的點(diǎn)火位置也需要以擴(kuò)散結(jié)果作為基礎(chǔ)，這對(duì)于火炬點(diǎn)火失敗后的應(yīng)急處置具有重要意義[11-12]。

2.2 爆炸模擬

根據(jù)擴(kuò)散模擬結(jié)果，火炬放空后，如果此時(shí)臨近火炬發(fā)生點(diǎn)火，則會(huì)被鄰近的火炬點(diǎn)燃。如果火炬放空時(shí)，被雷電擊中，可燃?xì)怏w云團(tuán)也會(huì)被點(diǎn)燃。將最大可燃?xì)怏w云團(tuán)換算為化學(xué)當(dāng)量濃度氣體云團(tuán)進(jìn)行爆炸模擬[13]。爆炸模擬時(shí)，根據(jù)擴(kuò)散模擬中氣體云團(tuán)的位置，將氣體云團(tuán)等效為長(zhǎng)方體，并設(shè)定不同的點(diǎn)火位置，同時(shí)，在距離地面1 m 高度處設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄地面處所受爆炸超壓隨時(shí)間的變化，在可燃?xì)怏w云團(tuán)中也設(shè)定一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行爆炸超壓的監(jiān)測(cè)。氣云及點(diǎn)火位置見(jiàn)圖5，模擬中共考慮兩個(gè)點(diǎn)火位置，用1 和2 表示，分別進(jìn)行爆炸模擬。根據(jù)臨近火炬燃燒時(shí)火焰可能出現(xiàn)的位置選擇點(diǎn)火位置，由于臨近火炬高度小于主火炬，因此云團(tuán)最有可能在氣云的下邊緣或側(cè)邊緣被點(diǎn)燃。另外，這兩處點(diǎn)火點(diǎn)位置位于氣云邊緣，相對(duì)容易產(chǎn)生較大的爆炸后果，結(jié)果更加保守。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖6 中綠色點(diǎn)位置，共11 個(gè)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.6 Location of monitor points

兩個(gè)爆炸模擬場(chǎng)景中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆炸超壓隨時(shí)間發(fā)生的變化見(jiàn)圖7 和圖8。兩個(gè)爆炸模擬場(chǎng)景的火炬所在豎直截面的爆炸超壓3D 分布見(jiàn)圖9 和圖10。模擬結(jié)果表明，爆炸超壓隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)，兩個(gè)爆炸模擬場(chǎng)景中最大爆炸超壓為0.008 5 bar，最大超壓出現(xiàn)在云團(tuán)所處區(qū)域范圍內(nèi)，而地面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的爆炸超壓均低于0.002 bar，遠(yuǎn)低于人員傷害準(zhǔn)則，基本可以忽略。其原因?yàn)榛鹁骖^附近為非擁塞空間，且不存在任何可能導(dǎo)致較大爆炸超壓的密集障礙物，因此火炬點(diǎn)火失敗后所形成可燃?xì)怏w云團(tuán)的主要后果為閃火，爆炸超壓較小。由于火炬距離地面35 m，爆炸超壓經(jīng)過(guò)衰減，地面所受超壓進(jìn)一步降低。

圖8 爆炸模擬場(chǎng)景2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆炸超壓隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of explosion overpressure with time at each monitoring point in explosion simulation scenario 2

圖9 爆炸模擬場(chǎng)景1中火炬所在豎直截面的爆炸超壓3D分布圖Fig.9 The overpressure 3D distribution on vertical section across flare in explosion simulation scenario 1

圖10 爆炸模擬場(chǎng)景2中火炬所在豎直截面的爆炸超壓3D分布圖Fig.10 The overpressure 3D distribution on vertical section across flare in explosion simulation scenario 2

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)火炬放空進(jìn)行擴(kuò)散模擬及爆炸模擬得到以下結(jié)論：

1）火炬放空時(shí)，在點(diǎn)火失敗的情況下，會(huì)形成可燃?xì)怏w云團(tuán)，可燃?xì)怏w云團(tuán)的位置為火炬頭高度以上。

2） 火炬放空后，如果此時(shí)臨近火炬發(fā)生點(diǎn)火，則會(huì)被鄰近的火炬點(diǎn)燃。

3） 火炬放空所形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)被點(diǎn)燃時(shí)，主要傷害事件是閃火，閃火的影響范圍在距離地面大于火炬頭高度處，不會(huì)對(duì)地面人員產(chǎn)生傷害。

4）火炬放空所形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)被點(diǎn)燃時(shí)所形成的爆炸超壓較低，在地面形成的爆炸超壓基本可忽略，不會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生傷害。

5）甲烷作為溫室氣體，其溫室效應(yīng)能力比二氧化碳強(qiáng)得多。如果臨近火炬對(duì)氣體云團(tuán)進(jìn)行點(diǎn)燃，可以降低碳排放，雖然可能有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)，但其后果對(duì)于地面人員和設(shè)施影響較小。實(shí)際情況下，可以通過(guò)補(bǔ)充點(diǎn)火降低甲烷排放。

6）通過(guò)模擬得到火炬點(diǎn)火失敗后的氣體云團(tuán)濃度范圍及爆炸影響范圍，對(duì)于火炬點(diǎn)火失敗后的應(yīng)急處置，減少溫室氣體甲烷的排放具有實(shí)際意義。