FLARESIM软件在火炬设计中的应用_潘博

关 键 词 :FLARESIM软件   热辐射   捆绑火炬  火炬高度

 

在火炬排放系统的设计计算中,火炬高度的计算为重中之重。在火炬高度的确定中,热辐射为关键的决定因素之一。很长一段时间内,国内火炬行业基本采用 SH3009 中介绍的方法来确定火炬高度。随着石化装置的大型化,大型捆绑火炬,甚至开放式地面火炬应运而生。在对这些 多辐射源的计算上,通过手工的叠加辐射热的计 算方法已经不适用。因此,软件计算不仅大大节约了人力,还可以提供更为准确的结果,给予工 程设计更多的帮助。本文借助国外先进的工程应用软件 FLARESIM,通过对一高架捆绑火炬的 热辐射和烟气落地浓度计算,确定出火炬的最佳设计高度。

1  火炬高度的确定

按照规范 SH3009-2013[1]的规定,火炬高度的确定应符合下列规定。

a)按受热点的允许热辐射强度计算火炬高度。

b)按 GB/T3840 对按允许热辐射强度计算出的火炬高度进行核算。如不符合要求,应增加火炬高度再进行核算,直到满足大气污染物的排放标准的要求为止。

火炬设计的安全辐射热强度系指人体在至火 炬一定水平半径距离之处,所接受到的辐射热强 度不会产生危害,其水平半径距离称为安全距离。 相关规范中对允许热辐射强度(不包括太阳热辐射强度)取值做了如下规定:

a)厂外居民区、公共福利设施、村庄等公众人员活动的区域,允许热辐射强度小于等于1.58 kW/m2。

b)相邻同类企业及油库的人员密集区域、石 油化工厂内的行政管理区域的允许热辐射强度应小于等于 2.33 kW/m2。

c)相邻同类企业及油库的人员稀少区域、厂 外树木等植被的允许热辐射强度应小于等于 3.0 kW/m2。

d)石油化工厂内部的各生产装置的允许热辐 射强度 应小于等于 3.2 kW/m2。

e)对于分别布置且不同时检修的火炬塔架顶 部平台的允许热辐射强度应小于等于 4.7 kW/m2。 f)火炬设施的分液罐、水封罐、泵等布置区域允许热辐射强度应小于等于 9.0 kW/m2。

2  FLARESIM 软件的热辐射计算方法

FLARESIM软件为美国 Softbits 公司开发的一 套软件,该软件主要应用于火炬系统的热辐 射和扩散计算,在国内外火炬行业得到了广泛的 认可。

软件提供的热辐射计算模型如下。

a)API 方法[3]。基于 API 521 标准,将燃烧火焰假设成火焰中心的一点进行计算。

b)集成点源方法。作为 API 方法的延伸,此 计算方法将燃烧火焰分为一系列微小元素,将这 些元素的热辐射进行叠加计算。

c)集成扩散。集成扩散方法将火焰本身假设 为一不透明实体,仅从火焰表面释放出热辐射。

d)集成混合源。集成混合源方法是点源方法 和扩散方法的融合。

e)Brzustowski 和 Sommer。此方法与 API 方法一样,将燃烧火焰假设成火焰中心的一点进行计算,但也可以指定多个火焰元素并指定火焰元素 位置。

f)Chamberlain。模型将火焰形状定义为倒置 平圆锥,从圆锥表面释放出热辐射。

3  工程应用实例

3.1   工程背景 该项目为某化工火炬排放装置,分为高压和低

压 2 套火炬,筒体直径分别为 1 200 mm 和 800 mm。 两套火炬系统采用共架形式捆绑在同一火炬塔架 上,两套火炬筒体中心间距为 3.2 m。火炬气排放 条件见表 1。

3.2   计算过程 根据规范要求,地面上由于有人员操作,故要求地面上任一点的热辐射必须小于 1.58 kW/m2( 不含太阳热辐射),火炬的设计需以此为依据。

以下采用 FLARESIM 软件(V3.0)对该捆绑火 炬系统进行计算,确定其高度。

3.2.1   模型的建立

a)输入基础数据,分别建立两个火炬的排放量、温度和组分等等基础数据块。

b)建立地面上接收点 1 条件,指定火炬筒体坐标原点(0,0,0)计算出最大热辐射及此热辐射值 所对应的坐标点。

c)建立地面上接收点 2 条件,将以上计算得出 的最大热辐射点坐标输入,定义该点的最大热辐射值小于 1.58 kW/m2,重新计算得出新的火炬高度。

d)确定火炬高度后,校核其地面上污染物排 放浓度是否符合相关规范[4]的要求,最终确定火炬 的高度。

表 1  火炬排放条件

QQ截图20160828210506

在事故工况下,高压火炬 和低压火 炬 同 时 排 放,在两个火炬热辐射的叠加下,指定地面上任何 一点的最大热辐射为 1.58 kW/m2。此条件下,计算 出的火炬高度为160 m。

热辐射分布图如图 1、图 2 所示。

QQ截图20160828210521 QQ截图20160828210533从图1可看出,地面上最大热辐射为1.58 kW/m2, 并给出了其在地面上相应的位置。由于两个火炬 的排放量不同,其火焰长度不一样,叠加后的热辐 射等值线为不规则的圆形。火炬排放气为烃类气 体,燃烧后污染物主要成分为二氧化碳和氮氧化 物。在高度为 160 m 的情况下,在侧风的影响下, 其排放的浓度如图 3 所示,可以看出其值接近零, 远远低于规范 GB3840 中所要求的。因此,该火炬设计高度是合理的。

4  结语

从以上分析可看出,应用FLARESIM软件 后,不仅实现了热辐射叠加计算,还实现了燃烧烟气扩散的叠加计算。对于捆绑火炬和开放式地面 火炬等多点源的火炬系统,计算区域内任何位置 的热辐射、温度、浓度等均给予工程设计带来了极大的便利,节约了大量的人力和物力,计算结果也更为准确。

QQ截图20160828210543

5  参考文献

[1]   SH3009-2013 石油化工企业燃料气系统气体排放设计规范[S]

[2]   SH3009-2010 石油化工企业燃料气系统气体排放设计规范[S]

[3]   API521  Guide  for Pressure-Relieving and Depressuring Systems [S]

[4]   GB/T3840 制定地方大气污染物排放标准的技术方法[S]

扩展阅读

Flaresim软件介绍:Softbits Flaresim 火炬模拟仿真设计软件

Flaresim软件教程:http://www.v-running.com/tutorial/flaresim/

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