FPSO火炬塔溫度場計算

呂木英

摘 要：火炬系統是FPSO上重要的安全系統。本文采用先進的火炬仿真計算軟件Flaresim對FPSO火炬塔進行熱輻射和溫度計算，最終得出火炬塔不同高程的溫度場分布。

關鍵詞：輻射熱強度；Flaresim；溫度場

中圖分類號：U674.98 文獻標識碼：A

Abstract： Flare system is a very important safety system of FPSO. The advanced flare simulation and calculation software FLARESIM is used to calculate the radiation and temperature of FPSO flare tower， and to obtain the temperature field of different elevations for it.

Key words： Radiation intension； Flaresim； Temperature field

1 引言

火炬系統是FPSO上重要的安全系統。單火炬頭的火炬系統，可根據API RP 521和美國雪弗龍設計手冊進行手工疊加輻射熱計算。但對于多火炬頭的火炬系統，通過手工疊加輻射熱的計算方法已不適用。本文采用先進的火炬仿真設計軟件Flaresim，對某FPSO火炬塔的高低壓火炬系統進行輻射熱和溫度場計算，確定火炬塔不同高程的結構溫度，以便為火炬塔的結構計算提供重要的輸入條件。

2 火炬熱輻射強度

火炬輻射熱強度是非常重要的參數，它的選取直接關系到火炬系統的設計是否合理。API RP 521對于允許熱輻射強度作出了如下規定：

（1）操作人員不可能達到的區域和已有防輻射遮蔽的地方，設計的允許熱輻射強度應不高于15.77 kW/m2；

（2）有通道、人員可以到達的所有位置，暴露必須限制在僅夠逃脫的幾秒鐘時間，設計的允許熱輻射強度應不高于9.46 kW/m2；

（3）緊急作業可能需要堅持一分鐘的地區，人員沒有遮蔽物但穿有合適的工作服，設計的允許熱輻射強度應不高于6.31 kW/m2；

（4）緊急作業可能需要幾分鐘的地區，人員沒有遮蔽物但穿有合適的工作服，設計的允許熱輻射強度應不高于4.73 kW/m2；

（5）人員連續暴露的所有位置，設計的允許熱輻射強度應不高于1.58 kW/m2。

3 Flaresim軟件介紹

Flaresim為美國Softbits公司開發的火炬系統仿真設計軟件，主要功能是對火炬系統進行熱輻射和擴散計算，該軟件在國內外火炬行業得到了廣泛的認可。

Flaresim提供的熱輻射計算方法有API法、集成點源法、集成擴散法、集成混合源法、Brzustowski法以及Chamberlain法。對于亞音速火炬熱輻射的計算，一般采用集成混合源法。

4 某FPSO火炬塔溫度場計算

4.1 工程背景

某FPSO火炬塔高116.7 m，塔頂有高壓和低壓2套火炬，火炬筒體直徑分別為1 118 mm和305 mm。兩套火炬高度均為3 m，中心間距很小。火炬氣排放條件見表1。

4.2 計算過程

高壓和低壓火炬的最大排放量是根據燃料氣處理系統整體失效的極端事故工況下給出的應急排放量，在此工況下要求人員活動區的最大熱輻射不應高于6.31 kW/m2，根據一般設計經驗選擇FPSO主甲板吊機操作室。

以下根據Flaresim軟件（V4.1版）采用集成混合源法對該高低壓火炬系統進行輻射熱和溫度場計算。

4.2.1 模型建立

（1）輸入基礎數據，分別建立兩個火炬的排放量、溫度和風速等基礎數據塊；

（2）指定坐標原點為火炬塔塔底中心點，并從塔底開始至塔頂以每隔10 m高程為一個接收點，計算每一接收點的熱輻射及溫度值；

（3）校核FPSO主甲板吊機操作室的熱輻射是否低于6.31 kW/m2。

4.2.2 計算結果

在FPSO燃料處理氣系統整體失效的極端事故工況下，高壓火炬和低壓火炬同時排放，在兩個火炬輻射熱的疊加下，計算極限風速下火炬塔不同高程結構的溫度場。

（1）根據計算結果，不同風速下火炬塔塔頂和塔底的熱輻射分布圖，如圖1～圖4所示。

（2）根據計算結果，不同風速下火炬塔的溫度場分布如下表2和表3所示，高程以坐標原點為基準面。

（3）表4為人員活動區的熱輻射值和溫度。

5 計算結果分析

（1）圖1～圖4分別顯示了最小、最大風速下火炬塔塔頂和塔底的熱輻射分布情況。從圖中可以看出，塔頂的熱輻射值大大高于塔底的熱輻射值，這是因為塔頂離熱源（燃燒的火炬）最近，受到的熱輻射最大；而塔底離熱源最遠，受到的熱輻射最??；

（2）表2和表3分別顯示了最小、最大風速下火炬塔不同高程的溫度分布情況。從表中可以看出，當火炬塔高程在0 m～110 m范圍內時，最大風速下火炬塔的溫度均低于最小風速下火炬塔的溫度，這是由于風具有降溫作用，風速越大，對火炬塔的輻射熱影響越大，因此降溫作用越明顯；但在火炬塔高程為116.7m（即塔頂）時，最大風速下的火炬塔溫度高于最小風速下的火炬塔溫度，這是由于盡管風速對輻射熱影響較大，但火源產生的熱輻射影響更大，造成了溫度的升高。為說明這個問題，本文還計算了不考慮風降溫作用下的結果作為對比。由于篇幅所限，只列出塔頂溫度的對比情況，如表5。

表5 火炬塔塔頂溫度對比

從表5中可以看出風對溫降的作用明顯，但在不考慮風降溫作用下，風速越大塔頂溫度越高，這是因為風速越大火炬燃燒產生火焰越長，產生的熱輻射越大。

（3）表4顯示了最小、最大風速下人員活動區——甲板吊機室外表面的熱輻射和溫度分布情況。從表4可以看出，最小、最大風速下甲板吊機操作室外表面的熱輻射值均低于允許輻射熱值6.31 kW/m2，且一分鐘內升高的溫度均在40 ℃左右，處于人體可忍受范圍內，故火炬校核安全。

6 結語

根據以上分析，Flaresim可以方便進行多個火炬熱輻射的疊加計算。對于多火炬的火炬系統，Flaresim可快速準確地計算任何區域的熱輻射、溫度場等數值，給火炬塔的設計帶來了極大的便利。

參考文獻

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[4]海洋石油工程設計指南——海洋石油工程設計概論與工藝設計分

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