FlareSIM軟件在高架火炬設計中的應用

孔德兵，趙 亮

(山西華仕集團股份有限公司，山西 太原 030032)

火炬系統是用來處理石油化工廠、煉油廠及其他工廠或裝置無法回收的可燃和可燃有毒氣體的特殊燃燒設施。火炬系統是保證工廠安全生產、減少環境污染的一項重要的安全屏障。火炬按放空氣排放量的大小可以分為高架火炬和地面火炬，由于地面火炬處理量比高架火炬小，且不能燃燒有毒氣體，同時隨著工廠的生產規模越來越大，放空氣的排放量也隨之增大，高架火炬成為火炬系統的常見選擇。

為了在成本和保證火炬周圍人員及設備的安全性上作一個平衡，所以對于火炬的高度和熱輻射的計算顯得尤為重要。需要在符合國家標準規范[1]的前提下，合理設計火炬。然而，運用傳統手工計算方法，計算繁雜、耗時久長且容易出錯。目前，國內外工程公司及火炬生產廠家所廣泛使用的專業軟件是FlareSIM軟件，該軟件可以幫助工程設計人員進行火炬系統的詳細設計及評估，而且可以計算火炬產生的熱輻射、噪音和溫度對火炬周圍人員和設備的影響。

本文通過FlareSIM軟件研究設計了某地脫水站放空氣項目的高架火炬，該項目對火炬的熱輻射、噪聲和溫度等數據有明確要求。在不包括太陽熱輻射強度的條件下，火炬設施熱輻射強度滿足地面熱輻射強度(<1.58 kW/m2)；在不包括背景噪聲的條件下，滿足地面噪聲強度(≦85 dB)的要求；此外，本項目由于火炬設施南向90 m處有一個高18 m的儲罐。設計要求最大排放量70%時，不包括環境溫度的條件下，儲罐的表面允許溫度不得高于40 ℃。在滿足國家規范[1]和項目設計的要求下，計算得到了火炬高度。項目實施結果表明，該軟件可以有效幫助工程設計人員進行火炬系統設計。

1 放空氣的組分

本項目放空氣為井質氣，故放空氣的主要成分為CH4，且不含H2S組成，因此不需要考慮SO2落地濃度[2]對地面環境的影響。放空氣的組分見表1。

表1 火炬放空氣的組分

2 環境數據

火炬的設計需要綜合考慮當地的溫度、濕度、風速、大氣壓等氣象條件，火炬的排放條件見表2。

表2 火炬排放條件

3 模型建立

1) 輸入基礎數據，在Fluid模塊中輸入放空氣的溫度、壓力和組分摩爾分數，軟件會自動計算出放空氣的摩爾質量、低發熱量、Cp/Cv、最低爆炸極限(LEL)等。

2) 在Environment模塊中輸入風速、風向、溫度、濕度和壓力，去除掉太陽熱輻射和背景噪聲的影響。

3) 在Tip中輸入火炬頭的個數，火炬頭的高度，放空氣的質量流量，F因子的方法(Natural Gas)[4]等。

4) 在Receptor Point輸入接收點的位置，定義接受點處的熱輻射強度小于1.58 kW/m2，噪聲強度小于85 dB，指定火炬筒體坐標原點(0，0，0)。

5) 在Assist Fluids中選擇蒸汽消煙模式，Smokeless方法選用Flaresim。

6) 在Calculation Options中熱輻射計算方法選用Flaresim API[5]，噪聲計算方法選用API。

7) 在Receptor Girds中選定網格的方向為Elevation-Northing。

4 計算結果

4.1 熱輻射計算

在事故工況下，通過軟件計算最大排放量下的熱輻射[6]結果見圖1。

圖1 火炬的熱輻射計算圖

圖1為火炬最大排放量下的熱輻射計算圖，圖中火炬氣的設計排放量為84 886 kg/h，火炬氣的低發熱量為47 968 kJ/kg，當選用Natural Gas方法時，F因子的計算結果為0.140 5。在不包括太陽熱輻射強度的條件下，滿足地面熱輻射強度<1.58 kW/m2的要求，通過計算可以得出，火炬的高度為76 m，出口大小為500 mm。此外，為了達到無煙燃燒的條件，通過引入蒸汽消煙的方式，引射量為2 123 kg/h，流量比為0.025。

4.2 溫度計算

由于設計要求最大排放量70%時，儲罐的外表面溫度不得高于40 ℃。所以需要計算事故工況下溫度對儲罐的影響，從而調整火炬的高度滿足設計要求。最大排放量70%下溫度的計算結果見圖2。

圖2 火炬的溫度計算圖

圖2為火炬的溫度計算圖。從圖2中可以看出,為了滿足儲罐表面溫度的要求，火炬的高度由76 m升高到了86 m。表明在設計火炬系統時，周圍罐體的表面溫度也會影響火炬的高度。

4.3 噪聲計算

在事故工況下，滿足儲罐表面溫度要求的噪聲計算結果見圖3。

圖3 火炬的噪聲計算圖

從圖3可以看出，地面噪聲的強度小于85 dB。表明當火炬的設計高度為86 m，出口大小為500 mm時，在不包括背景噪聲的條件下，滿足地面噪聲強度≦85 dB的要求，噪聲輻射不會對地面人員和設備造成影響，火炬的設計高度是合理的。此外，熱輻射計算結果圖也表明設計高度滿足規范和項目設計要求。

5 結論

本文通過FlareSIM軟件計算了某地脫水站放空氣項目的高架火炬，結果表明，火炬設計不僅要考慮熱輻射對地面人員和設備的影響，噪聲和地面設備的表面溫度也會影響火炬的設計高度，通過綜合分析得到了該項目高架火炬的設計高度為86 m，出口大小為500 mm。從而可以看出，FlareSIM軟件計算給予工程設計帶來了極大的便利，節約了大量的人力和物力，綜合計算后結果也更為準確。