火炬放空擴散及爆炸CFD 模擬分析

孫全軍 石一丁 費普鴻 葛天明 王子赫

（1.國家管網集團北京管道有限公司天津油氣分公司；2.北京沃利工程技術有限公司）

火炬放空系統是油田、化工廠、天然氣工廠、煉油廠、海上鉆井平臺的重要輔助工藝設施[1]。當火炬點火設備失效時，氣體會直接排放到大氣，對周圍人員產生潛在危害及環境影響。甲烷作為一種溫室氣體，其影響遠大于二氧化碳，火炬點火失敗后直接排放至大氣會增加碳排放。如果排放氣體接觸到外部點火源，還可能發生火災爆炸事故[2]。針對火炬放空時點火失敗這一事件，生產企業需要制定有針對性的應急處置方案。充分了解火炬點火失敗后的擴散或爆炸后果是制定合理的、有針對性的應急處置方案的基礎，因此需要研究火炬在點火失敗的情況下，氣體擴散及可燃氣體云團被外部點火源點燃后爆炸對周圍人員及設施的影響[3-4]。

計算流體力學（CFD）已經廣泛地應用于石化產業生產中。已有一些研究采用CFD 技術進行火炬放空及熱輻射及其他火災模擬[5-6]，但采用CFD 技術模擬火炬點火失敗后的氣體爆炸相關研究較少。為此，以某天然氣設施火炬無法點火的事件作為案例，通過CFD 模擬火炬放空時氣體擴散及擴散后的氣體爆炸，評估多座火炬同時存在時，火炬放空點火失敗時對周圍人員和設施的影響，為制定有針對性的應急處置方案提供參考。

1 模型及模擬場景

該案例中火炬區內設有三個火炬，三個火炬排列成一行。中間的火炬高度為35 m，火炬筒直徑為350 mm，另兩個火炬分設兩邊，高度約為25 m。火炬彼此之間間距分別為15.1 m 和15.5 m，火炬相對位置見圖1。

三個火炬分屬于不同的天然氣設施，其中中間的火炬點火器失效，無法點火。火炬為非連續排放，只有生產異常時才會進行放空操作。因此，如果中間火炬放空時，由于火炬無法點火，將形成可燃氣體云團，如果此時旁邊的火炬進行放空操作，可能導致中間火炬放空所形成的氣體云團由于延遲點火而發生爆炸。因此，需要分析這種情況下，爆炸對周圍人員和設施可能產生的影響，為制定有針對性的應急處置方案提供參考。火炬三維幾何模型見圖2，能夠滿足分析所需精度，將采用最大放空流量，及不同的風向和風速進行模擬。

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，氣體相對分子質量16），氣體組分假設為100%甲烷。模擬中采用東風及東北風兩個風向，每個風向采用3 個風速，分別為1 m/s、2 m/s、5 m/s。

在進行火炬放空擴散模擬后，會得到在不同風向和風速的條件下的可燃氣體云團分布和云團體積。然后，再根據擴散模擬結果轉化為天然氣化學當量濃度對應的氣體云團，設定不同的點火位置，采用CFD 模擬軟件FLACS 進行爆炸模擬。FLACS是進行氣體爆炸模擬的專業CFD 模擬工具，在氣體爆炸模擬領域具有領先地位。近些年國內已經有人采用FLACS 進行一些相關的模擬工作[7-9]。

在進行人員風險分析時，主要考慮閃火及爆炸傷害，將依據GB/T 37243—2019《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》[10]中的傷害準則進行人員傷害影響范圍分析。

2 結果與討論

2.1 擴散模擬

在進行擴散模擬時，當擴散達到穩定狀態時，即擴散形成的可燃氣體云團體積達到穩定時，提取模擬結果。東風不同風速氣體濃度等值面見圖3。可燃氣體濃度均為左圖爆炸下限LFL（5%）、右圖50% LFL（2.5%）。東北風不同風速氣體濃度等值面見圖4， 其中可然氣體濃度均為左圖LFL（5%），右圖50%LFL （2.5%）。擴散模擬結果表明，可燃氣體云團距離地面高度為大于35 m，但有可能會被鄰近的火炬點燃。可燃氣體云團受風影響發生向下彎曲，風速越大，氣體云團向下彎曲程度越大，距離地面會越近，但濃度為LFL 和50%LFL氣體云團不會到達地面。可燃氣體云團在風速5 m/s時，由于氣云彎曲，會更接近相鄰火炬，增大了被相鄰火炬點燃的可能性。但即便被鄰近火炬點燃，閃火的影響范圍也在距離地面較高處，不會對地面人員產生傷害。

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

圖4 東北風不同風速氣體濃度等值面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，其溫室效應能力比二氧化碳強得多，除了考慮安全影響以外，還需要同時考慮環境影響。因此，需要考慮是否有必要進行補充點火，此種情況下，合理的點火位置也需要以擴散結果作為基礎，這對于火炬點火失敗后的應急處置具有重要意義[11-12]。

2.2 爆炸模擬

根據擴散模擬結果，火炬放空后，如果此時臨近火炬發生點火，則會被鄰近的火炬點燃。如果火炬放空時，被雷電擊中，可燃氣體云團也會被點燃。將最大可燃氣體云團換算為化學當量濃度氣體云團進行爆炸模擬[13]。爆炸模擬時，根據擴散模擬中氣體云團的位置，將氣體云團等效為長方體，并設定不同的點火位置，同時，在距離地面1 m 高度處設定監測點，記錄地面處所受爆炸超壓隨時間的變化，在可燃氣體云團中也設定一個監測點進行爆炸超壓的監測。氣云及點火位置見圖5，模擬中共考慮兩個點火位置，用1 和2 表示，分別進行爆炸模擬。根據臨近火炬燃燒時火焰可能出現的位置選擇點火位置，由于臨近火炬高度小于主火炬，因此云團最有可能在氣云的下邊緣或側邊緣被點燃。另外，這兩處點火點位置位于氣云邊緣，相對容易產生較大的爆炸后果，結果更加保守。監測點位置見圖6 中綠色點位置，共11 個。

圖6 監測點位置Fig.6 Location of monitor points

兩個爆炸模擬場景中各監測點爆炸超壓隨時間發生的變化見圖7 和圖8。兩個爆炸模擬場景的火炬所在豎直截面的爆炸超壓3D 分布見圖9 和圖10。模擬結果表明，爆炸超壓隨時間發生波動，兩個爆炸模擬場景中最大爆炸超壓為0.008 5 bar，最大超壓出現在云團所處區域范圍內，而地面處監測點記錄的爆炸超壓均低于0.002 bar，遠低于人員傷害準則，基本可以忽略。其原因為火炬頭附近為非擁塞空間，且不存在任何可能導致較大爆炸超壓的密集障礙物，因此火炬點火失敗后所形成可燃氣體云團的主要后果為閃火，爆炸超壓較小。由于火炬距離地面35 m，爆炸超壓經過衰減，地面所受超壓進一步降低。

圖8 爆炸模擬場景2 各監測點爆炸超壓隨時間的變化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 結論

通過對火炬放空進行擴散模擬及爆炸模擬得到以下結論：

1）火炬放空時，在點火失敗的情況下，會形成可燃氣體云團，可燃氣體云團的位置為火炬頭高度以上。

2） 火炬放空后，如果此時臨近火炬發生點火，則會被鄰近的火炬點燃。

3） 火炬放空所形成的可燃氣體云團被點燃時，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，不會對地面人員產生傷害。

4）火炬放空所形成的可燃氣體云團被點燃時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，不會對人員產生傷害。

5）甲烷作為溫室氣體，其溫室效應能力比二氧化碳強得多。如果臨近火炬對氣體云團進行點燃，可以降低碳排放，雖然可能有火災爆炸危險，但其后果對于地面人員和設施影響較小。實際情況下，可以通過補充點火降低甲烷排放。

6）通過模擬得到火炬點火失敗后的氣體云團濃度范圍及爆炸影響范圍，對于火炬點火失敗后的應急處置，減少溫室氣體甲烷的排放具有實際意義。