基于PHAST的輸氣站場放空火炬熱輻射安全距離與影響因素研究

裴 斌 楊 斯 許 娟 楊云峰 賈彥杰 白 雪

(1.中國石油西南管道昆明輸油氣分公司；2.中國石油管道建設(shè)項目經(jīng)理部中緬項目部；3.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院)

基于PHAST的輸氣站場放空火炬熱輻射安全距離與影響因素研究

裴 斌**1楊 斯2許 娟1楊云峰1賈彥杰1白 雪3

(1.中國石油西南管道昆明輸油氣分公司；2.中國石油管道建設(shè)項目經(jīng)理部中緬項目部；3.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院)

通過PHAST軟件對火炬點火形成噴射火的影響范圍及其影響因素進行模擬研究，研究距離、風速、風向和大氣穩(wěn)定度對熱輻射強度的影響規(guī)律。研究表明：熱輻射強度隨距離的增大先增大后減小，但在距離火炬中心較遠的區(qū)域，距離對熱輻射強度的影響不大；總體上風速越大，熱輻射強度越大，但距離火炬中心較遠的區(qū)域，風速對熱輻射強度的影響可以忽略；下風向的輻射距離大于側(cè)風向的且遠大于上風向的輻射距離；大氣穩(wěn)定度對熱輻射強度的影響可以忽略。

站場放空火炬 熱輻射強度 安全距離 PHAST軟件

放空火炬是天然氣站場安全設(shè)施的重要組成部分，其安全與否關(guān)系到輸氣管道和處理裝置的平穩(wěn)運行、人民生命財產(chǎn)和國有資產(chǎn)的安全。在進行放空火炬點火作業(yè)時，其產(chǎn)生的熱輻射可能對周圍的人員、設(shè)備造成傷害、破壞，火炬熱輻射影響范圍的研究對站場放空火炬建設(shè)選址和減少點火形成熱輻射影響及火炬周邊廠區(qū)平面布置優(yōu)化具有重指導(dǎo)意義[1]。利用PHAST軟件對火炬點火形成噴射火的影響范圍進行模擬分析，研究距離、風速、風向和大氣穩(wěn)定度對熱輻射強度的影響規(guī)律，為站場放空火炬建設(shè)選址及火炬周邊廠區(qū)平面布置優(yōu)化提供參考[2]。

1 PHAST軟件簡介

PHAST軟件是挪威船級社推出的石化廠過程危害后果分析工具，它是國內(nèi)應(yīng)用最為普遍的定量風險分析軟件[3]。PHAST能夠用于物料泄漏、氣體的大氣擴散、噴射火及池火災(zāi)等后果評估[4]。該軟件中“噴射火”模型中的API RP521模型適用于站場火炬點燃后熱輻射的計算分析[1]。

計算時涉及到的關(guān)鍵參數(shù)有：火炬排放物料名稱、排放質(zhì)量流量、溫度、壓力、風速、大氣穩(wěn)定度、火炬頭直徑及火炬高度等[5]。其中，如果直接采用火炬頭直徑計算出的物料排放質(zhì)量流量數(shù)值會比實際大很多，因此需要對火炬頭直徑進行修正，以保證結(jié)果的準確性[1]，修正公式為：

式中d實際——火炬頭實際直徑，mm；

d修正——修正后的火炬頭直徑，mm；

Q計算——火炬計算排放量，kg/s；

Q實際——火炬實際排放量，kg/s。

2 實例分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以輸氣干線某段管道放空系統(tǒng)的放空火炬為例，計算火炬點燃時的熱輻射情況。排放物料為甲烷(天然氣中99.6%為甲烷)，放空壓力為7.6MPa，溫度20℃，火炬高度為20m，火炬頭直徑為350mm，最大放空量為93 500Nm3/h，大氣穩(wěn)定度為D級，風速取1.5、9.0、15.0m/s。

2.2 熱輻射傷害準則

熱輻射對目標損傷的判定準則有3種：熱輻射劑量準則、熱輻射強度準則、熱劑量-熱強度準則[6]。熱通量準則是以熱通量作為衡量目標，判斷人和物是否被破壞的參數(shù)，當目標受到的熱通量大于或等于引起目標破壞所需的臨界熱通量時，目標被破壞[7]。通常情況下熱通量準則用于判斷穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的情況，即天然氣長輸管道放空系統(tǒng)火炬的噴射火情況[7,8]。熱通量傷害準則見表1[9～11]，當目標在一定時間內(nèi)受到的熱通量超過表中閾值，則產(chǎn)生破壞。

表1 熱輻射強度及其影響后果

2.3 計算結(jié)果與分析

在“噴射火”模型下可得到不同風速條件下水平剖面上熱輻射強度分布和熱輻射強度在xoz、yoz平面上的分布后果輸出[1,12]，風速為1.5、9.0、15.0m/s，高度1.5m處的水平剖面上熱輻射強度分布與熱輻射強度計算結(jié)果見表2。

表2 不同風速下熱輻射強度與距離的分布關(guān)系

注：風速單位m/s，距離單位m，熱輻射強度單位kW/m2。

可以看出，熱輻射強度隨距離的增大先增大后減小，但在距離火炬中心較遠的區(qū)域，距離對熱輻射強度的影響不大。風速為1.5m/s、輻射強度小于1.58kW/m2時，在118m以外的人員、設(shè)施等受到的傷害和破壞在可接受范圍內(nèi)，即在該工況下進行火炬點火作業(yè)時安全距離為118m。隨著距離的擴大，在相同的距離內(nèi)風速越大熱輻射強度越大，隨著距離擴大到一定程度，風速的大小對熱輻射強度的影響逐漸降級(圖1)，直至可以忽略。

圖1 風速對熱輻射強度的影響

以風速15.0m/s、熱輻射強度4kW/m2、距地面高度1.5m為例，下風向的輻射距離為89m，側(cè)風向的輻射距離為70m，上風向的輻射距離僅為16m，因此在進行火炬點燃放空時，要適當選擇安全風向，使易受熱輻射影響的人員、設(shè)備等盡量處于上風向的位置。

大氣穩(wěn)定度分別為B、D、E級別時，模擬得出的熱輻射強度的變化曲線只有一條(重合)，由此可初步判定大氣穩(wěn)定度對放空火炬熱輻射強度的影響可以忽略。

3 結(jié)論

3.1放空火炬熱輻射強度并不因與火炬間距增大而呈現(xiàn)指數(shù)單調(diào)減小，在距火炬中心40m內(nèi)熱輻射強度逐漸增大，在40m以外熱輻射強度持續(xù)減小，但減小趨勢逐漸放緩，150m外熱輻射強度逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2總體上風速越大，熱輻射強度越大，但距離火炬中心較遠的區(qū)域，風速對熱輻射強度的影響可以忽略；下風向的輻射距離大于側(cè)風向的且遠大于上風向的輻射距離；大氣穩(wěn)定度對放空火炬熱輻射強度的影響可以忽略。

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ResearchonInfluenceFactorsandSafetyDistanceofThermalRadiationfromFlareSysteminGasStationBasedonPHAST

PEI Bin1, YANG Si2, XU Juan1, YANG Yun-feng1, JIA Yan-jie1, BAI Xue3

(1.PetroChinaSouthwestPipelineKunmingPetroleumOil&GasTransportationBranch,Kunming650000,China;
2.ChinaandMyanmarProjectDepartment,PetroChinaPipelineConstructionProjectManagerBranch,
Kunming650000,China;3.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Both influence scope and safety distance of jet fire which resulted from the flare system was simulated and investigated through PHAST software, including the influence of distance, wind speed, wind direction and atmospheric stability on the thermal radiation intensity. The results show that, the thermal radiation intensity increases at first and then decreases with the increase of distance; and the distance’s influence on the thermal radiation intensity becomes less at the area far from the flare system; generally, the greater wind speed can incur bigger thermal radiation intensity, but at the area far from the flare system, the wind speed’s effect on the strength of thermal radiation can be ignored; and the radiation distance downwind is greater than that at lateral direction and far more than the radiation distance upwind; and the influence of atmospheric stability on the thermal radiation intensity can be ignored too.

flare system in gas station, thermal radiation intensity, safety distance, PHAST software

** 裴 斌，男，1985年12月生，工程師。云南省昆明市，650000。

TQ055.8

A

0254-6094(2016)04-0461-03

2015-09-29，

2015-10-20)