輸氣站封閉式地面火炬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析

劉貝貝　楊濤　全馨　張杰東

摘要：天然氣具有極大的易燃易爆特性，目前站場清管作業(yè)、裝置檢維修、事故工況產(chǎn)生的放空氣主要通過放空管冷放空處理。為解決放空過程中的消防安全距離、噪聲影響等問題，地面火炬應(yīng)運(yùn)而生。文章選取一典型地面火炬為例，通過CFD模擬計(jì)算，對(duì)地面火炬的火焰高度、燃燒熱輻射、可燃?xì)庠茢U(kuò)散等進(jìn)行計(jì)算，得出某一特定火炬的安全距離要求，同時(shí)結(jié)合地面火炬在操作上的風(fēng)險(xiǎn)和防控，得出目前地面火炬在設(shè)計(jì)和管理上常見的風(fēng)險(xiǎn)因素和防控措施。

關(guān)鍵詞：天然氣;地面火炬;燃燒熱輻射;放空設(shè)計(jì)

天然氣是易燃易爆氣體，在常溫常壓下，天然氣的爆炸極限為5%～15%，一旦遇到明火會(huì)發(fā)生劇烈爆炸，具有很強(qiáng)的破壞力。因此，天然氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸手段和設(shè)備設(shè)施都會(huì)有嚴(yán)格的消防要求，天然氣均存儲(chǔ)在密閉環(huán)境內(nèi)，傳統(tǒng)場站一般設(shè)置高架火炬，用來收集和處理天然氣。文章以國內(nèi)某大型能源公司××分輸站新投用的天然氣地面火炬為例，從燃燒熱輻射對(duì)周邊的影響、火炬未成功點(diǎn)火時(shí)可燃?xì)庠茢U(kuò)散的影響以及地面火炬日常運(yùn)行所必需的配套設(shè)計(jì)三個(gè)方面開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析。

一、地面火炬火焰高度及熱輻射的計(jì)算與影響

（一）CFD模擬軟件介紹

Computational Fluid Dynamics是計(jì)算流體力學(xué)的簡稱，CFD是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)中的一種，其基本原理是數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出流體流動(dòng)的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動(dòng)的情況。

Kameleon FireEx KFX?是目前在氣體擴(kuò)散、火炬和火災(zāi)模擬方面處于領(lǐng)先地位的CFD軟件，利用KFX三維計(jì)算模擬軟件可以對(duì)池火、噴射火、火炬、LNG火災(zāi)、密閉空間火災(zāi)或開放空間火災(zāi)等各種類型的火災(zāi)進(jìn)行模擬，同時(shí)能夠?qū)囟?、熱輻射、有毒氣體、燃燒物質(zhì)濃度等進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

（二）CFD模擬計(jì)算模型建立

利用CFD模擬軟件對(duì)××輸氣站封閉式地面火炬及周邊主要裝置進(jìn)行三維建模如圖1所示，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內(nèi)徑），高度為7m，火炬周邊包括站場內(nèi)南側(cè)工藝區(qū)、東側(cè)辦公樓、西側(cè)廠房、北側(cè)電線桿，其中封閉式地面火炬筒體外壁距離東側(cè)辦公樓10m、距離西側(cè)廠房30m。

以封閉式地面火炬中心位置處作為X、Y坐標(biāo)的0點(diǎn)，計(jì)算域?qū)⒎忾]式地面火炬及周邊主要設(shè)施均包括在內(nèi)。

（三）火焰高度及熱輻射影響范圍模擬計(jì)算（文章以風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)為例計(jì)算）

1.火焰高度及高溫影響計(jì)算

由于CFD模擬軟件無法直接確定火焰高度，因此常用溫度法對(duì)火焰高度進(jìn)行定義，即用某一溫度等值面作為火焰的輪廓，從而得到火焰高度。對(duì)于溫度的取值，不同文獻(xiàn)給出了不同的數(shù)值，多為1200K～1400K，此處取1200K等值面作為火焰輪廓確定火焰高度。當(dāng)?shù)孛婊鹁嫣幚砹繛?.8t/h，風(fēng)速為5.2m/s，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內(nèi)徑）、高度為7m，采用多點(diǎn)噴射型燃燒器時(shí)，火炬點(diǎn)燃燃燒場及熱輻射計(jì)算結(jié)果如圖2所示：

此處采用1200K等值面作為火焰輪廓來確定火焰高度，可以看出由于受到北風(fēng)作用導(dǎo)致火焰向南側(cè)偏移，而火炬中心區(qū)域火焰高度較高，火炬內(nèi)火焰高度約8m、燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)主要處于火炬筒體內(nèi)部，高溫?zé)煔獠粫?huì)直接對(duì)地面及周邊人員、設(shè)施造成影響。

2.火焰熱輻射影響范圍模擬計(jì)算

根據(jù)《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50183-2004中對(duì)火炬設(shè)計(jì)允許熱輻射強(qiáng)度的規(guī)定值，獲取站場地面火炬燃燒時(shí)的熱輻射強(qiáng)度為1.58kW/m～9.46kW/m的影響范圍，文章僅計(jì)算1.58kW/m、9.46kW/m兩個(gè)數(shù)值時(shí)的輻射影響范圍，如圖3所示。

（1）1.58kW/m熱輻射影響范圍

（2）9.46kW/m熱輻射影響范圍

當(dāng)?shù)孛婊鹁嫣幚砹繛?.8t/h，風(fēng)速為5.2m/s，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)（南向結(jié)果一致），封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內(nèi)徑）、高度為7m，采用多點(diǎn)噴射型燃燒器時(shí)，根據(jù)地面火炬燃燒熱輻射計(jì)算結(jié)果可知，火炬筒體對(duì)內(nèi)部燃燒火焰產(chǎn)生的熱輻射起到了較好的屏蔽作用，因而火炬燃燒產(chǎn)生的熱輻射主要分布在火炬筒體上方，熱輻射強(qiáng)度為1.58kW/m～9.46kW/m的影響距離為高度6m以上、距離火炬中心3.5～8m范圍內(nèi)。

3.火炬未點(diǎn)燃可燃?xì)庠茢U(kuò)散模擬

當(dāng)有可燃?xì)庑狗哦孛婊鹁嫖茨艹晒c(diǎn)火時(shí)，可燃?xì)庠茢U(kuò)散可能形成爆炸混合性氣體，為了評(píng)估可燃?xì)馕闯晒c(diǎn)火導(dǎo)致天然氣泄漏擴(kuò)散的危害性，利用CFD軟件對(duì)其擴(kuò)散影響范圍進(jìn)行模擬分析，模擬取地面火炬處理量為1.8t/h，風(fēng)速5.2m/s，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內(nèi)徑）、高度為7m，得到計(jì)算結(jié)果如圖4所示：

甲烷的爆炸極限為5%～15%，模擬結(jié)果取甲烷的爆炸極限濃度LEL%（5%等值面）和1/2LEL（2.5%等值面）進(jìn)行分析，從計(jì)算結(jié)果可知由于受到風(fēng)向的影響，未點(diǎn)燃天然氣根據(jù)風(fēng)向擴(kuò)散，LEL%可燃?xì)庠浦饕奂诨鹁嫱搀w上方，最大影響范圍約為距離火炬筒外壁0.5m;1/2LEL%可燃?xì)庠葡啾萀EL%可燃?xì)庠朴绊懛秶^大，同樣主要聚集在火炬筒體上方，最大影響范圍約為距離火炬筒外壁2m。

在實(shí)際的應(yīng)用中，當(dāng)現(xiàn)場情況發(fā)生變化時(shí)，只需要對(duì)模型的數(shù)值條件進(jìn)行修改，再模擬計(jì)算得出具體的影響范圍。

二、封閉式地面火炬的操作風(fēng)險(xiǎn)及安全防控

同時(shí)，結(jié)合天然氣輸氣站的放空作業(yè)操作規(guī)程及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)針對(duì)地面火炬一般會(huì)有以下安全措施：

第一，存在風(fēng)險(xiǎn)：當(dāng)放空氣流量較小時(shí)，存在無法點(diǎn)燃或者燃燒不充分的情況。

預(yù)防措施：可在燃燒爐爐膛內(nèi)設(shè)置若干長明燈，以確保放空氣通過燃燒器火嘴時(shí)都能完全燃燒，避免形成爆炸性環(huán)境。

第二，存在風(fēng)險(xiǎn)：在放空開始的瞬間，火炬進(jìn)口處形成空氣與天然氣的混氣段，點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆燃。

預(yù)防措施：可設(shè)置氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)，對(duì)各級(jí)排放閥后管路進(jìn)行吹掃，以維持排放管道的微正壓，防止空氣倒流入放空管道。

第三，存在風(fēng)險(xiǎn)：避免放空管路或閥門泄漏導(dǎo)致產(chǎn)生爆炸性氣體環(huán)境。

預(yù)防措施：在封閉式地面火炬燃燒爐下部或在防風(fēng)墻外圍的附屬流程工藝裝置區(qū)設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警裝置，對(duì)泄露的氣體環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

第四，存在風(fēng)險(xiǎn)：在放空結(jié)束時(shí)，發(fā)生回火。

預(yù)防措施：在各個(gè)長明燈的燃料氣管線和常開的一級(jí)燃燒支路上設(shè)置阻火器。

第五，存在風(fēng)險(xiǎn)：切斷閥故障時(shí)放空系統(tǒng)憋壓。

預(yù)防措施：除一級(jí)燃燒支路之外，其余各級(jí)燃燒支路切斷閥設(shè)置爆破片旁通。

三、結(jié)語

與高架火炬相比，封閉式地面火炬有較多優(yōu)勢(shì)，但在國內(nèi)天然氣長輸管道站場的應(yīng)用還未普及，相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定也相對(duì)滯后。因此，在封閉式地面火炬的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，應(yīng)充分考慮各種因素，更大限度地確保封閉式地面火炬的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。一方面，嚴(yán)格規(guī)定地面火炬的設(shè)計(jì)處理能力及熱輻射影響范圍;另一方面，設(shè)置若干長明燈、進(jìn)口處設(shè)置氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)，防止空氣倒流入放空管道發(fā)生爆燃;另外，封閉式地面火炬應(yīng)按照要求設(shè)置一定數(shù)量的可燃?xì)怏w報(bào)警儀，達(dá)到及時(shí)預(yù)警的效果等。

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