高架火炬泄漏后果模拟研究

张杰东，于安峰，党文义

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛 2660712.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

高架火炬泄漏后果模拟研究

张杰东1,2，于安峰1,2，党文义1,2

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛2660712.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266071)

基于CFD技术，以某石化厂高架火炬为例开展建模计算，研究装置在最大泄放工况下高、低压火炬和酸性气火炬未点燃后的气体扩散行为。研究结果可为火炬系统紧急状态下的安全区域划分、应急响应预案制定提供技术支撑。

高架火炬 CFD 泄漏扩散 消防安全

火炬系统的主要作用是石化企业在开停工以及事故状态下及时燃烧各装置排放的烃类火炬气及含有H2S的酸性气，防止引发安全事故和环保事故[1]。一旦火炬点火系统发生故障，泄放的气体送至火炬燃烧器(火炬头)后未成功点燃，有毒有害气体向大气中扩散，造成十分严重后果[2]。

基于计算流体力学(CFD)方法模拟扩散开发的模型主要有零方程模型、单方程模型和双方程模型等，目前使用较多的是双方程模型，该类模型有着不同的形式如k-ε、k-w、k-i模型等，其中描述湍流动能的运输和湍流黏性系数的k-ε模型应用最为广泛[3,4]。本文以某石化厂高架火炬为例，基于计算流体力学(CFD)的方法模拟计算该炼厂火炬气未成功点燃情况下，可燃气云及有毒气云的扩散行为及影响范围。

1 CFD软件

利用FLCAS(Flame Accelerate Simulator)软件对某石化厂高架火炬进行三维建模，根据实际情况设定可能的排放气泄漏事故场景，研究不同排放工况下对周边环境的影响。本研究采用的FLACS软件是基于CFD计算方法开发的，可用于模拟复杂建筑和生产区域的通风、有毒气体扩散、蒸气云团爆炸和冲击波，量化和管理建筑和生产区域的爆炸风险[5-8]。

该方法考虑了火焰与装置、管道、设备等的相互作用和影响，可直接对气体爆炸冲击波进行计算。

2 高架火炬三维建模

为了精确计算高架火炬火炬头、塔架管廊、水封罐、分液罐等设备对气云扩散结果的影响，采用三维激光扫描仪FARO Photon对某石化厂的高架火炬进行三维扫描[9]。按照扫描数据对高架火炬进行三维建模，其模型见图1。高架火炬塔高为140 m，火炬塔架上铺设有高压火炬泄放管道(DN1300)、低压火炬泄放管道(DN1300)、酸性气火炬泄放管道(DN400)。该火炬周边地势较为平坦。北侧装置区存在部分高点，主要包括350 m处烷基化装置2座塔(高度为33 m和60 m)，580 m处催化重整装置1座高塔约60 m。

该高架火炬的主要泄放参数如表1所示。天气条件选择年平均风速2.2 m/s(地面10 m高处)，风向选择当地风频最高的南风。湿度取平均相对湿度64%。泄放时间设为1 200 s，主要是根据SH3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》提到最大持续排放时间通常不超过20～30 min进行的保守考虑。

图1 某石化厂高架火炬三维模型

火炬气泄放工况泄放温度/℃分子量/(g·mol-1)主要气体组成泄放气体爆炸下限，%泄放量/(t·h-1)火炬直径/m泄放持续时间/s高压火炬气火灾和其他工况204．538．15H210%，C2H630%，C3H446%，C4H107%，C5H127%2．342661．31200低压火炬气停电工况148．861．68H23%，C4H1057%，C5H1240%1．845021．31200酸性火炬气酸性水汽提装置、溶剂再生装置事故泄放41．033．08H2S100%15．20．41200

3 模拟计算结果及分析

3.1 高压火炬气事故排放后果

模拟结果表明：泄漏30 s后，可燃气云团迅速形成，其大小约为75 m×30 m×90 m；泄漏100 s后，可燃气云团体积趋于稳定，其大小约为100 m×40 m×110 m。由于该可燃气云团位置在140 m高空，因此发生点火的概率较低，其主要后果是造成环境污染。

3.2 低压火炬气事故排放后果

与高压火炬气云扩散情况类似，可以得到低压火炬气气云扩散开始30 s、100 s、200 s后的气云分布。图2是低压火炬气云扩散开始后200 s后的气云分布。

图2 低压火炬气扩散200 s可燃气云分布

根据低压火炬气气云扩散开始30 s、100 s、200 s后的气云分布可以看出：泄漏30 s后，可燃气云团迅速形成，其大小约70 m×40 m×70 m；泄漏100 s后，可燃气云团体积基本稳定，其大小约为150 m×60 m×120 m。由于可燃气云团位置在140 m高空，因此发生点火的概率较低，其主要后果是造成环境污染。

3.3 酸性气火炬事故排放后果

酸性气火炬主要泄放物质为H2S，最大泄放速度为15.2 t/h。由于工业场所职业接触限值MAC不应超过10 mg/m3，因此本次模拟需要计算H2S浓度大于10 mg/m3的扩散范围[10]。

图3分别给出了酸性气气云扩散开始后100 s、300 s、600 s气云分布。

图3 酸性气气云扩散100 s、300 s、600 s H2S分布

从图3可以看出，火炬未点燃发生泄漏后，由于酸性气火炬头出口H2S流速较慢，H2S基本不向火炬上方扩散，而是向下风向厂区扩散，且H2S(浓度≥10 mg/m3)一直泄漏扩散到火炬塔架下风向1 200 m外区域。在泄漏扩散600 s时，在距离火炬塔架下风向1 100 m处，地面H2S浓度≥10 mg/m3。一旦发生这种情况，需要及时撤离相关人员，防止造成人员伤害。

4 结语

a)由于烃类火炬气密度比空气低或者与空气相当，当高压烃类火炬系统及低压烃类火炬系统发生事故泄放时，如果火炬未成功点燃，可燃气云主要向上扩散。由于低压烃类火炬气泄放速度比高压烃类火炬气快，因此形成的可燃气云团体积也大。高压烃类火炬及低压烃类火炬可燃气云团的位置较高，发生点燃的概率较低，主要影响是环境污染。

b)酸性火炬气密度比空气略重，当发生酸性气泄放时，如果酸性气未能及时点燃处理，有毒气云会向下扩散，造成环境污染及周边人员的中毒，事故后果较为严重。

c)基于FLACS的技术方法能预测高架火炬泄放气体未点燃后的气体扩散规律，对于高架火炬安全及环保工作具有重要意义。计算结果可为紧急状态下的安全区域划分、应急响应制定预案等提供数据支撑。

[1] R. Schwartz, J. White, W. Bussman. The John Zink Combustion Handbook [M]. Boca Raton, FL: CRC Press, 2001.

[2] 韩钧. 炼油厂火炬系统工艺设计探讨[J]. 石油化工安全技术, 2002,18(2): 21-24.

[3] 王冶华．受限空间内气体扩散的数值模拟与分析[D].大连:大连理工大学， 2009.

[4] 王文娟，刘剑锋．危险性气体泄漏扩散数学模拟研究[J]．工业安全与环保， 2006, 32( 11) : 23-25.

[5] 张玉若.特殊工况下可燃蒸气云爆炸的动力学过程模拟及其事故后果分析[D].太原:中北大学硕士学位论文,2007.

[6] Hjertager, B.H. Three-dimensional modeling of flow，heat transfer，and combustion. Handbook of heat and mass transfer[M]. Houston, TX 770011: Gulf Publishing Company,P.O. Box 2608.(Chapter 41) pp.304-350,1986.

[7] Prankul Middha, Olav R.Hansen. Using computational fluid dynamics as a tool for hydrogen safety studies [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2009(22): 295-302.

[8] Herrmann,D.D. Improved Vapor Cloud Explosion Predictions by Combining CFD Modeling with the Baker-Strehlow Method[A]. International Conference and Workshop on Modeling the Consequence of Accidental Releases of Hazardous Materials[C].CCPS/AIChE,Sep.28,1999: 479-494.

[9] 袁纪武,赵祥迪,姜春明，等.煤气化装置泄漏爆炸事故伤害作用区域研究[J].中国安全生产科学技术，2012, 8(10):32-37.

[10] 王广生,张海峰.石油化工原料与产品安全手册[M].北京:中国石化出版,2010:796-798.

SimulationoftheConsequencesofElevatedFlareLeak

Zhang Jiedong1,2，Yu Anfeng1,2，Dang Wenyi1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 2660712.State Key Laboratory for Safety Control of Chemicals, Shandong, Qingdao, 266071)

Based on the CFD technology, elevated the torch in a petrochemical plant as an example to carry out the modeling calculation, research unit high and low pressure torch at the maximum discharge condition and acid gas diffusion behavior of gas after the torch is not lit. The results show that the high and low pressure when the torch was not successful, combustible gas cloud upward diffusion, the possibility of ignition is low, its main consequences is caused by environmental pollution; Acidic gas torch is not lit, the leaking after 10 min, a gas cloud will spread to about 1 km away from the torch under the wind, on the ground, may cause injuries. The results can be divided into security zones under the emergency flare systems, emergency response plans developed to provide technical support.

elevated flare; CFD; leak diffusion; fire safety

2015-11-26

张杰东，工程师，硕士，2011年毕业于北京化工大学化工过程机械专业，主要从事炼油化工企业安全评价和风险评估工作。