FPSO火炬塔温度场计算

吕木英

摘 要：火炬系统是FPSO上重要的安全系统。本文采用先进的火炬仿真计算软件Flaresim对FPSO火炬塔进行热辐射和温度计算，最终得出火炬塔不同高程的温度场分布。

关键词：辐射热强度；Flaresim；温度场

中图分类号：U674.98 文献标识码：A

Abstract： Flare system is a very important safety system of FPSO. The advanced flare simulation and calculation software FLARESIM is used to calculate the radiation and temperature of FPSO flare tower， and to obtain the temperature field of different elevations for it.

Key words： Radiation intension； Flaresim； Temperature field

1 引言

火炬系統是FPSO上重要的安全系统。单火炬头的火炬系统，可根据API RP 521和美国雪弗龙设计手册进行手工叠加辐射热计算。但对于多火炬头的火炬系统，通过手工叠加辐射热的计算方法已不适用。本文采用先进的火炬仿真设计软件Flaresim，对某FPSO火炬塔的高低压火炬系统进行辐射热和温度场计算，确定火炬塔不同高程的结构温度，以便为火炬塔的结构计算提供重要的输入条件。

2 火炬热辐射强度

火炬辐射热强度是非常重要的参数，它的选取直接关系到火炬系统的设计是否合理。API RP 521对于允许热辐射强度作出了如下规定：

（1）操作人员不可能达到的区域和已有防辐射遮蔽的地方，设计的允许热辐射强度应不高于15.77 kW/m2；

（2）有通道、人员可以到达的所有位置，暴露必须限制在仅够逃脱的几秒钟时间，设计的允许热辐射强度应不高于9.46 kW/m2；

（3）紧急作业可能需要坚持一分钟的地区，人员没有遮蔽物但穿有合适的工作服，设计的允许热辐射强度应不高于6.31 kW/m2；

（4）紧急作业可能需要几分钟的地区，人员没有遮蔽物但穿有合适的工作服，设计的允许热辐射强度应不高于4.73 kW/m2；

（5）人员连续暴露的所有位置，设计的允许热辐射强度应不高于1.58 kW/m2。

3 Flaresim软件介绍

Flaresim为美国Softbits公司开发的火炬系统仿真设计软件，主要功能是对火炬系统进行热辐射和扩散计算，该软件在国内外火炬行业得到了广泛的认可。

Flaresim提供的热辐射计算方法有API法、集成点源法、集成扩散法、集成混合源法、Brzustowski法以及Chamberlain法。对于亚音速火炬热辐射的计算，一般采用集成混合源法。

4 某FPSO火炬塔温度场计算

4.1 工程背景

某FPSO火炬塔高116.7 m，塔顶有高压和低压2套火炬，火炬筒体直径分别为1 118 mm和305 mm。两套火炬高度均为3 m，中心间距很小。火炬气排放条件见表1。

4.2 计算过程

高压和低压火炬的最大排放量是根据燃料气处理系统整体失效的极端事故工况下给出的应急排放量，在此工况下要求人员活动区的最大热辐射不应高于6.31 kW/m2，根据一般设计经验选择FPSO主甲板吊机操作室。

以下根据Flaresim软件（V4.1版）采用集成混合源法对该高低压火炬系统进行辐射热和温度场计算。

4.2.1 模型建立

（1）输入基础数据，分别建立两个火炬的排放量、温度和风速等基础数据块；

（2）指定坐标原点为火炬塔塔底中心点，并从塔底开始至塔顶以每隔10 m高程为一个接收点，计算每一接收点的热辐射及温度值；

（3）校核FPSO主甲板吊机操作室的热辐射是否低于6.31 kW/m2。

4.2.2 计算结果

在FPSO燃料处理气系统整体失效的极端事故工况下，高压火炬和低压火炬同时排放，在两个火炬辐射热的叠加下，计算极限风速下火炬塔不同高程结构的温度场。

（1）根据计算结果，不同风速下火炬塔塔顶和塔底的热辐射分布图，如图1～图4所示。

（2）根据计算结果，不同风速下火炬塔的温度场分布如下表2和表3所示，高程以坐标原点为基准面。

（3）表4为人员活动区的热辐射值和温度。

5 计算结果分析

（1）图1～图4分别显示了最小、最大风速下火炬塔塔顶和塔底的热辐射分布情况。从图中可以看出，塔顶的热辐射值大大高于塔底的热辐射值，这是因为塔顶离热源（燃烧的火炬）最近，受到的热辐射最大；而塔底离热源最远，受到的热辐射最小；

（2）表2和表3分别显示了最小、最大风速下火炬塔不同高程的温度分布情况。从表中可以看出，当火炬塔高程在0 m～110 m范围内时，最大风速下火炬塔的温度均低于最小风速下火炬塔的温度，这是由于风具有降温作用，风速越大，对火炬塔的辐射热影响越大，因此降温作用越明显；但在火炬塔高程为116.7m（即塔顶）时，最大风速下的火炬塔温度高于最小风速下的火炬塔温度，这是由于尽管风速对辐射热影响较大，但火源产生的热辐射影响更大，造成了温度的升高。为说明这个问题，本文还计算了不考虑风降温作用下的结果作为对比。由于篇幅所限，只列出塔顶温度的对比情况，如表5。

表5 火炬塔塔顶温度对比

从表5中可以看出风对温降的作用明显，但在不考虑风降温作用下，风速越大塔顶温度越高，这是因为风速越大火炬燃烧产生火焰越长，产生的热辐射越大。

（3）表4显示了最小、最大风速下人员活动区——甲板吊机室外表面的热辐射和温度分布情况。从表4可以看出，最小、最大风速下甲板吊机操作室外表面的热辐射值均低于允许辐射热值6.31 kW/m2，且一分钟内升高的温度均在40 ℃左右，处于人体可忍受范围内，故火炬校核安全。

6 结语

根据以上分析，Flaresim可以方便进行多个火炬热辐射的叠加计算。对于多火炬的火炬系统，Flaresim可快速准确地计算任何区域的热辐射、温度场等数值，给火炬塔的设计带来了极大的便利。

参考文献

[1]API RP 521 Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems.

[2]SY/T 10043. 泄压和减压系统指南.

[3]海上油气工程设计实用手册（第十分册）[M].

[4]海洋石油工程设计指南——海洋石油工程设计概论与工艺设计分

册 [M].