FlareSIM软件在高架火炬设计中的应用

孔德兵，赵 亮

(山西华仕集团股份有限公司，山西 太原 030032)

火炬系统是用来处理石油化工厂、炼油厂及其他工厂或装置无法回收的可燃和可燃有毒气体的特殊燃烧设施。火炬系统是保证工厂安全生产、减少环境污染的一项重要的安全屏障。火炬按放空气排放量的大小可以分为高架火炬和地面火炬，由于地面火炬处理量比高架火炬小，且不能燃烧有毒气体，同时随着工厂的生产规模越来越大，放空气的排放量也随之增大，高架火炬成为火炬系统的常见选择。

为了在成本和保证火炬周围人员及设备的安全性上作一个平衡，所以对于火炬的高度和热辐射的计算显得尤为重要。需要在符合国家标准规范[1]的前提下，合理设计火炬。然而，运用传统手工计算方法，计算繁杂、耗时久长且容易出错。目前，国内外工程公司及火炬生产厂家所广泛使用的专业软件是FlareSIM软件，该软件可以帮助工程设计人员进行火炬系统的详细设计及评估，而且可以计算火炬产生的热辐射、噪音和温度对火炬周围人员和设备的影响。

本文通过FlareSIM软件研究设计了某地脱水站放空气项目的高架火炬，该项目对火炬的热辐射、噪声和温度等数据有明确要求。在不包括太阳热辐射强度的条件下，火炬设施热辐射强度满足地面热辐射强度(<1.58 kW/m2)；在不包括背景噪声的条件下，满足地面噪声强度(≦85 dB)的要求；此外，本项目由于火炬设施南向90 m处有一个高18 m的储罐。设计要求最大排放量70%时，不包括环境温度的条件下，储罐的表面允许温度不得高于40 ℃。在满足国家规范[1]和项目设计的要求下，计算得到了火炬高度。项目实施结果表明，该软件可以有效帮助工程设计人员进行火炬系统设计。

1 放空气的组分

本项目放空气为井质气，故放空气的主要成分为CH4，且不含H2S组成，因此不需要考虑SO2落地浓度[2]对地面环境的影响。放空气的组分见表1。

表1 火炬放空气的组分

2 环境数据

火炬的设计需要综合考虑当地的温度、湿度、风速、大气压等气象条件，火炬的排放条件见表2。

表2 火炬排放条件

3 模型建立

1) 输入基础数据，在Fluid模块中输入放空气的温度、压力和组分摩尔分数，软件会自动计算出放空气的摩尔质量、低发热量、Cp/Cv、最低爆炸极限(LEL)等。

2) 在Environment模块中输入风速、风向、温度、湿度和压力，去除掉太阳热辐射和背景噪声的影响。

3) 在Tip中输入火炬头的个数，火炬头的高度，放空气的质量流量，F因子的方法(Natural Gas)[4]等。

4) 在Receptor Point输入接收点的位置，定义接受点处的热辐射强度小于1.58 kW/m2，噪声强度小于85 dB，指定火炬筒体坐标原点(0，0，0)。

5) 在Assist Fluids中选择蒸汽消烟模式，Smokeless方法选用Flaresim。

6) 在Calculation Options中热辐射计算方法选用Flaresim API[5]，噪声计算方法选用API。

7) 在Receptor Girds中选定网格的方向为Elevation-Northing。

4 计算结果

4.1 热辐射计算

在事故工况下，通过软件计算最大排放量下的热辐射[6]结果见图1。

图1 火炬的热辐射计算图

图1为火炬最大排放量下的热辐射计算图，图中火炬气的设计排放量为84 886 kg/h，火炬气的低发热量为47 968 kJ/kg，当选用Natural Gas方法时，F因子的计算结果为0.140 5。在不包括太阳热辐射强度的条件下，满足地面热辐射强度<1.58 kW/m2的要求，通过计算可以得出，火炬的高度为76 m，出口大小为500 mm。此外，为了达到无烟燃烧的条件，通过引入蒸汽消烟的方式，引射量为2 123 kg/h，流量比为0.025。

4.2 温度计算

由于设计要求最大排放量70%时，储罐的外表面温度不得高于40 ℃。所以需要计算事故工况下温度对储罐的影响，从而调整火炬的高度满足设计要求。最大排放量70%下温度的计算结果见图2。

图2 火炬的温度计算图

图2为火炬的温度计算图。从图2中可以看出,为了满足储罐表面温度的要求，火炬的高度由76 m升高到了86 m。表明在设计火炬系统时，周围罐体的表面温度也会影响火炬的高度。

4.3 噪声计算

在事故工况下，满足储罐表面温度要求的噪声计算结果见图3。

图3 火炬的噪声计算图

从图3可以看出，地面噪声的强度小于85 dB。表明当火炬的设计高度为86 m，出口大小为500 mm时，在不包括背景噪声的条件下，满足地面噪声强度≦85 dB的要求，噪声辐射不会对地面人员和设备造成影响，火炬的设计高度是合理的。此外，热辐射计算结果图也表明设计高度满足规范和项目设计要求。

5 结论

本文通过FlareSIM软件计算了某地脱水站放空气项目的高架火炬，结果表明，火炬设计不仅要考虑热辐射对地面人员和设备的影响，噪声和地面设备的表面温度也会影响火炬的设计高度，通过综合分析得到了该项目高架火炬的设计高度为86 m，出口大小为500 mm。从而可以看出，FlareSIM软件计算给予工程设计带来了极大的便利，节约了大量的人力和物力，综合计算后结果也更为准确。