海上平台火炬臂长度设计计算实例分析

钟小侠，郑 路，林洞峰，陈 希，侯辰光

(中海石油(中国)有限公司天津分公司工程建设中心 天津 300459)

海上采油平台通常设置压力泄放系统，用于处理工艺容器和设备在安全泄放、维修时的排放及放空等。压力泄放系统主要包括火炬燃烧和冷放空。其中，火炬是用来处理可燃有毒气体的特殊燃烧设施，是保障安全生产、减少环境污染的一项重要的安全屏障[1]。海上平台采用高架火炬，燃烧时会产生热辐射、噪声、光害和污染[2]。在进行火炬工艺计算时，必须遵循相关规范，充分考虑火炬燃烧的危害因素，从而保障海上平台人员和设备的安全。

FlareSIM 软件是应用于火炬设计和评价的典型软件，能够在多个平面定义多个感受点，并计算感受点的热辐射、噪声和表面温度；采用火炬系统设计中美国石油学会(API)标准的Hajek/Ludwig 算法计算热辐射，能够定义多个环境工况来快速评价在不同风速和风向下火炬系统情况，适用于海洋平台、气田、炼厂和化工厂的火炬设计。本文通过FlareSIM 软件设计渤海某新建采油平台项目高架火炬，在满足相关规范和项目对火炬的热辐射、噪声和温度等数据要求的情况下，得到合理的火炬高度，为火炬系统后续设计提供基础数据。

1 火炬臂的型式

海上油田火炬支撑结构有悬臂塔架式、直立塔架式、独立火炬平台和地面火炬4 种型式。悬臂塔架火炬是海上油田固定平台常见的火炬型式。悬臂塔架火炬的火炬臂从平台边部向外伸出，与水平线成15°～45°倾角，火炬臂一般长为30～60 m。超过76 m时应考虑设置单独的火炬平台，以免因为过长或过重而在大风浪或其他灾难性的波动中承受危险的结构应力。火炬臂的方位由主风向条件确定。

2 火炬臂长度计算原理

火炬热辐射强度取决于火焰温度、火焰中各种物质的浓度、火焰与目标物的相对位置，以及空间性质等多重因素[3]。火炬热辐射是以火焰中心为球心的球面辐射，热辐射强度计算对于确定火炬臂长度以及平面布置有着重要的指导意义。

如图1 所示，采用API RP521 给出的Hajek 和Lndwig 公式[4]计算火炬臂长度：

图1 火炬臂长度计算示意图Fig.1 Calculation diagram of flare arm length

式中：D 为火炬中心至被考虑目标之间的最小距离，m；τ为热强度传导系数，无量纲；F 为热辐射系数，无量纲；Q 为释放热量(低热值)，kW；K 为允许的辐射热强度，kW/m2。

依据API RP521，设计热辐射强度值及影响后果见表1[4]。

表1 热辐射强度值及影响后果(不包括太阳辐射强度)Tab.1 Thermal radiation intensity value and influence consequences(excluding solar radiation intensity)

3 实例分析

3.1 火炬气组分

渤海某新建海上采油平台火炬设计泄放量为65 530 Sm3/h，放空火炬气成分主要为CH4、N2，含少量CO2，不含H2S，具体组分见表2。

表2 火炬气组分Tab.2 Flare gas composition

3.2 环境数据

海上平台所在环境的风速、风向、温度、湿度等条件是火炬工艺计算的重要参数，详见表3。

表3 环境数据Tab.3 Environmental data

3.3 模型建立

①建立流体：在FlareSIM 软件中建立工程文件，输入系统物料参数。输入系统组分后，软件将自动计算物料各项参数。

②环境设置：根据项目给定环境参数，在FlareSIM 软件中选取10、19.8、30.5 m/s 的风速为不同的环境风速，以平台为基准设定相对风向，简化计算过程。

③火炬头设置：在Tip 模块中输入火炬头高度、直径、放空气质量流量等。火炬头型式选用音速火炬头。

④感受点选取：选择平台典型位置作为火炬计算的感受点，对这几个点的辐射值进行比选，找到辐射强度最大的点。选取感受点的热辐射强度小于6.31 kW/m2，噪声强度小于115 dB(A)(紧急泄放工况)，定义火炬臂根部为空间直角坐标系原点(0，0，0)。

⑤计算方法：火炬热辐射计算方法、噪声计算方法依据API RP521。

⑥风速对火炬臂长度的影响：对于火炬而言，火焰在风的影响下将向风吹的方向倾斜，进行火炬工艺设计时必须仔细考虑设计风速的选取，见表3。考虑到平台现场实际情况，当风速为25 m/s 以上时(风级大于10 级)人员基本不可能进行海上作业，根据基础数据选取19.8 m/s 为较保守的数据。

3.4 计算结果

3.4.1 火炬热辐射强度

在紧急泄放工况，火炬最大排放量下计算得到热辐射分布如图2 所示。

图2 火炬燃烧辐射垂直等值线(Northing-Elevation)Fig.2 Vertical contour of flare combustion radiation(Northing-Elevation)

在不包括太阳热辐射强度的情况下，满足甲板热辐射强度小于6.31 kW/m2，根据表1 可知，人员在此工况下可以有1 min 的安全撤离时间。在此热辐射强度下计算得到火炬臂长度为47.93 m，火炬头入口直径为16 in(406.4 mm)，为便于结构设计，取火炬臂长度为48 m。

3.4.2 火炬噪声强度

在紧急泄放工况，火炬噪声分布图如图3 所示。

从图3 可知，在火炬臂长度48 m，火炬头入口直径16 in(406.4 mm)，风速取25 m/s 的情况下，感受点噪声强度小于115 dB(A)，满足海上平台开敞空间噪声要求。

4 结论

海上平台火炬设计主要考虑火炬的热辐射强度和噪声强度对甲板人员和设备安全的影响，综合分析相关因素，得到合理的火炬高度。经计算得到渤海某项目火炬臂长度为48 m，火炬臂倾角为45°，火炬头入口直径为16 in(406.4 mm)。通过使用FlareSIM 软件，节约了人员工时，提高了工作效率，并且得到了准确的设计计算结果，有力地协助工程设计人员完成了火炬系统的设计。