压气站火炬热辐射影响范围及控制措施分析

苟建仁

国家管网集团联合管道有限责任公司西部分公司塔里木输油气分公司，新疆库尔勒 841000

压气站是天然气增压设备的站场，压气站的可燃气体通过火炬进行处理[1]。当放空火炬点火时，所产生的热辐射会对附近的人员、设备设施造成影响，甚至损毁[2]。因此对放空火炬燃烧热辐射进行分析十分重要[3]。

天然气放空一般分为冷放空和热放空。热放空就是通过点火方式将放空的天然气处理掉，主要后果为喷射火焰以及热辐射对周围的影响；冷放空是直接将天然气排放，若立即点燃则与热放空危害相同，如延迟点燃则会形成可燃气云，遇到周围点火源存在闪火的风险[4]。因此，需要计算放空火炬热辐射的影响范围，避免对附近的人员、设备和建筑物造成损害[5]。

目前大多数学者对放空火炬燃烧热辐射进行数值模拟研究。王东宝等[6]基于CFD 数值模拟软件对海洋平台放空燃烧和热辐射进行了模拟，对热辐射的危害性进行评估。Ferrara 等人[7]基于非稳态RANS 方法建立了二维轴对称CFD 模型，通过改变点火位置、管道直径和长度等，研究可燃气体通过泄压管道排放时的爆炸情况，得到气体放空速率是爆炸严重程度重要影响因素的结论。张明等[8]用Fluent软件对可燃气体的冷放空扩散情况进行了数值模拟。张家豪[9]利用Fluent 软件研究火焰温度分布及放空火焰安全热辐射距离的计算方法。以上研究通过CFD 数值模拟软件，基于流动和传热对放空气体扩散的影响因素进行分析，但缺乏相关安全方案的评估和有效的风险减缓措施。

轮南压气站地处塔克拉玛干沙漠边缘，是西气东输一线首站和西气东输二线轮吐支干线首站。在轮南压气站，距离放空火炬1 km 内有大量设备设施和红柳树。大量可燃气体燃烧时产生热辐射，可能对站场工作人员和设备造成危害，因此必须对放空火炬热辐射的危害性进行评估。本文根据轮南压气站实际放空参数和周围情况，结合设施及可燃物质的热辐射限值，基于事故后果分析软件PHAST，对该站场火炬放空开展热辐射影响分析，评估放空热辐射对周围设施的影响，对于超出限值的工况提出有效的风险减缓措施。

1 关键参数

1.1 基础数据

以轮南压气站放空系统的放空火炬为例，对其开展热辐射分析。轮南站天然气管容为1 266 m3，放空管高度为28 m，放空管直径为350 mm，气体出口温度为55 ℃，设计压力为10 MPa，运行压力为9.8 MPa，排放物为天然气（92.3%为甲烷）。

气象参数根据轮南压气站所在地的温度、气压、太阳辐射等环境因素综合确定，白天平均大气温度为19.0 ℃，夜间平均大气温度为5.0 ℃，大气压力0.102 9 MPa，太阳辐射值0.5 kW/m2。根据SY/T 6859—2020《油气输送管道风险评价导则》中推荐的大气稳定度和风速组合选择方法，结合轮南站所在地区近一年来的风速统计数据，本次选择大气稳定度和风速组合数据下的3种典型风频数据：1.5 m/s（A 稳定）、5.0 m/s（D 中等）、10.8 m/s（D中等）。

1.2 现场情况

放空火炬周围1 km内的设施如表1所示。

表1 放空火炬周围设施

1.3 热辐射准则

天然气放空形成可燃气云或喷射火。可燃气云范围阈值选择爆炸下限的50%，放空气体可燃极限为2.5%～15%；喷射火热辐射强度阈值见表2。

表2 喷射火热辐射强度阈值

考虑到放空火炬系统排放和环境噪声的要求，按照SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》，本文所涉及阀室放空火炬出口的马赫数应不大于0.5，放空火炬出口马赫数的计算公式如下：

式中：qm为气体放空流量，kg/h；p2为火炬出口压力，kPa；d为火炬出口内径，m；Z为放空气体压缩系数；T为放空气体热力学温度，K；k为放空气体的绝热指数；M为放空气体平均分子量，g/mol。

2 计算结果与分析

2.1 辐射范围影响分析

火焰热辐射是火炬放空的主要风险，根据表2中辐射强度阈值进行不同风速（1.5、5.0、10.8 m/s）下的辐射范围分析，如图1～图3 所示。通过图1～图3 发现，下风向比上风向热辐射影响范围更远，所以选取下风向热辐射影响范围作为放空系统热辐射影响范围的研究对象。

图1 1.5 m/s风速条件下火炬热辐射影响范围侧视图

图3 10.8 m/s风速条件下火炬热辐射影响范围侧视图

选取距离地面25 m 处的下风向处进行分析，不同风速不同辐射值下的热辐射影响范围如图4所示。可以看出低辐射强度影响范围随着风速增大变小，这是由于环境风速增大时，风将放空产生的高温烟气迅速稀释并降温，导致热辐射影响范围降低。高辐射强度影响范围随着风速增大而变大，这是由于高架火炬放空时，火焰等值线倾角受到风速变化的影响较大，随着风速增大火焰向地面倾斜角度变小，即火焰越趋于向地面靠拢，导致高强度热辐射影响范围变大。

图4 风速与热辐射影响范围的关系

根据放空火炬周围设施的高度，选取距地面高度为1.5、5、6、7、9、10、15、18、25 m，计算相应高度的热辐射影响范围如图5所示。可以看出随着高度的增加，辐射影响范围变大，这是由于火焰燃烧产生的全部热量在放空火炬出口到火焰的顶端距离1/3 处发出，高度越高，距离热量发出点就越近，所以辐射影响范围相对较大。

图5 高度与辐射影响范围关系

2.2 设备设施安全性分析

根据上述模拟计算结果，针对不同设备设施进行辐射影响分析，对热辐射超出标准限值的设备设施进行热辐射影响范围调整。通过调整放空阀开度，将可燃气体进行降速排放，以减少热辐射影响范围。

2.2.1 不同风速下热辐射对输电线路的影响

在风速5.0、10.8 m/s 工况下，正西方向50 m处和正南方向41 m 处的输电线路在放空期间所受热辐射强度超出了标准限值的要求。经PHAST 软件计算，当放空阀开度调整为10%时，热辐射范围能够符合标准要求，如表3所示。该放空阀开度对应的气体质量放空速率为102.05 kg/s，对应的马赫数为0.04。

表3 不同风速下热辐射对输电线路影响情况

2.2.2 不同风速下热辐射对红柳树的影响

火炬周围35 m 处红柳树在放空期间所受热辐射强度超出标准限值要求，如表4所示。首先，需保证避免达到木材燃烧最小能量，即12.5 kW/m2；然后，需保证不超出树木持续暴露在热辐射下的损伤限值，即3 kW/m2。经计算，阀门开度为15%时，热辐射限值部分可满足12.5 kW/m2标准要求，该阀门开度对应的气体质量放空速率为165.89 kg/s，对应的马赫数为0.06；但无法满足树木持续暴露在热辐射下的损伤限值，为避免树木在热辐射下受损，可考虑采用冷放空。冷放空在各天气条件下的可燃气云（侧视图）如图6所示。

表4 不同风速下热辐射对红柳树的影响

从图6可以看出，高度低于50 m的可燃气云释放距离小于10 m，因此火炬冷放空形成的可燃气云不会接触到周围设施/建（构）筑物。

2.2.3 不同风速下热辐射对空冷设备的影响

250 m 处压气站空冷设备在放空期间所受热辐射强度超出标准限值要求，考虑从调整放空阀开度来控制热辐射范围，经计算，阀门开度为45%时，热辐射限值部分可满足标准要求，如表5 所示。该阀门开度对应的气体质量放空速率为597.05 kg/s，对应的马赫数为0.23。

表5 空冷设备在不同风速下热辐射强度影响情况

2.2.4 不同风速下热辐射对工艺管道的影响

站内离火炬最近的工艺管道等设施在放空期间所受热辐射强度超出标准限值要求，如表6 所示。阀门开度为45%时，热辐射限值部分可满足标准要求，该阀门开度对应的气体质量放空速率为597.05 kg/s，对应的马赫数为0.23。

表6 工艺管道在不同风速下热辐射强度影响情况

通过以上分析，为保障放空火炬周围人员和设备设施的安全，给出了场内对应区域热放空时的参数。由于操作人员可以承受的最大热辐射限值4.73 kW/m2，对应的影响范围为285.65 m，建议热放空期间禁止操作人员进入该范围区域内开展室外作业。若采用冷放空，按照放空火炬出口马赫数的限值要求，建议放空开始时将放空阀的开度控制在85%以内，当压力下降至8.8 MPa 以下时，可将阀门开度恢复到100%。

3 结论

本文对轮南压气站火炬放空开展热辐射影响分析，得出如下结论：下风向的热辐射影响范围大于上风向的热辐射影响范围；当热辐射强度较小时，影响范围随着风速增大而变小；当热辐射强度较高时，影响范围随着风速增大而变大；不同高度下，随着距离地面高度的增加辐射影响范围变大。结合设备设施及可燃物质的热辐射限值，评估放空热辐射对周围人员、设备、树木、建（构）筑物的影响，对于超出限值的工况，通过调节放空阀的开度可进行有效的风险减缓。