鐘小俠，鄭 路，林洞峰，陳 希，侯辰光

(中海石油(中國)有限公司天津分公司工程建設(shè)中心 天津 300459)

海上采油平臺通常設(shè)置壓力泄放系統(tǒng)，用于處理工藝容器和設(shè)備在安全泄放、維修時的排放及放空等。壓力泄放系統(tǒng)主要包括火炬燃燒和冷放空。其中，火炬是用來處理可燃有毒氣體的特殊燃燒設(shè)施，是保障安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項重要的安全屏障[1]。海上平臺采用高架火炬，燃燒時會產(chǎn)生熱輻射、噪聲、光害和污染[2]。在進(jìn)行火炬工藝計算時，必須遵循相關(guān)規(guī)范，充分考慮火炬燃燒的危害因素，從而保障海上平臺人員和設(shè)備的安全。

FlareSIM 軟件是應(yīng)用于火炬設(shè)計和評價的典型軟件，能夠在多個平面定義多個感受點，并計算感受點的熱輻射、噪聲和表面溫度；采用火炬系統(tǒng)設(shè)計中美國石油學(xué)會(API)標(biāo)準(zhǔn)的Hajek/Ludwig 算法計算熱輻射，能夠定義多個環(huán)境工況來快速評價在不同風(fēng)速和風(fēng)向下火炬系統(tǒng)情況，適用于海洋平臺、氣田、煉廠和化工廠的火炬設(shè)計。本文通過FlareSIM 軟件設(shè)計渤海某新建采油平臺項目高架火炬，在滿足相關(guān)規(guī)范和項目對火炬的熱輻射、噪聲和溫度等數(shù)據(jù)要求的情況下，得到合理的火炬高度，為火炬系統(tǒng)后續(xù)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 火炬臂的型式

海上油田火炬支撐結(jié)構(gòu)有懸臂塔架式、直立塔架式、獨(dú)立火炬平臺和地面火炬4 種型式。懸臂塔架火炬是海上油田固定平臺常見的火炬型式。懸臂塔架火炬的火炬臂從平臺邊部向外伸出，與水平線成15°～45°傾角，火炬臂一般長為30～60 m。超過76 m時應(yīng)考慮設(shè)置單獨(dú)的火炬平臺，以免因為過長或過重而在大風(fēng)浪或其他災(zāi)難性的波動中承受危險的結(jié)構(gòu)應(yīng)力?；鹁姹鄣姆轿挥芍黠L(fēng)向條件確定。

2 火炬臂長度計算原理

火炬熱輻射強(qiáng)度取決于火焰溫度、火焰中各種物質(zhì)的濃度、火焰與目標(biāo)物的相對位置，以及空間性質(zhì)等多重因素[3]。火炬熱輻射是以火焰中心為球心的球面輻射，熱輻射強(qiáng)度計算對于確定火炬臂長度以及平面布置有著重要的指導(dǎo)意義。

如圖1 所示，采用API RP521 給出的Hajek 和Lndwig 公式[4]計算火炬臂長度：

圖1 火炬臂長度計算示意圖Fig.1 Calculation diagram of flare arm length

式中：D 為火炬中心至被考慮目標(biāo)之間的最小距離，m；τ為熱強(qiáng)度傳導(dǎo)系數(shù)，無量綱；F 為熱輻射系數(shù)，無量綱；Q 為釋放熱量(低熱值)，kW；K 為允許的輻射熱強(qiáng)度，kW/m2。

依據(jù)API RP521，設(shè)計熱輻射強(qiáng)度值及影響后果見表1[4]。

表1 熱輻射強(qiáng)度值及影響后果(不包括太陽輻射強(qiáng)度)Tab.1 Thermal radiation intensity value and influence consequences(excluding solar radiation intensity)

3 實例分析

3.1 火炬氣組分

渤海某新建海上采油平臺火炬設(shè)計泄放量為65 530 Sm3/h，放空火炬氣成分主要為CH4、N2，含少量CO2，不含H2S，具體組分見表2。

表2 火炬氣組分Tab.2 Flare gas composition

3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)

海上平臺所在環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等條件是火炬工藝計算的重要參數(shù)，詳見表3。

表3 環(huán)境數(shù)據(jù)Tab.3 Environmental data

3.3 模型建立

①建立流體：在FlareSIM 軟件中建立工程文件，輸入系統(tǒng)物料參數(shù)。輸入系統(tǒng)組分后，軟件將自動計算物料各項參數(shù)。

②環(huán)境設(shè)置：根據(jù)項目給定環(huán)境參數(shù)，在FlareSIM 軟件中選取10、19.8、30.5 m/s 的風(fēng)速為不同的環(huán)境風(fēng)速，以平臺為基準(zhǔn)設(shè)定相對風(fēng)向，簡化計算過程。

③火炬頭設(shè)置：在Tip 模塊中輸入火炬頭高度、直徑、放空氣質(zhì)量流量等?；鹁骖^型式選用音速火炬頭。

④感受點選?。哼x擇平臺典型位置作為火炬計算的感受點，對這幾個點的輻射值進(jìn)行比選，找到輻射強(qiáng)度最大的點。選取感受點的熱輻射強(qiáng)度小于6.31 kW/m2，噪聲強(qiáng)度小于115 dB(A)(緊急泄放工況)，定義火炬臂根部為空間直角坐標(biāo)系原點(0，0，0)。

⑤計算方法：火炬熱輻射計算方法、噪聲計算方法依據(jù)API RP521。

⑥風(fēng)速對火炬臂長度的影響：對于火炬而言，火焰在風(fēng)的影響下將向風(fēng)吹的方向傾斜，進(jìn)行火炬工藝設(shè)計時必須仔細(xì)考慮設(shè)計風(fēng)速的選取，見表3?？紤]到平臺現(xiàn)場實際情況，當(dāng)風(fēng)速為25 m/s 以上時(風(fēng)級大于10 級)人員基本不可能進(jìn)行海上作業(yè)，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取19.8 m/s 為較保守的數(shù)據(jù)。

3.4 計算結(jié)果

3.4.1 火炬熱輻射強(qiáng)度

在緊急泄放工況，火炬最大排放量下計算得到熱輻射分布如圖2 所示。

圖2 火炬燃燒輻射垂直等值線(Northing-Elevation)Fig.2 Vertical contour of flare combustion radiation(Northing-Elevation)

在不包括太陽熱輻射強(qiáng)度的情況下，滿足甲板熱輻射強(qiáng)度小于6.31 kW/m2，根據(jù)表1 可知，人員在此工況下可以有1 min 的安全撤離時間。在此熱輻射強(qiáng)度下計算得到火炬臂長度為47.93 m，火炬頭入口直徑為16 in(406.4 mm)，為便于結(jié)構(gòu)設(shè)計，取火炬臂長度為48 m。

3.4.2 火炬噪聲強(qiáng)度

在緊急泄放工況，火炬噪聲分布圖如圖3 所示。

從圖3 可知，在火炬臂長度48 m，火炬頭入口直徑16 in(406.4 mm)，風(fēng)速取25 m/s 的情況下，感受點噪聲強(qiáng)度小于115 dB(A)，滿足海上平臺開敞空間噪聲要求。

4 結(jié)論

海上平臺火炬設(shè)計主要考慮火炬的熱輻射強(qiáng)度和噪聲強(qiáng)度對甲板人員和設(shè)備安全的影響，綜合分析相關(guān)因素，得到合理的火炬高度。經(jīng)計算得到渤海某項目火炬臂長度為48 m，火炬臂傾角為45°，火炬頭入口直徑為16 in(406.4 mm)。通過使用FlareSIM 軟件，節(jié)約了人員工時，提高了工作效率，并且得到了準(zhǔn)確的設(shè)計計算結(jié)果，有力地協(xié)助工程設(shè)計人員完成了火炬系統(tǒng)的設(shè)計。