俞龍*

（中國石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司）

石油化工企業(yè)火炬及油田站場火炬熱輻射強(qiáng)度與水平距離的關(guān)系

俞龍*

（中國石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司）

在石油開采和加工過程中，將不可回收的可燃性氣體通過火炬高溫燃燒變?yōu)槠渌衔锱欧拧５?，可燃性氣體在燃燒過程中產(chǎn)生熱輻射，熱輻射的強(qiáng)度會(huì)對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成影響。同一地點(diǎn)受熱輻射的影響取決于火炬放空量、火炬高度和火炬水平距離。論述了石油化工企業(yè)及油田站場的火炬放空量取值和火炬平面布置。以國內(nèi)某 1 000×104t煉油廠和蘇丹六區(qū)塊油田某FPF項(xiàng)目為例，進(jìn)一步說明了火炬熱輻射強(qiáng)度、火炬高度和火炬水平距離的關(guān)系，為項(xiàng)目征地提供了科學(xué)依據(jù)。

火炬；可燃性氣體；熱輻射強(qiáng)度；水平距離；火炬高度；占地；計(jì)算

石油開采和加工工藝裝置在正常生產(chǎn)、開停工和各種事故狀態(tài)下，都要排放可燃性氣體（習(xí)慣稱為火炬氣），火炬氣通過管道、分液罐、水封罐等排向火炬進(jìn)行燃燒排放。正常生產(chǎn)排放的可燃性氣體也可以通過氣柜和壓縮機(jī)等回收利用?；鹁鏆馀欧畔到y(tǒng)既是安全環(huán)保的關(guān)鍵設(shè)施，又是耗能大戶，如何在確保安全的前提下，做到節(jié)能減排，節(jié)約投資，少占土地，是火炬氣排放系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)必須面對(duì)的課題。

1 石油化工廠與油田地面工程火炬設(shè)計(jì)的比較

1.1 石油化工廠

1.1.1 火炬氣放空量取值

隨著煉油化工工藝的不斷發(fā)展，工藝裝置規(guī)模越來越大，火炬氣放空量越來越大，組分越來越復(fù)雜，溫度越來越高。為了減小火炬氣放空時(shí)的熱輻射對(duì)人身安全和環(huán)境的影響，火炬越做越高，直徑越來越大，火炬設(shè)施的位置距離廠區(qū)越來越遠(yuǎn)（火炬邊緣化）。為了克服火炬氣排放時(shí)的摩阻損失，火炬氣排放管道直徑越來越大或背壓越來越高，使得生產(chǎn)企業(yè)增加了投資。

工藝裝置所提供的火炬設(shè)計(jì)條件的準(zhǔn)確性非常重要，將直接影響火炬氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。每套裝置界區(qū)內(nèi)安全閥泄放和泄壓閥排放點(diǎn)個(gè)數(shù)不同，要求裝置設(shè)計(jì)人員對(duì)各排放點(diǎn)的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提出工藝裝置進(jìn)入火炬排放的條件，然后火炬設(shè)計(jì)人員根據(jù)各個(gè)裝置或單元的排放條件進(jìn)行研究，分析最大放空裝置，多套裝置組合后，在開工、停工、火災(zāi)、停電、停水、停汽和停風(fēng)工況下，取一個(gè)系統(tǒng)的最大值為設(shè)計(jì)值。

1.1.2 火炬平面布置

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和裝置平面布置，煉油部分火炬和化工部分火炬通常獨(dú)立設(shè)置。部分小型裝置具有相近特性的火炬氣，也可共用一個(gè)火炬。隨著火炬設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的發(fā)展，為了節(jié)省土地和減少投資，煉油部分火炬和化工部分火炬可以全部設(shè)置在一個(gè)高架鋼結(jié)構(gòu)塔架上，避免了過去一個(gè)大型煉油化工企業(yè)有六七座火炬的現(xiàn)象。

近幾年，千萬噸級(jí)以上的煉油化工企業(yè)一般設(shè)有5～7套火炬。酸性氣火炬氣全部高空燃燒排放，其他可燃性火炬氣通常需要回收利用。煉油部分火炬氣通過氣柜和壓縮機(jī)脫硫后送燃料氣系統(tǒng)作各裝置的燃料氣或供發(fā)電使用；或根據(jù)氫氣平衡情況將回收的火炬氣送至制氫裝置做原料；或?qū)⒒厥盏娜剂蠚馑椭疗髽I(yè)外的社會(huì)用戶使用?；げ糠只鹁鏆饣厥胀ǔ２辉O(shè)氣柜，壓縮機(jī)直接抽火炬氣排放管道中的可燃性氣體，送至用戶。

1.2 油田地面工程

1.2.1 火炬氣放空量取值

目前，油田地面工程將多余氣體和安全閥泄壓排放氣體采用火炬形式高溫燃燒，將可燃?xì)怏w和有毒有害氣體轉(zhuǎn)化成危害小的氧化物、氮化物、硫化物等，這樣大大地降低了對(duì)環(huán)境的污染。油田地面工程火炬氣排放不像煉油化工廠那樣復(fù)雜，但也存在火炬氣排放量的取值問題。如果排放量取事故狀態(tài)下的最大值時(shí)，火炬直徑大，火炬高度高或火炬占地面積大。如果火炬氣排放量取值太小，在事故狀態(tài)下不能及時(shí)排放，將給排放設(shè)備，甚至整個(gè)工程項(xiàng)目帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此，火炬氣排放量的取值，是需要研究探討的問題。

油田地面工程火炬氣放空量取值較簡單，但不是把原油中含的氣體一次性全部排入火炬系統(tǒng)，應(yīng)該精確計(jì)算最大放空點(diǎn)安全閥或泄壓閥在某特定時(shí)間內(nèi)的放空量，此放空量作為設(shè)計(jì)值。

1.2.2 火炬平面布置

油田地面工程火炬平面和煉油化工廠的平面布置原則基本相同，設(shè)計(jì)火炬高度和離站場的距離時(shí)，需要對(duì)土地的投資和火炬高度的投資進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后確定?？紤]到油田地面工程一般多在荒郊野外，土地較便宜，盡量考慮低架空火炬，選用鋼絲繩固定形式，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2 火炬熱輻射與水平距離的計(jì)算

無論是石油化工廠還是油田地面工程，與火炬有關(guān)的工藝計(jì)算原理基本相同，主要包括火炬筒體高度、火炬筒體出口直徑、熱輻射強(qiáng)度和水平距離的計(jì)算。但火炬工藝計(jì)算方面的一些參數(shù)的取值還存在爭議，火炬設(shè)計(jì)人員必須要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論方面的研究，有條件者應(yīng)該對(duì)火炬氣放空過程中的一些參數(shù)進(jìn)行測試，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便更好地進(jìn)行工藝計(jì)算。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

式中：hf——火炬筒體高度，m，未知數(shù)； ——輻射率，可取0.20；Q——火焰放出的總熱量，kW；q——火炬的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2，未知數(shù)；X——允許受熱點(diǎn)至火炬中心線的水平距離，m，未知數(shù)；h——火焰高度，m； ——火焰傾斜角度；ht——允許受熱點(diǎn)至地面的垂直距離，m，取2m。

式中：HV——?dú)怏w的低發(fā)熱值，J/kg；G——?dú)怏w的質(zhì)量流量，kg/h。

式中：Df——火炬筒體出口直徑，m；A——火炬筒體出口截面積，m2； ——操作條件下的氣體密度，kg/m3；Vα——火炬筒體內(nèi)氣體允許線速度，m/s。

式中：Vw——火炬頭出口處最大平均風(fēng)速，m/s；m——馬赫數(shù)，可取 0.2～0.5；Vs——放空氣體的音速，m/s；K——?dú)怏w絕熱指數(shù)；R——?dú)怏w常數(shù)，取8 314N·m/（kg·K）；T——操作條件下的氣體溫度，K；M——?dú)怏w平均分子量。

計(jì)算模型中的參數(shù) 、HV、G、Vw、K、R、M、T和 在特定項(xiàng)目上是已知的。公式（1）中的Q可以根據(jù)公式（2）計(jì)算得到；h可以根據(jù)公式（3）計(jì)算得到； 可以根據(jù)公式（4）計(jì)算得到。hf、X和q為未知數(shù)，可以通過試算確定火炬高度hf后，計(jì)算出不同水平距離X對(duì)應(yīng)的火炬熱輻射強(qiáng)度q。

2.2 舉例分析

2.2.1 國內(nèi)某1 000×104t煉油廠

國內(nèi)某煉油廠有1 000×104/a常減壓裝置、350×104/a重油催化裂化裝置和220×104/a蠟油加氫裂化裝置等11套可燃性氣體排放裝置，各裝置提供的火炬氣排放總量為4 992 500kg/h。根據(jù)項(xiàng)目工況分析，最終確定該項(xiàng)目在停電情況下的可燃性氣體排放量為 999 566kg/h，平均分子量為 75.14，溫度為196℃，放空管道的當(dāng)量長度為 2 200m，管道公稱直徑為 1 600mm，背壓為 0.06MPa，計(jì)算火炬高度為180m、150m和120m時(shí)，相同水平距離對(duì)應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 化工企業(yè)不同火炬高度時(shí)，水平距離對(duì)應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度

2.2.2 蘇丹六區(qū)塊油田某FPF項(xiàng)目

蘇丹六區(qū)塊油田地面處理站日處理原油15 000桶，火炬氣體排放裝置主要是一、二級(jí)三相分離器和換熱器，火炬氣放空量為1 850 000Nm3/d，分子量為 21.19，溫度為 65℃，放空管道的當(dāng)量長度為320m，管道公稱直徑為 500mm，背壓為 0.1MPa，試算火炬高度為40m、30m和20m時(shí)，相同水平距離對(duì)應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 油田站場不同火炬高度時(shí)，水平距離對(duì)應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度

從表 1、表 2可以看出，火炬的熱輻射強(qiáng)度主要取決于可燃性氣體的放空量，Q值越大，熱輻射強(qiáng)度q則越大；水平距離X越大，熱輻射強(qiáng)度q則越小。

還應(yīng)了解廠區(qū)內(nèi)主要設(shè)備設(shè)施和人員對(duì)熱輻射強(qiáng)度的承受能力?！妒突て髽I(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH 3009—2001）規(guī)定，人員需要連續(xù)暴露的任意地點(diǎn)，q≤1.5kW/m2；人員有適當(dāng)防護(hù)服可以停留幾分鐘的地點(diǎn)，1.5kW/m2＜q≤4.7kW/m2；鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、建構(gòu)筑物則可以承受更強(qiáng)的熱輻射。

在實(shí)際應(yīng)用中，蘇丹FPF項(xiàng)目所處的沙漠地帶，土地價(jià)格較便宜，設(shè)計(jì)火炬高度 30m，距離站場圍欄的水平距離為 120m，該地點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度為1.46kW/m2。千萬噸級(jí)煉油廠地處國內(nèi)西南某地港區(qū)開發(fā)區(qū)內(nèi)，土地價(jià)格高，而且征地范圍受到限制，設(shè)計(jì)火炬高度150m，距離煉油廠最近的柴油罐水平距離為160m，該地點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度為2.83kW/m2，無人員長時(shí)間停留區(qū)，而且對(duì)設(shè)備材料不會(huì)造成危險(xiǎn)，經(jīng)過 HAZOP（危險(xiǎn)和可操作性分析），認(rèn)為這個(gè)水平距離是安全的。

3 結(jié)語

本文重點(diǎn)論述了當(dāng)火炬氣放空量為定值時(shí)，根據(jù)火炬周圍防護(hù)對(duì)象所能承受的熱輻射強(qiáng)度，計(jì)算確定火炬水平距離和火炬高度。火炬水平距離越大，火炬高度則越低；火炬水平距離越小，火炬高度則越高。這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目所在地征地費(fèi)用和火炬筒體高度的投資作經(jīng)濟(jì)比較后，確定火炬的水平距離和火炬的高度。

[1] 中國石化工程建設(shè)公司.SH 3009—2001石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 中國石化出版社,2002.

[2] K. Banerjee, N.P. Cheremisinoff, P.N. Cheremisinoff.Flare gas systems pocket handbook[M]. Houston:Gulf Pub. Co. Book Division,1985.

[3] 王功禮,梁月霞.火炬設(shè)計(jì)計(jì)算[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),1997,8(5): 9-11,41.

俞龍. 石油化工企業(yè)火炬及油田站場火炬熱輻射強(qiáng)度與水平距離的關(guān)系. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（3）：39～41

TE41

A

1004-2970（2011）03-0039-03

* 俞龍，男，高級(jí)工程師。1989年畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)在中國石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司工作，任副總經(jīng)理。地址：北京市朝陽區(qū)安立路101號(hào)名人大廈11層，100101。E-mail：yulong@cpecc.com.cn

2010-08-17

郜婕