輸氣站封閉式地面火炬風險評估分析

摘要：天然氣具有極大的易燃易爆特性，目前站場清管作業(yè)、裝置檢維修、事故工況產(chǎn)生的放空氣主要通過放空管冷放空處理。為解決放空過程中的消防安全距離、噪聲影響等問題，地面火炬應運而生。文章選取一典型地面火炬為例，通過CFD模擬計算，對地面火炬的火焰高度、燃燒熱輻射、可燃氣云擴散等進行計算，得出某一特定火炬的安全距離要求，同時結合地面火炬在操作上的風險和防控，得出目前地面火炬在設計和管理上常見的風險因素和防控措施。關鍵詞：天然氣;地面火炬;燃燒熱輻射;放空設計天然氣是易燃易爆氣體，在常溫常壓下，天然氣的爆炸極限為5%～15%，一旦遇到明火會發(fā)生劇烈爆炸，具有很強的破壞力。因此，天然氣的生產(chǎn)、運輸手段和設備設施都會有嚴格的消防要求，天然氣均存儲在密閉環(huán)境內，傳統(tǒng)場站一般設置高架火炬，用來收集和處理天然氣。文章以國內某大型能源公司××分輸站新投用的天然氣地面火炬為例，從燃燒熱輻射對周邊的影響、火炬未成功點火時可燃氣云擴散的影響以及地面火炬日常運行所必需的配套設計三個方面開展風險評估分析。一、地面火炬火焰高度及熱輻射的計算與影響（一）CFD模擬軟件介紹ComputationalFluidDynamics是計算流體力學的簡稱，CFD是現(xiàn)代模擬仿真技術中的一種，其基本原理是數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動的情況。KameleonFireExKFX?是目前在氣體擴散、火炬和火災模擬方面處于領先地位的CFD軟件，利用KFX三維計算模擬軟件可以對池火、噴射火、火炬、LNG火災、密閉空間火災或開放空間火災等各種類型的火災進行模擬，同時能夠對溫度、熱輻射、有毒氣體、燃燒物質濃度等進行詳細計算。（二）CFD模擬計算模型建立利用CFD模擬軟件對××輸氣站封閉式地面火炬及周邊主要裝置進行三維建模如圖1所示，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內徑），高度為7m，火炬周邊包括站場內南側工藝區(qū)、東側辦公樓、西側廠房、北側電線桿，其中封閉式地面火炬筒體外壁距離東側辦公樓10m、距離西側廠房30m。以封閉式地面火炬中心位置處作為X、Y坐標的0點，計算域將封閉式地面火炬及周邊主要設施均包括在內。（三）火焰高度及熱輻射影響范圍模擬計算（文章以風向為北風為例計算）1.火焰高度及高溫影響計算由于CFD模擬軟件無法直接確定火焰高度，因此常用溫度法對火焰高度進行定義，即用某一溫度等值面作為火焰的輪廓，從而得到火焰高度。對于溫度的取值，不同文獻給出了不同的數(shù)值，多為1200K～1400K，此處取1200K等值面作為火焰輪廓確定火焰高度。當?shù)孛婊鹁嫣幚砹繛?.8t/h，風速為5.2m/s，風向為北風，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內徑）、高度為7m，采用多點噴射型燃燒器時，火炬點燃燃燒場及熱輻射計算結果如圖2所示：此處采用1200K等值面作為火焰輪廓來確定火焰高度，可以看出由于受到北風作用導致火焰向南側偏移，而火炬中心區(qū)域火焰高度較高，火炬內火焰高度約8m、燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)主要處于火炬筒體內部，高溫煙氣不會直接對地面及周邊人員、設施造成影響。2.火焰熱輻射影響范圍模擬計算根據(jù)《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》GB50183-2004中對火炬設計允許熱輻射強度的規(guī)定值，獲取站場地面火炬燃燒時的熱輻射強度為1.58kW/m～9.46kW/m的影響范圍，文章僅計算1.58kW/m、9.46kW/m兩個數(shù)值時的輻射影響范圍，如圖3所示。（1）1.58kW/m熱輻射影響范圍（2）9.46kW/m熱輻射影響范圍當?shù)孛婊鹁嫣幚砹繛?.8t/h，風速為5.2m/s，風向為北風（南向結果一致），封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內徑）、高度為7m，采用多點噴射型燃燒器時，根據(jù)地面火炬燃燒熱輻射計算結果可知，火炬筒體對內部燃燒火焰產(chǎn)生的熱輻射起到了較好的屏蔽作用，因而火炬燃燒產(chǎn)生的熱輻射主要分布在火炬筒體上方，熱輻射強度為1.58kW/m～9.46kW/m的影響距離為高度6m以上、距離火炬中心3.5～8m范圍內。3.火炬未點燃可燃氣云擴散模擬當有可燃氣泄放而地面火炬未能成功點火時，可燃氣云擴散可能形成爆炸混合性氣體，為了評估可燃氣未成功點火導致天然氣泄漏擴散的危害性，利用CFD軟件對其擴散影響范圍進行模擬分析，模擬取地面火炬處理量為1.8t/h，風速5.2m/s，風向為北風，封閉式地面火炬筒體直徑為3m（內徑）、高度為7m，得到計算結果如圖4所示：甲烷的爆炸極限為5%～15%，模擬結果取甲烷的爆炸極限濃度LEL%（5%等值面）和1/2LEL（2.5%等值面）進行分析，從計算結果可知由于受到風向的影響，未點燃天然氣根據(jù)風向擴散，LEL%可燃氣云主要聚集在火炬筒體上方，最大影響范圍約為距離火炬筒外壁0.5m;1/2LEL%可燃氣云相比LEL%可燃氣云影響范圍較大，同樣主要聚集在火炬筒體上方，最大影響范圍約為距離火炬筒外壁2m。在實際的應用中，當現(xiàn)場情況發(fā)生變化時，只需要對模型的數(shù)值條件進行修改，再模擬計算得出具體的影響范圍。二、封閉式地面火炬的操作風險及安全防控同時，結合天然氣輸氣站的放空作業(yè)操作規(guī)程及作業(yè)風險，現(xiàn)針對地面火炬一般會有以下安全措施：第一，存在風險：當放空氣流量較小時，存在無法點燃或者燃燒不充分的情況。預防措施：可在燃燒爐爐膛內設置若干長明燈，以確保放空氣通過燃燒器火嘴時都能完全燃燒，避免形成爆炸性環(huán)境。第二，存在風險：在放空開始的瞬間，火炬進口處形成空氣與天然氣的混氣段，點火時發(fā)生爆燃。預防措施：可設置氮氣吹掃系統(tǒng)，對各級排放閥后管路進行吹掃，以維持排放管道的微正壓，防止空氣倒流入放空管道。第三，存在風險：避免放空管路或閥門泄漏導致產(chǎn)生爆炸性氣體環(huán)境。預防措施：在封閉式地面火炬燃燒爐下部或在防風墻外圍的附屬流程工藝裝置區(qū)設置可燃氣體檢測報警裝置，對泄露的氣體環(huán)境進行實時監(jiān)測。第四，存在風險：在放空結束時，發(fā)生回火。預防措施：在各個長明燈的燃料氣管線和常開的一級燃燒支路上設置阻火器。第五，存在風險：切斷閥故障時放空系統(tǒng)憋壓。預防措施：除一級燃燒支路之外，其余各級燃燒支路切斷閥設置爆破片旁通。三、結語與高架火炬相比，封閉式地面火炬有較多優(yōu)勢，但在國內天然氣長輸管道站場的應用還未普及，相關規(guī)范、標準的制定也相對滯后。因此，在封閉式地面火炬的設計和運行中，應充分考慮