呂木英

摘 要：火炬系統(tǒng)是FPSO上重要的安全系統(tǒng)。本文采用先進(jìn)的火炬仿真計(jì)算軟件Flaresim對(duì)FPSO火炬塔進(jìn)行熱輻射和溫度計(jì)算，最終得出火炬塔不同高程的溫度場(chǎng)分布。

關(guān)鍵詞：輻射熱強(qiáng)度；Flaresim；溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：U674.98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Flare system is a very important safety system of FPSO. The advanced flare simulation and calculation software FLARESIM is used to calculate the radiation and temperature of FPSO flare tower， and to obtain the temperature field of different elevations for it.

Key words： Radiation intension； Flaresim； Temperature field

1 引言

火炬系統(tǒng)是FPSO上重要的安全系統(tǒng)。單火炬頭的火炬系統(tǒng)，可根據(jù)API RP 521和美國雪弗龍?jiān)O(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行手工疊加輻射熱計(jì)算。但對(duì)于多火炬頭的火炬系統(tǒng)，通過手工疊加輻射熱的計(jì)算方法已不適用。本文采用先進(jìn)的火炬仿真設(shè)計(jì)軟件Flaresim，對(duì)某FPSO火炬塔的高低壓火炬系統(tǒng)進(jìn)行輻射熱和溫度場(chǎng)計(jì)算，確定火炬塔不同高程的結(jié)構(gòu)溫度，以便為火炬塔的結(jié)構(gòu)計(jì)算提供重要的輸入條件。

2 火炬熱輻射強(qiáng)度

火炬輻射熱強(qiáng)度是非常重要的參數(shù)，它的選取直接關(guān)系到火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理。API RP 521對(duì)于允許熱輻射強(qiáng)度作出了如下規(guī)定：

（1）操作人員不可能達(dá)到的區(qū)域和已有防輻射遮蔽的地方，設(shè)計(jì)的允許熱輻射強(qiáng)度應(yīng)不高于15.77 kW/m2；

（2）有通道、人員可以到達(dá)的所有位置，暴露必須限制在僅夠逃脫的幾秒鐘時(shí)間，設(shè)計(jì)的允許熱輻射強(qiáng)度應(yīng)不高于9.46 kW/m2；

（3）緊急作業(yè)可能需要堅(jiān)持一分鐘的地區(qū)，人員沒有遮蔽物但穿有合適的工作服，設(shè)計(jì)的允許熱輻射強(qiáng)度應(yīng)不高于6.31 kW/m2；

（4）緊急作業(yè)可能需要幾分鐘的地區(qū)，人員沒有遮蔽物但穿有合適的工作服，設(shè)計(jì)的允許熱輻射強(qiáng)度應(yīng)不高于4.73 kW/m2；

（5）人員連續(xù)暴露的所有位置，設(shè)計(jì)的允許熱輻射強(qiáng)度應(yīng)不高于1.58 kW/m2。

3 Flaresim軟件介紹

Flaresim為美國Softbits公司開發(fā)的火炬系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件，主要功能是對(duì)火炬系統(tǒng)進(jìn)行熱輻射和擴(kuò)散計(jì)算，該軟件在國內(nèi)外火炬行業(yè)得到了廣泛的認(rèn)可。

Flaresim提供的熱輻射計(jì)算方法有API法、集成點(diǎn)源法、集成擴(kuò)散法、集成混合源法、Brzustowski法以及Chamberlain法。對(duì)于亞音速火炬熱輻射的計(jì)算，一般采用集成混合源法。

4 某FPSO火炬塔溫度場(chǎng)計(jì)算

4.1 工程背景

某FPSO火炬塔高116.7 m，塔頂有高壓和低壓2套火炬，火炬筒體直徑分別為1 118 mm和305 mm。兩套火炬高度均為3 m，中心間距很小?；鹁鏆馀欧艞l件見表1。

4.2 計(jì)算過程

高壓和低壓火炬的最大排放量是根據(jù)燃料氣處理系統(tǒng)整體失效的極端事故工況下給出的應(yīng)急排放量，在此工況下要求人員活動(dòng)區(qū)的最大熱輻射不應(yīng)高于6.31 kW/m2，根據(jù)一般設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇FPSO主甲板吊機(jī)操作室。

以下根據(jù)Flaresim軟件（V4.1版）采用集成混合源法對(duì)該高低壓火炬系統(tǒng)進(jìn)行輻射熱和溫度場(chǎng)計(jì)算。

4.2.1 模型建立

（1）輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別建立兩個(gè)火炬的排放量、溫度和風(fēng)速等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)塊；

（2）指定坐標(biāo)原點(diǎn)為火炬塔塔底中心點(diǎn)，并從塔底開始至塔頂以每隔10 m高程為一個(gè)接收點(diǎn)，計(jì)算每一接收點(diǎn)的熱輻射及溫度值；

（3）校核FPSO主甲板吊機(jī)操作室的熱輻射是否低于6.31 kW/m2。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

在FPSO燃料處理氣系統(tǒng)整體失效的極端事故工況下，高壓火炬和低壓火炬同時(shí)排放，在兩個(gè)火炬輻射熱的疊加下，計(jì)算極限風(fēng)速下火炬塔不同高程結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)。

（1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不同風(fēng)速下火炬塔塔頂和塔底的熱輻射分布圖，如圖1～圖4所示。

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不同風(fēng)速下火炬塔的溫度場(chǎng)分布如下表2和表3所示，高程以坐標(biāo)原點(diǎn)為基準(zhǔn)面。

（3）表4為人員活動(dòng)區(qū)的熱輻射值和溫度。

5 計(jì)算結(jié)果分析

（1）圖1～圖4分別顯示了最小、最大風(fēng)速下火炬塔塔頂和塔底的熱輻射分布情況。從圖中可以看出，塔頂?shù)臒彷椛渲荡蟠蟾哂谒椎臒彷椛渲?，這是因?yàn)樗旊x熱源（燃燒的火炬）最近，受到的熱輻射最大；而塔底離熱源最遠(yuǎn)，受到的熱輻射最??；

（2）表2和表3分別顯示了最小、最大風(fēng)速下火炬塔不同高程的溫度分布情況。從表中可以看出，當(dāng)火炬塔高程在0 m～110 m范圍內(nèi)時(shí)，最大風(fēng)速下火炬塔的溫度均低于最小風(fēng)速下火炬塔的溫度，這是由于風(fēng)具有降溫作用，風(fēng)速越大，對(duì)火炬塔的輻射熱影響越大，因此降溫作用越明顯；但在火炬塔高程為116.7m（即塔頂）時(shí)，最大風(fēng)速下的火炬塔溫度高于最小風(fēng)速下的火炬塔溫度，這是由于盡管風(fēng)速對(duì)輻射熱影響較大，但火源產(chǎn)生的熱輻射影響更大，造成了溫度的升高。為說明這個(gè)問題，本文還計(jì)算了不考慮風(fēng)降溫作用下的結(jié)果作為對(duì)比。由于篇幅所限，只列出塔頂溫度的對(duì)比情況，如表5。

表5 火炬塔塔頂溫度對(duì)比

從表5中可以看出風(fēng)對(duì)溫降的作用明顯，但在不考慮風(fēng)降溫作用下，風(fēng)速越大塔頂溫度越高，這是因?yàn)轱L(fēng)速越大火炬燃燒產(chǎn)生火焰越長，產(chǎn)生的熱輻射越大。

（3）表4顯示了最小、最大風(fēng)速下人員活動(dòng)區(qū)——甲板吊機(jī)室外表面的熱輻射和溫度分布情況。從表4可以看出，最小、最大風(fēng)速下甲板吊機(jī)操作室外表面的熱輻射值均低于允許輻射熱值6.31 kW/m2，且一分鐘內(nèi)升高的溫度均在40 ℃左右，處于人體可忍受范圍內(nèi)，故火炬校核安全。

6 結(jié)語

根據(jù)以上分析，F(xiàn)laresim可以方便進(jìn)行多個(gè)火炬熱輻射的疊加計(jì)算。對(duì)于多火炬的火炬系統(tǒng)，F(xiàn)laresim可快速準(zhǔn)確地計(jì)算任何區(qū)域的熱輻射、溫度場(chǎng)等數(shù)值，給火炬塔的設(shè)計(jì)帶來了極大的便利。

參考文獻(xiàn)

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[4]海洋石油工程設(shè)計(jì)指南——海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)分

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