石油化工企业火炬及油田站场火炬热辐射强度与水平距离的关系

2011-01-03俞龙

油气与新能源 2011年3期

关键词：热辐射火炬油田

俞龙*

（中国石油工程建设公司北京设计分公司）

石油化工企业火炬及油田站场火炬热辐射强度与水平距离的关系

俞龙*

（中国石油工程建设公司北京设计分公司）

在石油开采和加工过程中，将不可回收的可燃性气体通过火炬高温燃烧变为其他化合物排放。但是，可燃性气体在燃烧过程中产生热辐射，热辐射的强度会对生命和财产造成影响。同一地点受热辐射的影响取决于火炬放空量、火炬高度和火炬水平距离。论述了石油化工企业及油田站场的火炬放空量取值和火炬平面布置。以国内某 1 000×104t炼油厂和苏丹六区块油田某FPF项目为例，进一步说明了火炬热辐射强度、火炬高度和火炬水平距离的关系，为项目征地提供了科学依据。

火炬；可燃性气体；热辐射强度；水平距离；火炬高度；占地；计算

石油开采和加工工艺装置在正常生产、开停工和各种事故状态下，都要排放可燃性气体（习惯称为火炬气），火炬气通过管道、分液罐、水封罐等排向火炬进行燃烧排放。正常生产排放的可燃性气体也可以通过气柜和压缩机等回收利用。火炬气排放系统既是安全环保的关键设施，又是耗能大户，如何在确保安全的前提下，做到节能减排，节约投资，少占土地，是火炬气排放系统规划设计必须面对的课题。

1 石油化工厂与油田地面工程火炬设计的比较

1.1 石油化工厂

1.1.1 火炬气放空量取值

随着炼油化工工艺的不断发展，工艺装置规模越来越大，火炬气放空量越来越大，组分越来越复杂，温度越来越高。为了减小火炬气放空时的热辐射对人身安全和环境的影响，火炬越做越高，直径越来越大，火炬设施的位置距离厂区越来越远（火炬边缘化）。为了克服火炬气排放时的摩阻损失，火炬气排放管道直径越来越大或背压越来越高，使得生产企业增加了投资。

工艺装置所提供的火炬设计条件的准确性非常重要，将直接影响火炬气系统设计的成败。每套装置界区内安全阀泄放和泄压阀排放点个数不同，要求装置设计人员对各排放点的工况数据进行计算，提出工艺装置进入火炬排放的条件，然后火炬设计人员根据各个装置或单元的排放条件进行研究，分析最大放空装置，多套装置组合后，在开工、停工、火灾、停电、停水、停汽和停风工况下，取一个系统的最大值为设计值。

1.1.2 火炬平面布置

根据项目特点和装置平面布置，炼油部分火炬和化工部分火炬通常独立设置。部分小型装置具有相近特性的火炬气，也可共用一个火炬。随着火炬设计和施工技术的发展，为了节省土地和减少投资，炼油部分火炬和化工部分火炬可以全部设置在一个高架钢结构塔架上，避免了过去一个大型炼油化工企业有六七座火炬的现象。

近几年，千万吨级以上的炼油化工企业一般设有5～7套火炬。酸性气火炬气全部高空燃烧排放，其他可燃性火炬气通常需要回收利用。炼油部分火炬气通过气柜和压缩机脱硫后送燃料气系统作各装置的燃料气或供发电使用；或根据氢气平衡情况将回收的火炬气送至制氢装置做原料；或将回收的燃料气送至企业外的社会用户使用。化工部分火炬气回收通常不设气柜，压缩机直接抽火炬气排放管道中的可燃性气体，送至用户。

1.2 油田地面工程

1.2.1 火炬气放空量取值

目前，油田地面工程将多余气体和安全阀泄压排放气体采用火炬形式高温燃烧，将可燃气体和有毒有害气体转化成危害小的氧化物、氮化物、硫化物等，这样大大地降低了对环境的污染。油田地面工程火炬气排放不像炼油化工厂那样复杂，但也存在火炬气排放量的取值问题。如果排放量取事故状态下的最大值时，火炬直径大，火炬高度高或火炬占地面积大。如果火炬气排放量取值太小，在事故状态下不能及时排放，将给排放设备，甚至整个工程项目带来严重的安全隐患。因此，火炬气排放量的取值，是需要研究探讨的问题。

油田地面工程火炬气放空量取值较简单，但不是把原油中含的气体一次性全部排入火炬系统，应该精确计算最大放空点安全阀或泄压阀在某特定时间内的放空量，此放空量作为设计值。

1.2.2 火炬平面布置

油田地面工程火炬平面和炼油化工厂的平面布置原则基本相同，设计火炬高度和离站场的距离时，需要对土地的投资和火炬高度的投资进行经济比较后确定。考虑到油田地面工程一般多在荒郊野外，土地较便宜，尽量考虑低架空火炬，选用钢丝绳固定形式，经济实用。

2 火炬热辐射与水平距离的计算

无论是石油化工厂还是油田地面工程，与火炬有关的工艺计算原理基本相同，主要包括火炬筒体高度、火炬筒体出口直径、热辐射强度和水平距离的计算。但火炬工艺计算方面的一些参数的取值还存在争议，火炬设计人员必须要加强基础理论方面的研究，有条件者应该对火炬气放空过程中的一些参数进行测试，并对数据进行分析，以便更好地进行工艺计算。

2.1 建立数学模型

式中：hf——火炬筒体高度，m，未知数； ——辐射率，可取0.20；Q——火焰放出的总热量，kW；q——火炬的热辐射强度，kW/m2，未知数；X——允许受热点至火炬中心线的水平距离，m，未知数；h——火焰高度，m； ——火焰倾斜角度；ht——允许受热点至地面的垂直距离，m，取2m。

式中：HV——气体的低发热值，J/kg；G——气体的质量流量，kg/h。

式中：Df——火炬筒体出口直径，m；A——火炬筒体出口截面积，m2； ——操作条件下的气体密度，kg/m3；Vα——火炬筒体内气体允许线速度，m/s。

式中：Vw——火炬头出口处最大平均风速，m/s；m——马赫数，可取 0.2～0.5；Vs——放空气体的音速，m/s；K——气体绝热指数；R——气体常数，取8 314N·m/（kg·K）；T——操作条件下的气体温度，K；M——气体平均分子量。

计算模型中的参数、HV、G、Vw、K、R、M、T和在特定项目上是已知的。公式（1）中的Q可以根据公式（2）计算得到；h可以根据公式（3）计算得到；可以根据公式（4）计算得到。hf、X和q为未知数，可以通过试算确定火炬高度hf后，计算出不同水平距离X对应的火炬热辐射强度q。

2.2 举例分析

2.2.1 国内某1 000×104t炼油厂

国内某炼油厂有1 000×104/a常减压装置、350×104/a重油催化裂化装置和220×104/a蜡油加氢裂化装置等11套可燃性气体排放装置，各装置提供的火炬气排放总量为4 992 500kg/h。根据项目工况分析，最终确定该项目在停电情况下的可燃性气体排放量为 999 566kg/h，平均分子量为 75.14，温度为196℃，放空管道的当量长度为 2 200m，管道公称直径为 1 600mm，背压为 0.06MPa，计算火炬高度为180m、150m和120m时，相同水平距离对应的热辐射强度，计算结果见表1。

表1 化工企业不同火炬高度时，水平距离对应的热辐射强度

2.2.2 苏丹六区块油田某FPF项目

苏丹六区块油田地面处理站日处理原油15 000桶，火炬气体排放装置主要是一、二级三相分离器和换热器，火炬气放空量为1 850 000Nm3/d，分子量为 21.19，温度为 65℃，放空管道的当量长度为320m，管道公称直径为 500mm，背压为 0.1MPa，试算火炬高度为40m、30m和20m时，相同水平距离对应的热辐射强度，计算结果见表2。

表2 油田站场不同火炬高度时，水平距离对应的热辐射强度

从表 1、表 2可以看出，火炬的热辐射强度主要取决于可燃性气体的放空量，Q值越大，热辐射强度q则越大；水平距离X越大，热辐射强度q则越小。

还应了解厂区内主要设备设施和人员对热辐射强度的承受能力。《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2001）规定，人员需要连续暴露的任意地点，q≤1.5kW/m2；人员有适当防护服可以停留几分钟的地点，1.5kW/m2＜q≤4.7kW/m2；钢结构、设备、建构筑物则可以承受更强的热辐射。

在实际应用中，苏丹FPF项目所处的沙漠地带，土地价格较便宜，设计火炬高度 30m，距离站场围栏的水平距离为 120m，该地点的热辐射强度为1.46kW/m2。千万吨级炼油厂地处国内西南某地港区开发区内，土地价格高，而且征地范围受到限制，设计火炬高度150m，距离炼油厂最近的柴油罐水平距离为160m，该地点的热辐射强度为2.83kW/m2，无人员长时间停留区，而且对设备材料不会造成危险，经过 HAZOP（危险和可操作性分析），认为这个水平距离是安全的。