高架火炬計算參數(shù)和公式的選擇

高架火炬計算參數(shù)和公式的選擇

火炬是一種特殊的燃料燃燒裝置，用于處理工廠和設(shè)備在停車、緊急事故或正常生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的燃料消耗。通過火燃燒處理后，可以將含有危險品和污染物的燃料轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡艿亩栊詺怏w，將有毒、有害和氣味物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害、無害和無名的物質(zhì)，并滿足大氣污染物的排放高度和濃度標(biāo)準(zhǔn)。這是確保工廠安全生產(chǎn)并減少污染的重要措施。根據(jù)氣體排放的要求及場地條件,可分為:高架火炬、地面火炬和坑式火炬。其中,高架火炬是目前石油、化工、天然氣、煤氣化等行業(yè)應(yīng)用最廣泛的火炬排放裝置。本文討論的高架火炬計算方法主要參照石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH3009《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)計規(guī)范》2001版,部分參數(shù)和公式參考2013新版。1計算初始值的公式為火炬的計算高度與火炬的安全區(qū)域半徑、火焰長度以及火炬釋放的總熱量等因素有關(guān)?；鹁嫱搀w高度的計算公式:式中:Q∑———熱輻射系數(shù);Xh2計算公共公式的參數(shù)2.1火炬釋放的總熱量排放氣體在火炬頭燃燒時產(chǎn)生的熱量大小與排放氣的低熱值、氣體排放量和燃盡率等因素有關(guān),而低熱值則由氣體的組分及濃度決定。當(dāng)氣體的熱值低于7880kJ/Nm釋放的熱量公式:式中:HG———?dú)怏w泄放量,kg/h,G在釋放組分已確定的前提下,火炬釋放的總熱量與氣體的泄放量成正比,而泄放量又與泄放源大小和多少有關(guān)。通常,火炬的額定泄放量多以火災(zāi)工況下的緊急泄放為主。那么,火災(zāi)工況下的泄放量如何取值?根據(jù)API521《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》和化工部標(biāo)準(zhǔn)HG/T20570.2-95《安全閥的設(shè)置和選用》的規(guī)定,應(yīng)取任意區(qū)域面積為460m另外,火災(zāi)工況下設(shè)備的泄放量又與其外壁校正系數(shù)有關(guān),應(yīng)考慮有無保溫、砂土覆蓋(地下設(shè)備)和水噴淋降溫等措施因素,這些措施能在一定程度上阻礙外部火焰的熱傳遞。例如:當(dāng)設(shè)備頂部設(shè)水噴淋裝置且噴淋強(qiáng)度大于10L/(m2.2氫氧烴類組成熱輻射系數(shù)表示火炬燃燒時產(chǎn)生的高溫火焰以輻射方式向環(huán)境釋放熱量的能力?；鹧娴臒彷椛湎禂?shù)不僅與火焰的組成有關(guān),而且與是否完全燃燒、有無黑煙、空氣濕度以及輻射距離等因素有關(guān)。2013版規(guī)范給出了一個基于氫氣和烷烴類組成的經(jīng)驗(yàn)公式。簡化計算時,熱輻射系數(shù)一般可取0.2。某些火炬制造廠家在進(jìn)行火炬設(shè)計時,還會引入輻射強(qiáng)度傳遞因子,優(yōu)化熱輻射系數(shù)的取值。2.3防火間距的確定安全區(qū)域半徑也即劃定的火炬輻射圈的邊緣,到火炬筒體中心線的水平距離。安全區(qū)域半徑一般在裝置總圖布置時確定,根據(jù)GB50160-2008《石油化工企業(yè)防火設(shè)計規(guī)范》內(nèi)關(guān)于石化廠總平面布置的防火間距規(guī)定:高架火炬與工藝主裝置、可燃液體、氣體儲罐和全長重要設(shè)施的防火間距不小于90m。實(shí)際在對裝置進(jìn)行總圖布置時,一般均考慮給高架火炬留出90m的輻射圈,即90m安全區(qū)域半徑。2.4熱輻射強(qiáng)度q熱輻射強(qiáng)度與允許暴露在熱輻射區(qū)域內(nèi)的時間有關(guān)。公共區(qū)域內(nèi)人員可持續(xù)暴露的安全熱輻射強(qiáng)度應(yīng)不大于1.58kW/m2.5馬赫數(shù)的選取火炬筒直徑的大小,取決于氣體的泄放量和泄放速度,而泄放速度與允許的壓力降有關(guān)。根據(jù)火炬筒體內(nèi)徑與火炬排放口直徑一致的原則,可以推導(dǎo)直徑的公式:式中:Vρ———排放氣密度,kg/m允許流速與聲速的比值稱為馬赫數(shù)(Ma),即馬赫數(shù)是表征聲速倍數(shù)的數(shù)。采用近似法計算,正常排放時的馬赫數(shù)按0.2取值,事故或緊急排放時的馬赫數(shù)可以按0.5取值。相關(guān)的火炬研究文獻(xiàn)指出,馬赫數(shù)在0.2~0.5取值范圍內(nèi),可以保證火炬穩(wěn)定燃燒。2.6火焰長度h火焰長度對火炬高度的計算結(jié)果影響較大,肯特(G.R.Kent)提出的火焰長度計算公式如下:2.7基本風(fēng)速與風(fēng)速高度變化系數(shù)在橫向風(fēng)速的作用下,火炬排放口的火焰會發(fā)生傾斜,同時火焰中心產(chǎn)生水平偏移和垂直偏移。傾斜角度及偏移量示意圖如下:計算公式為:式中:h———火焰長度,m,火焰中心距離火炬出口的高度為3/h;?———有風(fēng)狀況時的火焰傾斜角;V最大平均風(fēng)速等于裝置所在地區(qū)的基本風(fēng)速與該地區(qū)風(fēng)速高度變化系數(shù)的乘積。美國建筑規(guī)范UBC97給出的基本風(fēng)速取值為最大英里風(fēng)速,即基于1英里長的空氣樣本通過一個固定點(diǎn)時間的最高持續(xù)不變的平均風(fēng)速,可通過規(guī)范ASCE7-10換算成不同時距的基本風(fēng)速。我國的基本風(fēng)速是根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳練v年測得的不同風(fēng)速儀高度和時次時距的年最大風(fēng)速,統(tǒng)一換算成離地高度為10m、時距為10min的平均年最大風(fēng)速數(shù)據(jù),經(jīng)統(tǒng)計分析后確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速?；鹁嬗嬎銜r,一般按裝置所在地的氣象條件,即提供的最大風(fēng)速來取值。風(fēng)速高度變化系數(shù)可以參考SH/T20570.12-95《火炬系統(tǒng)設(shè)置》的附表,或者按照GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定,按地面粗糙度劃分陸地上的風(fēng)速高度變化系數(shù)。后者也是國內(nèi)很多火炬設(shè)計和制造廠商所采用的準(zhǔn)則。2.8其他因素2.8.1大氣污染物排放量計算火炬筒體高度應(yīng)滿足大氣污染物的排放要求。應(yīng)遵循火炬氣燃燒后的污染物,其最大落地濃度不超過國家和地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的原則。煙氣最大落地濃度計算的基本原理采用高斯擴(kuò)散模式,可通過專業(yè)軟件EIAProA進(jìn)行模擬計算。軟件需要輸入的煙氣抬升高度值,則可通過GB/T13201-91《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》的公式推算。2.8.2放散筒噪聲估算火炬排放產(chǎn)生的噪聲應(yīng)滿足現(xiàn)行的國家環(huán)境噪聲限值。API521提供了放散筒的氣流噪聲估算,該估算值加上3dB的分貝增值作為火炬噪聲的估算公式。實(shí)踐證明從增加火炬筒高度來降低地面噪聲的效果不明顯,設(shè)置消音罩或采用多孔型火炬頭則是火炬降噪的有效措施。3火炬高度計算方法在火炬裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用的影響火炬筒體的高度,影響熱輻射的安全區(qū)域半徑、排放氣體中污染物的落地濃度、噪聲的大小,也決定著火炬的支撐方式、支撐高度,桁架鋼結(jié)構(gòu)的荷載和用量等,最終反應(yīng)到設(shè)備的總投資上。本文是筆者在以往參與火炬技術(shù)評標(biāo)及設(shè)備采購過程中運(yùn)用到的計算方法和一些思路與體會。作為工