火炬设计计算_王功礼

■设　　计■

石油规划设计　1997年第5期

9

火炬设计计算

王功礼　梁月霞

中国石油天然气总公司规划设计总院

摘　要　在石油开采和加工过程中经常将难以处理和污染环境的可燃气体通过设置火炬使其转化为危害极小的化合物。通过探讨火炬的尺寸、火焰的热辐射强度及有毒气体扩散浓度的分析和计算, 论述了火炬的无烟燃烧和几种实现无烟燃烧的方法, 并分析了主要参数的选择范围和敏感性等。

主题词　火炬　尾气处理　燃烧　热辐射　计算

　　设置火炬的主要目的是在非正常生产情况下, 借助燃烧把可燃、有毒或带腐蚀性的气体转化成危害极小的化合物。随着环保要求的日益提高, 以及对人身安全防护的日益重视, 对火炬设计的要求就越来越高。设计人员不仅要分析、计算排放气体燃烧时产生的辐射热量, 充分考虑这种辐射热对地面的影响, 并根据相对火炬一定距离处的最大允许辐射热强度等条件确定火炬高度; 还要考虑特殊情况下, 未被燃烧直接排入大气中的气体所含有毒物质的影响。设计人员要绘制热辐射强度图和有毒气体的等浓度圈图, 综合分析热辐射和有毒气体的影响, 推荐既安全又经济合理的火炬栅栏位置。

1　火炬头直径

马赫数=11. 61×10-5

W ——气体泄放量, kg /s ;

P d kM

(1)

火炬燃烧所泄放的可燃气体(事故时也可能释放未经燃烧的毒性气体) 在燃烧时可能会因空气量不足达不到完全燃烧, 也可能会产生氢原子聚积现象, 其结果都会产生烟雾。上述的注水蒸气等方法均有助于烃类物质充分的与空气混合, 消耗或降低碳原子的聚合, 从而达到减少或消除烟雾的目的。

火炬计算公式

火炬的无烟燃烧

火炬按其结构可分为高架火炬和地面火炬; 按其燃烧方式又可分为有烟燃烧和无烟燃烧。火炬类型的选择和确定受可利用空间、被燃烧气体的性质即组分、气体流量、压力、环境、经济性等诸多因素的限制。但不论是地面火炬还是高架火炬, 一般情况下都应采用无烟燃烧的方式。只有出现非正常预测的火炬负荷或停电等特殊情况时, 才允许火炬在较短时间内有烟燃烧。实现无烟燃烧的方法有多种, 常用的有注射水蒸气、强制空气助燃、夹带空气的高压天然气或使用流量分散的多个燃烧器等。

P ——火炬头处气体的压力, kPa ;

d ——火炬头直径, m ;

T ——火炬头处气体的温度, K ; k ——泄放气体的比热比, C p /C v ; M ——气体的分子量。2　火炬高度

D =

4

K

(2)

D ——从火焰到照射区域的距离, m ;

Q ——燃烧气体释放的热量, kW ; F ——热辐射系数;

, , , 获M , :,

10

m ;

2

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　■设　　计■

K ——照射区内最大容许的辐射热强度, kW / ——通过大气辐射的K 值的系数。

表1　推荐的火炬辐射热设计强度(不包括日光辐射

)

容许设计级别(K) BUT k W

　　2

h ・ft 2m

条　　件

△Y =

∑

△Y

×L L

(7)

图中L 为火焰长度, 该值可根据释放热量从图2

中查得。∑L ; ∑L 可从图3中查得。

5000　　　　15. 77

结构物、操作人员不可能到的区域和已有防辐射热遮蔽的地方(例如, 在设备后面) 设计所采用的辐射热强度。

有通道, 人员可以到达的所有位置, 例如在火炬下面的梯子上或在火炬塔的操作平台上, 暴露必须限制在仅足够逃脱的几秒种时, 设计火炬泄放辐射所采用的K 值。紧急作业可能需要坚持一分钟的地区, 人员没有遮蔽物但穿有合适的工作服, 设计所采用的辐射热强度。

紧急作业可能需要几分钟的地区,

人员没有遮蔽物但穿有合适的工作服, 设计所采用的辐射热强度。

人员连续暴露的所有位置, 设计所采用火炬释放辐射热的K 值。

3000　　　　9. 64

2000　　　　6. 31

图2　火炬长度与释放热量的关系曲线工业尺寸和释放热量(国际标准制)

1500　　　　4. 37

500　　　　1. 58

应用简单方法确定火炬塔的尺寸, 见图1。

图3　由于侧向风对火炬塔喷出速度的影响

引起火焰的大致变形

3　H 2S 气体扩散

图1　选定火炬塔的参照尺寸

2

′2

′2

m [-0. 5(H ) 2]

〈C 〉(x , o , o ) =e 2

y 2(3) (4) (5) (6)

(8)

D =R +H

H ′=H +△Y

2△X 2△X

△X =×L

R =R -′

其中:

〈C 〉(x , o , o ) ——硫化氢的最大扩散浓度, mg /m 3;

Q m ——排放气体中H 2S 的含量, m g /s ; e ——指数系数; u ——风速, m/s ; H ——火炬高度, m ; y

■设　　计■ 2——垂直方向系数。

y 、 2的值可从图4、5中查得, A ～F 等级的确定可经分析从表2中查得。

表2　Pasquill -Giffor d 扩散模型中的空气稳定性等级

风速(m/s ) 6

白天辐射强度强

A A ～B B C C

中等A ～B B ～B C C ～D D

弱B C C D D

夜间云层多云

E D D D

晴F E D D

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API RP 521中计算火炬的方法分为Hajek 和Lud-w ing 推导的方程式的简单方法和比较特殊的Br gus-to w ski 和somm er 方法等多种方法。这些方法的差别主要是选择的火焰中心位置有所不同。而火炬中心位置的选择将影响到火焰高度的计算结果。

简单方法主要是依据生产实践中对火焰的观察、判断, 利用数学方法回归而产生的。它主要考虑了风速、风向对火焰中心位置的影响。而特殊方法同时考虑了风速、风向、气体温度、分子量、低爆炸极限浓度等多因素的影响。两种方法相比较, 简单方法有一定的误差, 特殊方法计算难度较大, 误差较小。考虑到火炬高度的确定除了受所选火焰中心位置的影响外, 还受到辐射热系数F 和通过大气辐射的K 值、系数 等因素的影响, 所以对最终计算结果取整后的火炬高度, 简单方法的误差所产生的影响就变得很小。作者认为该方法用于工程计算是可取的。

在计算火炬头直径时, 马赫数的选取范围应在0. 2～0. 5。对于正常和比较频繁的流动条件, 应维持在0. 2马赫。而对于短时间的、不经常的流动条件, 最大允许的速度可高达0. 5马赫。

火炬高度计算公式中的热辐射系数F 值的大小与释放气体的组份和燃烧器的直径大小有关, 见表3。

注:　　A , B :不稳定; 　C , D :过渡; 　E , F :稳定

图4　Pasquill-G iffor d 羽状模型的水平扩散系数(此系数为下风向距离和大气稳定性等级的函数)

表3　不同气体热辐射系数F 与燃烧器直径的关系

气　体

氢气0. 510. 911. 904. 108. 4020. 3040. 609. 59. 19. 711. 115. 615. 416. 9

丁烷0. 510. 911. 904. 108. 420. 2040. 6021. 525. 328. 628. 529. 128. 029. 9

甲烷0. 510. 911. 904. 108. 40

(95%CH 4)

燃烧器直径(cm ) 20. 340. 60

辐射热量

×100

释放热量

10. 311. 616. 016. 118. 7

19. 223. 2

注:火焰中若存在大于150 m 的烃类液滴F 值将稍有增大。

图5　Pasquill -G iffor d 羽状模型的垂直扩散系数(此系数为下风向距离和大气稳定性等级的函数)

系数 =0. 79(r ——相对湿度, %;

) () r D

(9)

计算方法及参数选择

本文选用的计算火炬头直径和高度的公式均依据

严格的说, 该公式只适合辐射温度为1227℃的明亮烃类物火焰, 环境温度为27℃, 相对湿度大于10%, 离火焰的距离在30～150m 之间。但除燃烧时具有极小或没有明亮照射的H 2和H 2S 之外, 该公式对绝大页)

■专题讲座■

轻平台的结构重量, 又可减少桩的入泥深度和重量。这不仅可降低材料和制造费用, 还可以使安装费用为之

降低。

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60%是用自升式钻井平台安装的。平台的设计还便于拆迁移地使用。它的桩和桩套之间用螺栓固定, 每根桩使用6～8根直径为2in (50. 8mm ) 的螺栓, 可承受4000t 轴向力。平台的拆移工作一般只需一天即可完成。

当用作单井井口平台时, 可采用Sea Pony 型平台, 如图5所示。它是Seahor se 平台的变型, 实际上就是半座Seahorse

平台。

图4　Seahor se 平台

Seaho rse 平台具有较大灵活性, 可以作为井口平台, 也可以用作小型生产平台。图4为根据不同井数和不同生产装置规模的两种结构形式。其适用水深一般至45m , 也可用于至90m 的较深水域。此类平台按100年一遇的墨西哥湾飓风风暴值设计, 已取得劳埃德船级社认可并用于北海海域。在北海海域环境条件下, 其最薄弱构件的疲劳寿命可达42年, 大大超过平台的20年设计寿命。

平台的甲板可根据需要建为1～3层。在用的平台中, 甲板面积由3. 7m ×3. 7m 至20m ×25m 不等。用作井口平台时, 可支持最多18口井, 用作小型生产平台时, 最多可至6口井。平台的能力在产油时可至5000bbl/d(约715t/d) , 产气时可至140万m /d 。

平台的安装一般需要3～5天, 在用的这种平台约

(上接第11页)

3

图5　Sea Po ny 平台

Sea Pony 平台可以装设一个小甲板和少量测试或注剂设备, 生产处理则依靠附近的中心生产平台。它还可装设一个直升飞机甲板。其它结构特点均与Sea-ho rse 平台相似。

收稿日期:1997-03-20

编辑:马三佳

公式中的 y 、5中查得。 2可从图4、

主要参数的敏感性分析

计算火炬高度时需先假设一个D 值, 然后进行试

算。公式中的热辐射系数F 对D 值的影响较大。因为F 值的大小不仅与燃烧气体的组分有关, 还与燃烧器的直径大小有关, 所以选择不同尺寸的燃烧器可以调整火炬的高度。Q 值的大小仅与燃烧气体的组分有关, 值的变化受环境相对湿度的影响, 所以这两个系数是不易人为改变或控制的。

2响。公式中的 y 、 2直接与所选位置到火炬塔的距离有关。对于一个确定的H 2S 扩散浓度, 火炬栅栏可围住的半径越大, 所要求的火炬塔高度便可越低。

参　考　文　献

1　A PI R P521. 泄压和减压系统指南

2　A PI R P49Reco mmended P ractices for safe D rilling o f w ells containing Hydro gen Sulfide

3　D . A . cr ow l &J . F . L o uv er , Chemical pr ocess safety :Funda-mentals w it h applicatio ns , 1990edit ion

收稿日期:1997-06-02

flar e size 、heat radiation s trength of flame and the of toxic gas d ispersion and the s elected ran ge and main parameters w er e also analyzed.

ABSTRACTS

Sep . 1997, Vo l . 8, No . 5

Calculation and Optimized Design for Heavy O il Line

Zhang W end ong 　X u M inghai

1

Progress and Prospect of Petroleum Production

Jiang 　　Based on su mmarizing produ ction autom ation of CNPC du ring 8th-five-year plan, the main p rogres s of automation in Cain an offs hore oilfield and refinery &chem ical engin eering w as Some k ey qu es tions in autom ation w ere further dis cus sed and sug ges tions w ere also proposed.

paper the process of heat tracin g and mixin g w ith hot oil tr ans portation w as review ed and the n umer ical erature distrib ution of oil and w ater fluid along the lin e ed . T he effects of ther mal ins ulation thickness and hot rate w ere an alyz ed . Th e num erical model of optimiz ing n for the gather ing line was recommended in th e ligh t of theory . T he cos t effectiveness of the line in heavy oil w ould b e enhanced after the model w as utilized . defect w hich h ot w ater pipeline diameter and hot w ater not be des igned by traditional method at th e s am e time e and the temper ature distribution of oil and w ater fluid ultan eous ly p rovid ed.

4

Surface Process Technique for Oilfields in the High Content Period

Chen G ang 　L u J iangou Pigging in O il Pipeline

Dong B aoshan 　L iou Chu nxiang

　　T his paper des cribed the s urface con struction and meth od during the high water content period in the oilfields Daqing 、S hen li and Liaohe in Ch ina as w ell as the oilfields of T an d Tyum en (former th e Soviet Un ion ) 、the north sea of E ngland Barlin Is land of middle east. T hes e meth ods included:(1) the of adjustment an d rem oulding for the cr ude g athering treating s (2) dehyd ration equipments of free water; (3) w ater qu ality of w ater injection in oilfields; (4) other matching techniques in gath ering proces s; (5) energy-s aving techniques.

pipeline was used for a period of time, viscidity molecule w ou ld deposit on pipe w all and therefore pipe wall w as press ure drop and energy consu mption w ere increased. A as given by an alyzing the paraffin in the intern al w all of that is th e paraffin in pipe cou ld be cleaned by using the pigging method so as to ens ure th e normal pipeline . Points for attention of equipment m aintenan ce and briefly introduced bas ed on describ ing the proces s unit selection and operation s pecification of m echan ical Technique of Heavy Oil Processing in China

6

Y u J 　　Accor ding to oil production an d res ources in the w orld, it inevitable that the oil p roperties becam e heavier and b as tardized before. An important position has b een occu pied by p roces sing h oil in oil refinery enterprises . In accordance w ith the differences heavy oil properties and the dem ands of p roduct markets , the ben of refinery en terpris es w ould be improved w hen appropriate techn y of heavy oil process ing w as selected . In th is article the process es decar bonization and hydrogenation in heavy oil process ing w des crib ed, als o including the technical differences betw een inter nal ex ternal. After analys is, it th inks of th e internal process to be basically mastered , and the par t of process reach ed ad vanced level at home an d abroad . There w as s till a problem that inter al hydrogenation proces s w as n ot better than external. W e speed u p th e development of s cientific res earch to reduce distinction b etw een d om estic and overs eas.

on Corrosion Prevention Paint with Water -solubility Film in the Surface of Oilwell Tubes

Zhang J ian 　W u X iang hong

to prevent the ou ter surface of oilw ell from rus ting, w ith w ater-solu bility hard film can be used and transportation. This is a problem w hich eagerly to s olve. In accord ance w ith th e formu lation des ign alkyd res in is m odified b y amino res in and on the b as is exper imen ts , the formu la and s ynthetic process of the material is determined. T he performances and internal produ cts are better th an the external s imilar and introducing th em finally .

sion on the Mechanical Seal Technique for Heat Water W ang J inz e 　L i B aolin et. al

9

Design and Calculation of Flare

W ang Gong li 　L iang 　　Flammable gas w hich w as difficult to treat and en vir on men t could b e converted into a har mless com pound by and pr . flare od s g paper the failure cause of mechanical seal in pr odu ction by analyzing the comp rehensive effects on s eal by the an d of friction pair. T he method to restrict Pv and to as proposed, i. e. (1) red ucing cool w ater temperature to (2) reducing th e diameter with