FLACS模拟封闭式地面火炬爆炸后果

背景介绍

火炬系统是安全、有效地处理炼油或石油化工装置中排放出的气体或液体的重要设施。火炬系统按照燃烧器是否远离地面可分为地面火炬和高架火炬，地面火炬包括封闭式地面火炬及开放式地面火炬。由于封闭式地面火炬燃烧器安装在地面上，火炬气排放过程中一旦熄火，且点火不及时时，可燃性气体将聚集在地面火炬设施周围发生爆炸，对周边人员和设施将构成一定的威胁，可能引发安全事故。目前，国内外对排气筒和防风墙的强度设计以及周边人员和设施的安全距离没有相关标准规范要求，因此对封闭式地面火炬点火失效造成的排放气爆炸事故发生发展过程模拟研究，对封闭式地面火炬安全设计、安全距离确定等方面都具有重要意义。本案例利用 FLCAS 软件对某石化厂封闭式地面火炬进行三维建模，根据实际情况设定可能的排放气爆炸事故场景，研究不同排放气爆炸对地面火炬和周边环境的影响。

三维建模

为了精确计算封闭式地面火炬燃烧器、排气筒、防风墙对爆炸结果的影响，采用三维激光扫描仪FARO Photon 对地面式封闭火炬进行三维扫描。确定了 18 个扫描点进行精确扫描，扫描点云数据见图 1( a) 。按照扫描数据对封闭式地面火炬进行三维建模，其模型见图 1( b) 所示。该封闭式地面火炬建在平坦的地面，排气筒体高度30m，外围防风墙高7m，地面火炬内部分布有44个燃烧器，分四级进行燃烧。整个封闭地面火炬整体占地约 500m²。

(a)三位扫描云数据  

爆炸场景设置

假设三种场景分别是封闭式地面火炬排放气H₂ 100% 、CH₄ 100% 、C₃H₈ 100% ，气云充满整个排气筒空间，点火点位置位于排气筒中心燃烧器的上部。

FLACS模拟结果

FLACS 计算结果见表 1。当排放气为CH₄和C₃H₈发生爆炸时，分别在点火后0. 588s 时和0. 440s 时，在高于地面 2. 3m 处爆炸超压值大于5kPa 的区域最大，该区域都在排气筒体内，如图2和图3 所示。

当排放气为H₂发生爆炸时，在0. 154s 时爆炸超压值大于5kPa 的区域最大，如图4所示; 最大区域平面位于高于地面 11. 3m 处，如图4所示。

图2 点火后0. 588s，2. 3m 高处CH₄爆炸超压范围     

 图3 点火后0. 440s，2. 3m 高处C₃H₈爆炸超压范围

图4 点火后0. 154s H₂爆炸超压范围

根据蒸气云爆炸对建筑物的破坏原则(见表2)，当CH₄和C₃H₈发生爆炸，爆炸超压值都在 D范围内，对周边环境和建筑物影响较小；当H₂发生爆炸，爆炸超压值最大值达到 A，对周围建筑物破坏较大。图 6 为在地面火炬内部及周边区域，H₂发生爆炸后超压波随时间的变化过程。其大致可以分为以下四个阶段: ( 1) 超压波产生阶段。点火后H₂燃烧速度较慢，经历一段时间的火焰加速后，产生爆炸冲击波( 0 － 0. 106s) 。( 2) 超压波增强扩展阶段。这一阶段 H 2燃烧速度加快，爆炸冲击波在排气筒内迅速地向上部和底部扩展。当超压波在底部扩展时，由于遇到防风墙阻挡，在防风墙边缘处强度最大，最大值为 191kPa( 0. 106 － 0. 142s) ，见图 6( c) 。( 3) 超压波扩展阶段，随着时间推移，超压波会逐渐通过防风墙向外围扩展，随后影响到周边装置区域，同时超压波在排气筒内向上扩展( 0. 142 － 0. 168s) 。( 4)超压波扩展衰减阶段，随着时间推移，超压波强度开始减弱，并通过排气筒上端扩展到外围，并最终消失( 0. 168 － 0. 204s) 。结果表明H₂爆炸冲击波影响范围较大，且在局部区域爆炸超压值较高，需要考虑安全距离。

图6 H₂爆炸后超压波随时间的变化过程

模拟结论
通过 FLACS 软件研究封闭式地面火炬排放气爆炸对周边环境的作用过程，结果表明:
(1) 当封闭式地面火炬排放气为烃类气体时发生爆炸，最大爆炸超压值较小，对周边环境和建筑物破坏轻微，如果排气筒的强度设计满足要求，其爆炸冲击波范围只在排气筒内部。
(2) 当封闭式地面火炬排放气为 H 2时发生爆炸，其爆炸冲击波影响范围较大，爆炸超压造成破坏的半径约为 15m; 在防风墙内侧处爆炸超压值最大，其最大值为 191kPa，需要在防风墙上设计有效的泄压装置。
(3) 基于 FLACS 的模拟计算方法能预测封闭式地面火炬爆炸后空间各个部位超压的变化规律，能够实时的对爆炸冲击波的进行三维展示，为优化封闭式地面火炬安全设计、确定封闭式地面火炬安全距离提供技术支撑。