摘 要

摘　要：高架火炬安全距离的大小直接影响土地资源利用及安全问题，其值的确定取决于能否准确地计算出高架火炬射流火焰产生的热辐射，传统的高架火炬热辐射计算模型可分为点源模型

摘　要：高架火炬安全距离的大小直接影响土地资源利用及安全问题，其值的确定取决于能否准确地计算出高架火炬射流火焰产生的热辐射，传统的高架火炬热辐射计算模型可分为点源模型和固体火焰模型两大类。前者计算简单但精度较低，后者精度较高但计算较为繁琐。为此，结合点源模型和固体火焰模型各自的优点，在点源模型的基础上进行改进，提出了分区域  多点源的高架火炬安全距离计算新模型，并通过FLUENT软件进行全尺寸数值模拟，将数值模拟结果与设计规范使用的常规单点源及多点源模型计算结果进行了对比。结果表明：新模型可以较为简便地计算出高架火炬射流火焰产生的热辐射，最大误差为6.2％。结论认为：新模型快速简便且精度较高，可以克服现有规范标准中对热辐射强度估计过高、安全距离划分过于保守的不足，有助于合理划定高架火炬安全距离，为高架火炬设计规范的完善与改进提供了科学的依据。

关键词：高架火炬  射流火焰  热辐射  安全距离  分区域  多点源  数值模拟  设计规范

A new safety distance calculation model of vertical jet fires based on sub-regions and multi-point sources

Abstract：The safety distance of vertical jet fires closely relates to the neighboring land resources utilization and safety，and its value depends on the accuracy of calculating the j et flame thermal radiation range in space．The traditional thermal radiation calculation models of vertical jet fires are broadly divided into the point source model and solid flame model．The former is simple in calculation but low in accuracy，while the latter is totally the opposite．Therefore，in order to simply and accurately calculate the thermal radiation of vertical jet fires，combined with the merits of the above two models，the point source model was innovated to develop a new calculation model based on sub-regions and multi-point sources．Then，a full-size numerical simulation was performed on this newly developed model through the FLUENT，the result of which was compared with those calculated by regularly used one-point and multiple point source models．The result showed that this model can easily and accurately calculate the thermal radiation range of vertical jet fires with the maximum error of only 6.2％．In conclusion，this new model can not only avoid overestimation of thermal radiation intensity in current criteria(codes)or conservative underestimation of safety distance,but provide a scientific basis for the improvement and innovation of design codes of vertical jet fires．

Keywords：vertical jet fires，jet flame，thermal radiation，safety distance，sub-regions and multi-point sources，numerical simulation

高架火炬安全距离直接影响石油企业土地资源利用及安全问题。因此。在确保安全的前提下，科学合理地确定最小安全距离取决于能否准确地计算出高架火炬射流火焰产生的热辐射。常见的火焰热辐射计算模型有点源模型和固体火焰模型2种，点源模型计算简单但精度较低，固体火焰模型的精度较高但计算较为繁琐^[1]，常见的高架火炬安全距离设计规范^[2-4]都是基于点源热辐射模型来计算高架火炬射流火焰的热辐射，结合固体火焰模型与点源模型各自的优点，在点源模型的基础上进行改进，笔者提出了分区域—多点源的高架火炬安全距离计算的新模型，以实现高架火炬射流火焰热辐射较为简便且准确的计算，为合理地划定高架火炬安全距离提供参考，也为高架火炬设计规范的完善与改进提供依据。

1　分区域—多点源高架火炬射流火焰模型

1．1　分区域—多点源的高架火炬射流火焰模型

射流火焰热辐射点源模型及固体火焰模型^[5-6]比较起来，使用点源模型计算过程简单但计算精度较差；而使用固体火焰模型计算的结果更为接近真实情况，由于形状较为复杂，辐射计算时，视角因子计算困难(特别是在任意角度的射流火焰工况时)，在工程实际中应用性不强^[7]。笔者结合2种模型各自的优点，在点源模型的基础上进行改进，提出了分区域多点源模型(图1)。该模型使用圆锥体平截头模型计算火焰的几何形状，然后按照一定规律将火焰分成3个区域，每个区域由1个辐射球替代，即把射流火焰看成3个辐射点源向外辐射热量，各辐射球的辐射量由当前分割体体积所占射流火焰总体积的比率决定。

 

1．2　射流火焰的分区域理论

Palacios，Gomez Mares等学者^[8-11]通过大量实验，研究了高速射流火焰的火焰温度和热辐射特性，提出射流火焰按照表面温度特性和表面热辐射功率可将其分3个区域来分析(图2)：区域I是火焰底部到火焰整体长度的2／5处，区域Ⅱ是火焰整体长度2／5处至火焰整体长度7／10处，区域Ⅲ是指火焰整体长度7／10处到火焰顶。并将这种分区域理论应用到改进的固体火焰模型来计算射流火焰热辐射。笔者按这个思路来将圆锥体平截头模型中计算出的几何形状进行分区域，每个区域用1个辐射点源表示，辐射点源位于区域的正中央。

 

2　分区域—多点源高架火炬安全距离计算步骤

分区域  多点源高架火炬安全距离计算模型如图3所示，计算步骤分为以下4个部分。

 

2．1　计算高架火炬射流火焰形状尺寸

根据本文参考文献[4]、[12]、[l3]，高架火炬射流火焰形状尺寸可按如下公式求得。

1)计算射流火焰平截体长度(L)

 

式中Lb指从高架火炬喷射口到火焰顶端的距离，m；B为火焰升空距离，m；a为火焰中轴线与高架火炬喷射口中轴线的夹角。

2)计算射流火焰底部宽度

 

式中df为高架火炬喷射口直径，m；a为风速和射流速率之比；ra为高架火炬排放口处的气体密度，kg／m³；rg为空气密度，kg／m³。

3)计算射流火焰顶部宽度

 

2．2　按分区域计算各区域辐射点源辐射量

2．2．1计算射流火焰总体积及各分区域体积

1)计算射流火焰总体积(V总)

 

2)计算区域Ⅰ体积(V1)

 

式中Wa表示区域工的上底宽度，即

 

3)计算区域Ⅱ体积(V2)

 

式中Wb表示区域Ⅱ的上底宽度，即

 

4)计算区域Ⅲ体积(V3)

 

2．2．2计算射流火焰各辐射点源的热量

确定辐射点源i的热量(Qi)

 

2．3　计算目标物的入射热辐射通量

计算筒体高为H的高架火炬下风向水平面上任意一点目标物接收的热辐射通量^[14]。

假设该目标物距高架火炬筒体水平距离为D，该目标物接收的热辐射通量需叠加3个辐射点源在该目标点产生的总辐射热通量(q)，即

 

其中

 

式中e为热辐射率(辐射热量与总热量的比值)；X1、X2、X3分别是3个区域辐射点源与目标物的距离，m。

2．4　根据安全热辐射强度值确定安全距离

根据热辐射伤害准则，取安全热辐射强度为q安＝1.5kW／m²，将其代入式(9)即可以得到高架火炬的安全距离(R)。

3　实例应用及数值模拟验证

3．1　工程实例及模型应用

由ITAS公司设计的某一天然气接收站高架火炬(FL-8301)^[14]：(排放气体主要是甲烷)，火炬筒体高度为50m，火炬喷射口直径为0.9m，火炬设计的最大排放量为2×10⁵kg／h，排放的天然气为低温气体，温度为-45℃，气体燃烧热值为49.2MJ／kg。

根据以上已知条件，按分区域  多点源模型的计算步骤进行计算，其中火焰热辐射率取0.28，得出在高架火炬下风向水平面上距筒体距离为D m的目标点接收射流火焰产生的热辐射总通量(q)，即

 

3．2　数值模拟对比验证

3．2．1模拟参数设置

笔者使用数值模拟软件FLUENT6.3对已知条件下的高架火炬射流火焰进行数值模拟，建立的物理模型为空间200m×200m×200m的立方体，立方体正中心是高为50m、直径为0.9m的高架火炬，划分网格数为2430875个。在模拟过程的时间项使用全隐式，利用SIMPLE算法迭代求解连续性方程、N-S方程、质量方程、双方程和能量方程，化学反应模型选用涡耗散概念模型，湍流模型使用标准模型，辐射模型使用P-1模型。

3．2．2数值模拟的准确性说明

为检验高架火炬射流火焰数值模拟结果的准确性，将高架火炬射流火焰在空间产生的热辐射分布数值模拟结果与ITAS公司提供的有关该FL8301型高架火炬的设计计算说明书结果进行对比。在水平(h＝0m)下风向方向，FL8301型高架火焰的热辐射分布数值模拟结果与设计计算参考结果对比图如4所示。

 

从图4可以看出，在水平下风向的热辐射分布，数值模拟结果与设计计算参考结果随着距火炬距离增加的变化趋势一致，都是随着距火炬距离的增加呈现先增加后减小的趋势。从具体的对比数值来看，在29m范围内，设计参考值略大于FLUENT模拟值，其中最大误差为5.8％；在29～68m区间范围内，FLUENT模拟值略大于设计参考值，其中最大误差为4.8％；在68～100m区间范围内，设计参考值又略大于FLUENT模拟值，其中最大误差6.2％。综上所述，以ITAS公司设计参考值为标准，FLUENT的数值模拟结果与设汁参考值吻合得较好，在100m的空间范围内，两者的误差均保持在10％以内。即可以认为FLUENT数值模拟结果的精确性是满足要求的。

3．2．3与改进模型的对比验证

在FLUENT数值模拟精确性得到验证的基础上，为了对基于分区域—多点源模型精确性进行对比验证，以FLUENT数值模拟结果作为标准参考，同时分别与笔者建立的分区域—多点源模型计算结果(即新模型计算结果)、常规单点源模型计算结果(行业标准SH 3009—2010推荐使用^[12])以及常规多点源计算结果(点源数n取3个，与新模型点源数相对应)进行对比，如图5所示。

 

从图5可以看出，4个计算结果值呈现出一样的变化规律，在下风向距离，随着与火炬距离的增加，热辐射强度呈现先增加后减少的趋势。在不同距离取四者数值进行对比，如表l所示，新模型计算结果与标准参考值之间的相对误差除了在10m处为23.09％，其余在30m、50m、70m、90m处均低于l5％；常规单点源模型计算结果与标准参考值之间的相对误差在不同距离处的波动较大，在10m处，相对误差较火(大于80％)，随着距离的变大，相对误差有减小的趋势，但在各点始终均大于新模型与标准参考值之间的相对误差；而与新模型取相同点源数的常规多点源计算结果与标准参考值之间的相对误差相比较于单点源计算值减小了许多，但在70m范围内相对误差仍远大于新模型计算值，在70m范围之外，常规多点源与标准参考值之间的相对误差才达到可接受的l5％之内。总体来说，相比于与常规单点源和常规多点源计算结果，以数值模拟的结果为标准参照，新模型计算出的热辐射强度有着更高的精度，同时计算复杂程度没有提高很多，满足工程使用的要求，可以在确定高架火炬安全距离得到很好的应用与推广。

 

4　结论

1)建立了计算高架火炬射流火焰热辐射的新模型，即基于分区域  多点源模型。其基本思路是通过对固体火焰模型与点源模型进行结合处理，对点源模型进行了改进，吸收了点源模型计算的简便性和固体火焰模型计算的精确性优点，克服了在工程应用中点源模型计算不精确和固体火焰模型计算较为繁杂的不足，在工程实际应用中具有明显的优越性。

2)将新提出的改进模型计算结果分别与数值模拟结果、设计规范使用的常规单点源模型计算结果以及常规多点源模型计算结果进行对比，验证了新模型计算出的热辐射强度有着更高的精度。因此，基于分区域—多点源模型实现了在计算高架火炬射流火焰热辐射时的快速简便计算且精度较高，可以克服现有规范标准中对热辐射强度估计过高，安全距离划分过于保守的不足，为石化企业高架火炬安全距离的合理划定、现有高架火炬安全距离设计规范的优化与改进提供参考。

 

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本文作者：陈国华  黄庭枫  梁栋

作者单位：华南理工大学安令科学与工程研究所

  中山大学·广东省消防科学技术重点实验室