摘 要

摘　要：高架火炬安全距離的大小直接影響土地資源利用及安全問題，其值的確定取決于能否準(zhǔn)確地計算出高架火炬射流火焰產(chǎn)生的熱輻射，傳統(tǒng)的高架火炬熱輻射計算模型可分為點源模型

摘　要：高架火炬安全距離的大小直接影響土地資源利用及安全問題，其值的確定取決于能否準(zhǔn)確地計算出高架火炬射流火焰產(chǎn)生的熱輻射，傳統(tǒng)的高架火炬熱輻射計算模型可分為點源模型和固體火焰模型兩大類。前者計算簡單但精度較低，后者精度較高但計算較為繁瑣。為此，結(jié)合點源模型和固體火焰模型各自的優(yōu)點，在點源模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了分區(qū)域  多點源的高架火炬安全距離計算新模型，并通過FLUENT軟件進(jìn)行全尺寸數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與設(shè)計規(guī)范使用的常規(guī)單點源及多點源模型計算結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：新模型可以較為簡便地計算出高架火炬射流火焰產(chǎn)生的熱輻射，最大誤差為6.2％。結(jié)論認(rèn)為：新模型快速簡便且精度較高，可以克服現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對熱輻射強(qiáng)度估計過高、安全距離劃分過于保守的不足，有助于合理劃定高架火炬安全距離，為高架火炬設(shè)計規(guī)范的完善與改進(jìn)提供了科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高架火炬  射流火焰  熱輻射  安全距離  分區(qū)域  多點源  數(shù)值模擬  設(shè)計規(guī)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

高架火炬安全距離直接影響石油企業(yè)土地資源利用及安全問題。因此。在確保安全的前提下，科學(xué)合理地確定最小安全距離取決于能否準(zhǔn)確地計算出高架火炬射流火焰產(chǎn)生的熱輻射。常見的火焰熱輻射計算模型有點源模型和固體火焰模型2種，點源模型計算簡單但精度較低，固體火焰模型的精度較高但計算較為繁瑣^[1]，常見的高架火炬安全距離設(shè)計規(guī)范^[2-4]都是基于點源熱輻射模型來計算高架火炬射流火焰的熱輻射，結(jié)合固體火焰模型與點源模型各自的優(yōu)點，在點源模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，筆者提出了分區(qū)域—多點源的高架火炬安全距離計算的新模型，以實現(xiàn)高架火炬射流火焰熱輻射較為簡便且準(zhǔn)確的計算，為合理地劃定高架火炬安全距離提供參考，也為高架火炬設(shè)計規(guī)范的完善與改進(jìn)提供依據(jù)。

1　分區(qū)域—多點源高架火炬射流火焰模型

1．1　分區(qū)域—多點源的高架火炬射流火焰模型

射流火焰熱輻射點源模型及固體火焰模型^[5-6]比較起來，使用點源模型計算過程簡單但計算精度較差；而使用固體火焰模型計算的結(jié)果更為接近真實情況，由于形狀較為復(fù)雜，輻射計算時，視角因子計算困難(特別是在任意角度的射流火焰工況時)，在工程實際中應(yīng)用性不強(qiáng)^[7]。筆者結(jié)合2種模型各自的優(yōu)點，在點源模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了分區(qū)域多點源模型(圖1)。該模型使用圓錐體平截頭模型計算火焰的幾何形狀，然后按照一定規(guī)律將火焰分成3個區(qū)域，每個區(qū)域由1個輻射球替代，即把射流火焰看成3個輻射點源向外輻射熱量，各輻射球的輻射量由當(dāng)前分割體體積所占射流火焰總體積的比率決定。

 

1．2　射流火焰的分區(qū)域理論

Palacios，Gomez Mares等學(xué)者^[8-11]通過大量實驗，研究了高速射流火焰的火焰溫度和熱輻射特性，提出射流火焰按照表面溫度特性和表面熱輻射功率可將其分3個區(qū)域來分析(圖2)：區(qū)域I是火焰底部到火焰整體長度的2／5處，區(qū)域Ⅱ是火焰整體長度2／5處至火焰整體長度7／10處，區(qū)域Ⅲ是指火焰整體長度7／10處到火焰頂。并將這種分區(qū)域理論應(yīng)用到改進(jìn)的固體火焰模型來計算射流火焰熱輻射。筆者按這個思路來將圓錐體平截頭模型中計算出的幾何形狀進(jìn)行分區(qū)域，每個區(qū)域用1個輻射點源表示，輻射點源位于區(qū)域的正中央。

 

2　分區(qū)域—多點源高架火炬安全距離計算步驟

分區(qū)域  多點源高架火炬安全距離計算模型如圖3所示，計算步驟分為以下4個部分。

 

2．1　計算高架火炬射流火焰形狀尺寸

根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[4]、[12]、[l3]，高架火炬射流火焰形狀尺寸可按如下公式求得。

1)計算射流火焰平截體長度(L)

 

式中Lb指從高架火炬噴射口到火焰頂端的距離，m；B為火焰升空距離，m；a為火焰中軸線與高架火炬噴射口中軸線的夾角。

2)計算射流火焰底部寬度

 

式中df為高架火炬噴射口直徑，m；a為風(fēng)速和射流速率之比；ra為高架火炬排放口處的氣體密度，kg／m³；rg為空氣密度，kg／m³。

3)計算射流火焰頂部寬度

 

2．2　按分區(qū)域計算各區(qū)域輻射點源輻射量

2．2．1計算射流火焰總體積及各分區(qū)域體積

1)計算射流火焰總體積(V總)

 

2)計算區(qū)域Ⅰ體積(V1)

 

式中Wa表示區(qū)域工的上底寬度，即

 

3)計算區(qū)域Ⅱ體積(V2)

 

式中Wb表示區(qū)域Ⅱ的上底寬度，即

 

4)計算區(qū)域Ⅲ體積(V3)

 

2．2．2計算射流火焰各輻射點源的熱量

確定輻射點源i的熱量(Qi)

 

2．3　計算目標(biāo)物的入射熱輻射通量

計算筒體高為H的高架火炬下風(fēng)向水平面上任意一點目標(biāo)物接收的熱輻射通量^[14]。

假設(shè)該目標(biāo)物距高架火炬筒體水平距離為D，該目標(biāo)物接收的熱輻射通量需疊加3個輻射點源在該目標(biāo)點產(chǎn)生的總輻射熱通量(q)，即

 

其中

 

式中e為熱輻射率(輻射熱量與總熱量的比值)；X1、X2、X3分別是3個區(qū)域輻射點源與目標(biāo)物的距離，m。

2．4　根據(jù)安全熱輻射強(qiáng)度值確定安全距離

根據(jù)熱輻射傷害準(zhǔn)則，取安全熱輻射強(qiáng)度為q安＝1.5kW／m²，將其代入式(9)即可以得到高架火炬的安全距離(R)。

3　實例應(yīng)用及數(shù)值模擬驗證

3．1　工程實例及模型應(yīng)用

由ITAS公司設(shè)計的某一天然氣接收站高架火炬(FL-8301)^[14]：(排放氣體主要是甲烷)，火炬筒體高度為50m，火炬噴射口直徑為0.9m，火炬設(shè)計的最大排放量為2×10⁵kg／h，排放的天然氣為低溫氣體，溫度為-45℃，氣體燃燒熱值為49.2MJ／kg。

根據(jù)以上已知條件，按分區(qū)域  多點源模型的計算步驟進(jìn)行計算，其中火焰熱輻射率取0.28，得出在高架火炬下風(fēng)向水平面上距筒體距離為D m的目標(biāo)點接收射流火焰產(chǎn)生的熱輻射總通量(q)，即

 

3．2　數(shù)值模擬對比驗證

3．2．1模擬參數(shù)設(shè)置

筆者使用數(shù)值模擬軟件FLUENT6.3對已知條件下的高架火炬射流火焰進(jìn)行數(shù)值模擬，建立的物理模型為空間200m×200m×200m的立方體，立方體正中心是高為50m、直徑為0.9m的高架火炬，劃分網(wǎng)格數(shù)為2430875個。在模擬過程的時間項使用全隱式，利用SIMPLE算法迭代求解連續(xù)性方程、N-S方程、質(zhì)量方程、雙方程和能量方程，化學(xué)反應(yīng)模型選用渦耗散概念模型，湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn)模型，輻射模型使用P-1模型。

3．2．2數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性說明

為檢驗高架火炬射流火焰數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將高架火炬射流火焰在空間產(chǎn)生的熱輻射分布數(shù)值模擬結(jié)果與ITAS公司提供的有關(guān)該FL8301型高架火炬的設(shè)計計算說明書結(jié)果進(jìn)行對比。在水平(h＝0m)下風(fēng)向方向，FL8301型高架火焰的熱輻射分布數(shù)值模擬結(jié)果與設(shè)計計算參考結(jié)果對比圖如4所示。

 

從圖4可以看出，在水平下風(fēng)向的熱輻射分布，數(shù)值模擬結(jié)果與設(shè)計計算參考結(jié)果隨著距火炬距離增加的變化趨勢一致，都是隨著距火炬距離的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。從具體的對比數(shù)值來看，在29m范圍內(nèi)，設(shè)計參考值略大于FLUENT模擬值，其中最大誤差為5.8％；在29～68m區(qū)間范圍內(nèi)，FLUENT模擬值略大于設(shè)計參考值，其中最大誤差為4.8％；在68～100m區(qū)間范圍內(nèi)，設(shè)計參考值又略大于FLUENT模擬值，其中最大誤差6.2％。綜上所述，以ITAS公司設(shè)計參考值為標(biāo)準(zhǔn)，FLUENT的數(shù)值模擬結(jié)果與設(shè)汁參考值吻合得較好，在100m的空間范圍內(nèi)，兩者的誤差均保持在10％以內(nèi)。即可以認(rèn)為FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果的精確性是滿足要求的。

3．2．3與改進(jìn)模型的對比驗證

在FLUENT數(shù)值模擬精確性得到驗證的基礎(chǔ)上，為了對基于分區(qū)域—多點源模型精確性進(jìn)行對比驗證，以FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)參考，同時分別與筆者建立的分區(qū)域—多點源模型計算結(jié)果(即新模型計算結(jié)果)、常規(guī)單點源模型計算結(jié)果(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH 3009—2010推薦使用^[12])以及常規(guī)多點源計算結(jié)果(點源數(shù)n取3個，與新模型點源數(shù)相對應(yīng))進(jìn)行對比，如圖5所示。

 

從圖5可以看出，4個計算結(jié)果值呈現(xiàn)出一樣的變化規(guī)律，在下風(fēng)向距離，隨著與火炬距離的增加，熱輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。在不同距離取四者數(shù)值進(jìn)行對比，如表l所示，新模型計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參考值之間的相對誤差除了在10m處為23.09％，其余在30m、50m、70m、90m處均低于l5％；常規(guī)單點源模型計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參考值之間的相對誤差在不同距離處的波動較大，在10m處，相對誤差較火(大于80％)，隨著距離的變大，相對誤差有減小的趨勢，但在各點始終均大于新模型與標(biāo)準(zhǔn)參考值之間的相對誤差；而與新模型取相同點源數(shù)的常規(guī)多點源計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參考值之間的相對誤差相比較于單點源計算值減小了許多，但在70m范圍內(nèi)相對誤差仍遠(yuǎn)大于新模型計算值，在70m范圍之外，常規(guī)多點源與標(biāo)準(zhǔn)參考值之間的相對誤差才達(dá)到可接受的l5％之內(nèi)?？傮w來說，相比于與常規(guī)單點源和常規(guī)多點源計算結(jié)果，以數(shù)值模擬的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)參照，新模型計算出的熱輻射強(qiáng)度有著更高的精度，同時計算復(fù)雜程度沒有提高很多，滿足工程使用的要求，可以在確定高架火炬安全距離得到很好的應(yīng)用與推廣。

 

4　結(jié)論

1)建立了計算高架火炬射流火焰熱輻射的新模型，即基于分區(qū)域  多點源模型。其基本思路是通過對固體火焰模型與點源模型進(jìn)行結(jié)合處理，對點源模型進(jìn)行了改進(jìn)，吸收了點源模型計算的簡便性和固體火焰模型計算的精確性優(yōu)點，克服了在工程應(yīng)用中點源模型計算不精確和固體火焰模型計算較為繁雜的不足，在工程實際應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)越性。

2)將新提出的改進(jìn)模型計算結(jié)果分別與數(shù)值模擬結(jié)果、設(shè)計規(guī)范使用的常規(guī)單點源模型計算結(jié)果以及常規(guī)多點源模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了新模型計算出的熱輻射強(qiáng)度有著更高的精度。因此，基于分區(qū)域—多點源模型實現(xiàn)了在計算高架火炬射流火焰熱輻射時的快速簡便計算且精度較高，可以克服現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對熱輻射強(qiáng)度估計過高，安全距離劃分過于保守的不足，為石化企業(yè)高架火炬安全距離的合理劃定、現(xiàn)有高架火炬安全距離設(shè)計規(guī)范的優(yōu)化與改進(jìn)提供參考。

 

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本文作者：陳國華  黃庭楓  梁棟

作者單位：華南理工大學(xué)安令科學(xué)與工程研究所

  中山大學(xué)·廣東省消防科學(xué)技術(shù)重點實驗室