石油化工高架火炬燃燒的數(shù)值模擬研究

朱旭東

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江寧波315812）

優(yōu)化與控制

石油化工高架火炬燃燒的數(shù)值模擬研究

朱旭東

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江寧波315812）

火炬是石油化工生產(chǎn)領(lǐng)域安全排放系統(tǒng)的核心設(shè)備，其安全平穩(wěn)泄放是保證企業(yè)安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的關(guān)鍵。文中運(yùn)用CFD有限元分析方法建立了火炬燃燒數(shù)值的分析模擬模型，對于提高和加強(qiáng)火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)和管理水平具有重要意義。

高架火炬；燃燒；模擬研究；CFD

近年來國家對大氣環(huán)境污染治理重視程度日益提高，對于石化生產(chǎn)領(lǐng)域的火炬排放，給周邊環(huán)境造成的噪音、輻射提出了更新的苛刻要求。由于高架火炬燃燒器安裝位置及運(yùn)行條件的特殊性，造成目前對于其運(yùn)行階段的可復(fù)現(xiàn)性、預(yù)測性的研究較難開展，直接影響了火炬頭燃燒器穩(wěn)定可靠性。建立高架火炬燃燒的數(shù)值模型，可以對運(yùn)行狀態(tài)下火炬頭燃燒器工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，滿足預(yù)防性、超前性調(diào)整、維護(hù)、管理和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的需要，能夠確保燃燒器的平穩(wěn)運(yùn)行［1］。

1 研究對象

模型研究對象設(shè)定為某石化廠的高架火炬，其火炬頭燃燒器類型為內(nèi)置多根蒸汽—空氣噴管式，火炬頭口部高145 m、內(nèi)徑1.3 m，消煙蒸汽溫度235℃、壓力0.7 MPa，大氣環(huán)境溫度20℃、相對濕度70%、平均風(fēng)速2 m/s。主體結(jié)構(gòu)見圖1，基本參數(shù)見表1。

圖1 內(nèi)置多根蒸汽—空氣噴管式火炬燃燒器

表1 高架火炬燃燒火焰基本參數(shù)

2 建立模型

2.1 建模條件和步驟

火炬頭架設(shè)在140 m高的塔架上，內(nèi)徑1.3 m，火炬氣在火炬頭口部與大氣接觸并燃燒形成火焰后隨環(huán)境氣流擴(kuò)散，建立包含該火炬頭燃燒器在內(nèi)的直徑80 m高150 m的模型空間，以滿足描述火炬燃燒器及火炬火焰的有限元計(jì)算包容范圍，通過CFD有限元分析方法建模研究整個(gè)火炬燃燒器運(yùn)行工況（溫度、壓力、密度）及火焰燃燒后在此空間內(nèi)的擴(kuò)散性質(zhì)，計(jì)算方式采用穩(wěn)態(tài)、亞聲速流場、k-?湍流模型、部分預(yù)混燃燒模型［2］。

建模步驟：（1）建立3D幾何模型；（2）劃分網(wǎng)格；（3）設(shè)置基本模型、能量方程、湍流模型；（4）定義組份，啟動(dòng)組份輸運(yùn)和燃燒模型；（5）設(shè)置邊界條件、算法，進(jìn)行計(jì)算；（6）后處理輸出計(jì)算結(jié)果［3］。

2.2 幾何建模和邊界設(shè)置

采用CAD建模工具建立3D的模型計(jì)算范圍，并進(jìn)行邊界范圍設(shè)置，見圖2。

圖2 火炬頭燃燒器及空間燃燒模擬計(jì)算范圍

2.3 網(wǎng)格劃分和計(jì)算

在3D幾何建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本模型計(jì)算范圍空間尺度較大，模型整體采用4邊形網(wǎng)格，生成計(jì)算單元數(shù)量1 000萬個(gè)。生成后的網(wǎng)格質(zhì)量、偏斜度等滿足計(jì)算劃分質(zhì)量要求。劃分好的火炬頭燃燒器和燃燒空間網(wǎng)格見圖3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）。

圖3 火炬頭燃燒器和燃燒空間網(wǎng)格

模型建立完畢后，進(jìn)行全面初始化，首次計(jì)算按照10 000步迭代，后續(xù)各種方案調(diào)整計(jì)算2 000步迭代即可滿足要求［4］。

3 模型數(shù)據(jù)分析

3.1 4種工況條件下的模擬結(jié)果

（1）工況1的模擬結(jié)果

工況1條件下模型計(jì)算的火焰燃燒溫度、燃燒器筒壁的高溫區(qū)見圖4；消煙蒸汽空氣混合噴嘴流速、煙氣相對密度見圖5。

圖4 工況1火焰燃燒溫度、燃燒器筒壁的高溫區(qū)

圖5 消煙蒸汽空氣混合噴嘴流速、煙氣相對密度

（2）工況2的模擬結(jié)果

工況2條件下模型計(jì)算的火焰高度、溫度和煙氣相對密度分布見圖6。

圖6 工況2條件下火焰高度、高溫區(qū)分布、煙氣相對密度

（3）工況3的模擬結(jié)果

工況3條件下模型計(jì)算的火焰高度、溫度和煙氣相對密度分布見圖7。

圖7 工況3條件下火焰高度、高溫區(qū)分布、煙氣相對密度

（4）工況4的模擬結(jié)果

工況4條件下模型計(jì)算的火焰高度、溫度和煙氣相對密度分布見圖8。

圖8 工況4條件下火焰高度、高溫區(qū)分布、煙氣相對密度

3.2 綜合結(jié)果分析

由模型模擬的結(jié)果可以看出，直接利用CFD方法整體構(gòu)建的模型，能直觀地將火炬燃燒器運(yùn)行過程中的不同工況進(jìn)行全方位的綜合計(jì)算。無論從空間大氣影響、燃燒狀態(tài)、設(shè)備結(jié)構(gòu)等各方面都可以直接描述，對于生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)整和控制環(huán)境污染都有重要的指導(dǎo)意義。

對于火炬頭燃燒器在高溫、高空這種極特殊條件下工作，不具備隨時(shí)進(jìn)行檢修及故障診斷這一難題，數(shù)值模型更具有無法比擬的優(yōu)勢［5］。

可以直觀的發(fā)現(xiàn)，在工況1這種較低的排放燃燒流速狀況下，該火炬燃燒器，存在很明顯的筒壁本體溫度局部超高的問題。為了避免損壞設(shè)備，在運(yùn)行過程中必須要采取必要的蒸汽空氣補(bǔ)充降溫措施，不要因?yàn)榉贌艢饬髁康停鹁骖^沒有明顯火焰煙羽，為了節(jié)約而停止蒸汽注入，這樣很容易造成設(shè)備因局部高溫而損壞。

另外對于工況4這種大排放流速燃燒的狀況，由于消煙蒸汽最大流量的通入，造成蒸汽空氣噴射混合噴嘴處的流速極高，同時(shí)還形成擾流漩渦。尤其在主蒸汽接管正對處的噴嘴，因高速汽流的射流沖刷，磨損非常嚴(yán)重，在進(jìn)行設(shè)備定期檢修時(shí)應(yīng)特別注意。

對于石化企業(yè)周邊的火炬燃燒排放產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，在設(shè)計(jì)階段可以通過合理設(shè)置火炬頭燃燒器的安裝高度和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)控制。在運(yùn)行生產(chǎn)階段，可以通過調(diào)整生產(chǎn)、計(jì)劃性提前告知等措施盡量消減。

4 結(jié)論

通過該例的實(shí)踐，運(yùn)用建模技術(shù)對于石油化工高架火炬燃燒的工作狀況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，為今后進(jìn)行火炬頭燃燒的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行、環(huán)保控制及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)和定期檢修提供了一定的參考。該方法對于運(yùn)行條件極其特殊的火炬設(shè)施，具有方便易行和可反復(fù)推演性，在生產(chǎn)實(shí)踐中可進(jìn)一步根據(jù)燃?xì)馀欧沤M分與流量的變化，根據(jù)用戶的需要不斷進(jìn)行調(diào)整，并且可以完善增加有關(guān)噪聲、輻射熱、煙氣黑度等方面的計(jì)算。

［1］劉家明.石油煉制工程師手冊—煉油廠設(shè)計(jì)與工程［M］.北京：中國石化出版社2014：35-36.

［2］朱紅鈞.FLUENT15流場分析指南［M］.北京：人民郵電出版社 2015：27-29.

［3］朱紅鈞.FLUENT CFD工程仿真實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：人民郵電出版社，2014：9-13.

［4］黃庭楓.石化企業(yè)高架火炬安全距離確定方法與實(shí)驗(yàn)研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2011.

［5］姜巍巍，李奇，李俊杰，等.噴射火及其熱輻射影響評(píng)價(jià)模型介紹［J］.石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2007，23（1）：33-36.

Numerical simulation research on flaming of petrochemical overhead flare

Zhu Xudong
（CNOOC Ningbo Daxie Petrochemical Co，Ltd.Ningbo 315812，China）

Flare is core equipment of safe emission system of petrochemical production field,and its safe and smooth venting is critical to ensure safe production of enterprise and reduce environmental pollution.This paper uses CFD finite element analysis method to set up numerical analysis simulation model of flare flaming,has significant meaning for improving and strengthening flare system’s design,operating maintenance and management level.

overhead flare;flaming;simulation research;CFD

X937

B

1671-4962（2017）05-0061-04

2017-08-24

朱旭東，男，工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事石油化工公用工程管理工作。