海上平臺(tái)強(qiáng)引射放空火炬流動(dòng)特性數(shù)值研究

作者簡(jiǎn)介：張文濤（1995-），碩士研究生，從事能源動(dòng)力的研究工作。

通訊作者：王宗明（1970-），副教授，從事過(guò)程裝備與控制工程研究工作，wzmcc@upc.edu.cn。

引用本文：張文濤，王宗明，黃兆亮，等.海上平臺(tái)強(qiáng)引射放空火炬流動(dòng)特性數(shù)值研究[J].化工機(jī)械，2024，51（2）：260-266.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402014

摘 要 針對(duì)一種強(qiáng)引射放空火炬，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)輔助引射器和火炬頭的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。基本型計(jì)算表明，輔助引射器的引射系數(shù)為3.25，火炬頭的引射比為0.77。正交分析表明，輔助引射器優(yōu)化參數(shù)組合為：混合管道擴(kuò)張角4°、喉部環(huán)空間隙7.5 mm、燃?xì)馊肟谥睆? mm、空氣入口直徑60 mm，優(yōu)化結(jié)構(gòu)引射系數(shù)為6.30;火炬頭優(yōu)化參數(shù)組合為：筒體擴(kuò)張角7°、防風(fēng)罩間隙207 mm、輔助引射器數(shù)量8、主放空管深度242 mm，優(yōu)化結(jié)構(gòu)引射比為0.89，引射性能提高16%。

關(guān)鍵詞 海上平臺(tái) 放空火炬 黑煙 強(qiáng)引射 流動(dòng)特性 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào) TE991" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）02?0260?07

國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)石油天然氣資源的需求持續(xù)增加，陸地油氣勘探開(kāi)發(fā)難度逐漸增大，海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)日益廣泛。海上油田開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的伴生氣，由于工藝參數(shù)變動(dòng)或遇到緊急情況，生產(chǎn)設(shè)備需要泄放氣體，這些氣體需要通過(guò)放空火炬進(jìn)行燃燒處理，否則直接排放到大氣中可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)，造成環(huán)境污染[1～3]。由于海上平臺(tái)泄放氣體組分存在差異，流量、壓力波動(dòng)大，火炬黑煙嚴(yán)重[4～7]，且受海洋平臺(tái)條件限制，陸上常見(jiàn)火炬消煙措施往往不能采用。隨著環(huán)保政策日益嚴(yán)格，火炬黑煙問(wèn)題成了制約海上油氣生產(chǎn)的瓶頸，迫切需要對(duì)海洋平臺(tái)放空火炬的流動(dòng)和燃燒特性進(jìn)行深入研究[8]。

消除火炬黑煙問(wèn)題的根本途徑就是使放空氣體充分燃燒，少產(chǎn)生殘?zhí)迹虼嗽黾庸┭酢?qiáng)化放空氣與氧氣的混合有利于提高火炬燃燒效率，減少火炬黑煙的生成。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在放空火炬方面已經(jīng)進(jìn)行了許多研究工作，文獻(xiàn)[9～12]對(duì)引射器進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，探索了幾何參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)引射器氣體攜帶性能的影響，為火炬增氧措施提供了啟示。BACON D提出了一種氣體輔助強(qiáng)化火炬燃燒裝置，在火炬頭外圍裝上輔助引射裝置，強(qiáng)化燃?xì)馀c周?chē)諝獾幕旌希岣吡巳紵省p少了黑煙的生成[13]。李洛安等提出了一種蒸汽消煙型火炬燃燒器，利用蒸汽消煙技術(shù)，并通過(guò)設(shè)置燃?xì)饣旌项A(yù)熱室、燃燒室及蜂窩狀出火孔等結(jié)構(gòu)，達(dá)到了強(qiáng)化燃燒和蒸汽消煙的雙重效果[14]。魏世晨和王時(shí)英應(yīng)用Fluent軟件研究了火炬燃燒器出口形狀對(duì)混合特性和燃燒效果的影響，得到了碳煙排放的規(guī)律[15]。目前，常用的放空火炬系統(tǒng)在引射增氧方面研究不足，增加鼓風(fēng)機(jī)又會(huì)增加海洋平臺(tái)的動(dòng)力負(fù)擔(dān)，因此針對(duì)一種強(qiáng)引射增氧放空火炬進(jìn)行研究，以期提高放空火炬引射比、強(qiáng)化氣體混合效果，進(jìn)而提高火炬燃燒效率，減少黑煙的而生成。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

依據(jù)海洋平臺(tái)常見(jiàn)作業(yè)參數(shù)[16]，取最大排氣量為15 000 Nm3/h，取馬赫數(shù)為0.3。基于引射增氧機(jī)理開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種多級(jí)強(qiáng)引射放空火炬，具體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，其中輔助引射器的幾何模型如圖2所示。

為了提高計(jì)算速度，節(jié)省計(jì)算工作量，首先對(duì)輔助引射器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，輔助引射器的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

火炬頭內(nèi)部主要是放空氣與空氣的流動(dòng)混合區(qū)，火炬頭上方是流動(dòng)摻混和燃燒區(qū)，考慮到火炬頭部分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行加密處理，火炬頭上方燃燒部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，強(qiáng)引射火炬頭的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

1.2 物理模型

在建立基本型結(jié)構(gòu)內(nèi)流體計(jì)算模型時(shí)，流體的基本方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分輸運(yùn)方程。筆者使用標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其通用控制方程如下：

（ρφ）+（ρu φ）=

Γ

+S

式中 S——源項(xiàng);

u——j方向的速度分量，m/s;

x——j方向坐標(biāo);

" " Γ——φ的分子擴(kuò)散系數(shù)，Pa·s;

" ρ——密度，kg/m3;

φ——通用形式的變量。

1.3 邊界條件設(shè)置

輔助引射器燃?xì)馊肟诙x為壓力進(jìn)口，值為50 kPa，水力直徑為9 mm，放空氣體組分見(jiàn)表1;空氣入口定義為壓力進(jìn)口，值為0 kPa，水力直徑為62 mm;混合氣體出口定義為壓力出口，值為0 kPa，水力直徑為60 mm，其他保持默認(rèn)設(shè)置。強(qiáng)引射放空火炬放空氣入口定義為速度入口，值為50 m/s，平均混合分?jǐn)?shù)為1，水力直徑為220 mm，放空氣體組分見(jiàn)表1;空氣入口均定義為壓力進(jìn)口，值為0 kPa;燃燒域定義為壓力出口;輔助引射器出口定義為速度入口，值為32 m/s，其他保持默認(rèn)設(shè)置。

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

輔助引射器的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證選取了18萬(wàn)、26萬(wàn)、35萬(wàn)、48萬(wàn)和60萬(wàn)5種不同數(shù)量的網(wǎng)格模型，以出口截面氧氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為35萬(wàn)時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量出口截面氧氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持不變，已滿(mǎn)足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，因此最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為35萬(wàn)的模型進(jìn)行輔助引射器流動(dòng)特性研究。

放空火炬的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證選取了109萬(wàn)、143萬(wàn)、178萬(wàn)、209萬(wàn)和230萬(wàn)5種不同數(shù)量的網(wǎng)格模型，采用相同的邊界條件，以出口截面甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為判定標(biāo)準(zhǔn)，由數(shù)值模擬結(jié)果得出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為178萬(wàn)時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，出口截面甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持不變，已滿(mǎn)足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，因此選擇網(wǎng)格數(shù)量為178萬(wàn)的模型進(jìn)行放空火炬流動(dòng)特性研究。

1.5 模型正確性驗(yàn)證

筆者選取文獻(xiàn)[17]中的研究對(duì)象進(jìn)行模型正確性驗(yàn)證，以引射器中軸線(xiàn)上的速度和靜壓分布作為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，模擬驗(yàn)證與文獻(xiàn)[17]數(shù)據(jù)對(duì)比的結(jié)果如圖5所示。由圖可知，兩個(gè)結(jié)果雖然在部分位置存在誤差，但總體規(guī)律相仿，而且在大部分位置擬合良好。因此，筆者給出的計(jì)算模型可以準(zhǔn)確描述強(qiáng)引射放空火炬的引射過(guò)程。

2 基本型流動(dòng)特性分析

2.1 輔助引射器

圖6為輔助引射器中截面上的流場(chǎng)分布。可以看出，在空氣入口處，氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，在燃?xì)獾囊渥饔孟拢諝膺M(jìn)入引射器并與燃?xì)饣旌希谳o助引射器的中上部，甲烷和氧氣都趨于一個(gè)穩(wěn)定的流場(chǎng)分布，說(shuō)明此區(qū)域的甲烷和空氣已充分混合。結(jié)果處理可得輔助引射器的引射系數(shù)為3.25。

2.2 強(qiáng)引射放空火炬

圖7所示為放空火炬頭中截面內(nèi)部速度分布，可以發(fā)現(xiàn)在輔助引射器和主放空管道兩側(cè)的空氣進(jìn)口A(yíng)和B引射流動(dòng)明顯，流線(xiàn)分布也顯示大量空氣被引射進(jìn)入火炬頭中，增加了火炬頭的氧氣供給量。空氣進(jìn)口A(yíng)、B、C的引射量依次為0.47、1.01、0.54 m3/s，計(jì)算得到放空火炬頭的引射比為0.77。

圖8所示為點(diǎn)火器截面處甲烷分布情況。主放空管四周設(shè)有8根輔助引射器，點(diǎn)火器截面處甲烷的分布形狀呈八角形。表1所列放空氣體組分與空氣按化學(xué)當(dāng)量比混合時(shí)，甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.034。點(diǎn)火器距離中軸線(xiàn)200 mm，在此區(qū)域甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.03～0.04范圍內(nèi)，接近火炬氣的化學(xué)當(dāng)量比，燃燒速度快，在主流周邊形成強(qiáng)烈的點(diǎn)火源，有助于維持火炬持續(xù)穩(wěn)定燃燒。

3 輔助引射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

選取輔助引射器的混合管道擴(kuò)張角A、喉部環(huán)空間隙B、燃?xì)馊肟谥睆紺和空氣入口直徑D作為正交分析的4個(gè)因素，判斷輔助引射器對(duì)外界空氣的引射性能。4個(gè)因素具體意義如圖2所示。每個(gè)因素取3個(gè)水平（表2）。以輔助引射器出口截面上氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為目標(biāo)參數(shù)，正交模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

分析正交模擬結(jié)果可知，引射性能最佳時(shí)4個(gè)因素的取值分別為：混合管道擴(kuò)張角為4°，喉部環(huán)空間隙為7.5 mm，燃?xì)馊肟谥睆綖? mm，空氣入口直徑為60 mm。優(yōu)化結(jié)構(gòu)輔助引射器的引射系數(shù)為6.30，相較于基本型輔助引射器的引射系數(shù)3.25有了明顯的提升。

4 火炬頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

選取火炬頭筒體擴(kuò)張角A、主放空管深度B、輔助引射器數(shù)量C和防風(fēng)罩間隙D作為正交分析的4個(gè)因素，探究火炬頭內(nèi)部的流動(dòng)特性，4個(gè)因素具體意義如圖1所示。每個(gè)因素取3個(gè)水平（表4）。取火炬頭出口截面上甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為目標(biāo)參數(shù)，正交模擬結(jié)果見(jiàn)表5。

分析正交模擬結(jié)果可知，引射性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：筒體擴(kuò)張角為7°、防風(fēng)罩間隙為207 mm、輔助引射器的數(shù)量為8個(gè)、主放空管深度為242 mm，此時(shí)火炬頭引射比為0.89，相較于基本型強(qiáng)引射放空火炬的引射比0.77有了明顯的提升。

5 結(jié)論

5.1 輔助引射器的引入與布置，使點(diǎn)火器附近區(qū)域的甲烷含量接近放空氣體的化學(xué)當(dāng)量比，有助于維持火炬持續(xù)穩(wěn)定燃燒;多級(jí)引射結(jié)構(gòu)增加了火炬頭的氧氣供給。

5.2 正交分析表明，優(yōu)化結(jié)構(gòu)輔助引射器引射性能明顯提高，引射系數(shù)由基本型的3.25提高至6.30;優(yōu)化結(jié)構(gòu)放空火炬，引射比提高16%，大幅提高了引射效果，強(qiáng)化了放空氣體與空氣的混合和高效燃燒，降低了黑煙生成的可能。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-03-29，修回日期：2024-03-19）

Numerical Study on Flow Characteristics of Strong Ejection Release Flare on the Offshore Platform

ZHANG Wen?tao1， WANG Zong?ming1， HUANG Zhao?liang2， ZHANG Jing?yue1， LAI Jin?xin3

（1. College of New Energy， China University of Petroleum（East China）;2. PipeChina Maintenance amp; Repair

amp; Overhaul Center of Compressors; 3. Shandong Yiwei New Materials Co.， Ltd.）

Abstract" "Regarding the release flare with strong ejection， the Fluent software was adopted to simulate flow characteristics of the auxiliary ejector and flare head. The basic model calculation shows that， the auxiliary ejector’s ejection coefficient is 3.25， and the flare head’s ejection ratio is 0.77. Orthogonal analysis of the auxiliary ejector’s optimum structural parameters indicates that， the parameter combination are as follows： a 4° mixing pipe expansion angle， a 7.5 mm throat annular space gap， a 7 mm gas inlet diameter， a 60 mm air inlet diameter and a 6.30 ejection coefficient of the optimized structure. The optimized parameters of the flare head are as follows： a 7° cylinder expansion angle， a 207 mm wind shield gap， 8 auxiliary ejectors， a 242 mm depth of main vent pipe， a 0.89 ejection ratio of the optimized structure and a 16% injection performance increased.

Key words" "offshore platform， release flare， black smoke， strong ejection， flow characteristics， numerical simulation