LNG 接收站火炬放空燃烧仿真

2022-03-07屈海俊刘宇翔杨凯杰

石油化工建设 2022年11期

屈海俊尹勤刘宇翔杨凯杰肖东

1.重庆大学能源与动力工程学院重庆 400044；2.四川中泽油田技术服务有限责任公司四川成都 610000；3.国家石油天然气管网集团有限公司西气东输长沙输气分公司湖南长沙410000；4.中国石油天然气股份有限公司玉门油田分公司老君庙采油厂甘肃酒泉 735000；5.西南石油大学石油与天然气工程学院四川成都 610500

随着LNG 产业不断蓬勃发展，LNG 接收站建设已是极具朝气的国内天然气基础设施投资项目。然而，在众多LNG 接收站内，BOG 的生成却是不可避免的，并且由于漏热现象而产生的BOG 还可能会导致LNG 储罐超压而处于危险状态。因此需要将BOG 进行放空燃烧或者回收处理。然而，在LNG 接收站的不同运行工况下，站内的BOG 放空量处于动态变化进而会导致计算不便。因此，如何确定BOG 放空量对于接收站安全运营和BOG 的合理利用具有重要意义。

近年来，国内外研究人员对火炬放空燃烧时的相关特性进行了研究。王鹏采用CFD 模拟与实验结合的方式研究了封闭式地面火炬的燃烧，得到了不同丙烷处理量下的多点射流火焰高度并分析了丙烷火焰蹿出筒体时的泄放量，为火炬的安全使用提供数据支持[1]。陈国华等利用Fluent 软件对大尺寸喷射火焰进行数值模拟并验证了用该方法进行预测的准确性和工程实用性[2]。姚建军利用ANSYS CFX 软件对炼厂内的火炬放空燃烧进行了仿真模拟，并对不同工况下的火炬放空燃烧特性进行定量分析[3]。G.Ferrara 等在非稳态RANS 方法的基础上，搭建起二维轴对称CFD 模型，通过修改管径、管长和点火的位置等来探讨燃气经泄压管道外排时的爆炸情况，并发现放空时的气体速率对爆炸程度有明显影响。以LNG 接收站内两种不同尺寸规格的高架火炬为研究对象，利用CFD模拟的方式来分析高架火炬放空燃烧时的火焰高度与BOG 放空量的关系与相应的燃烧特性。

1 放空火焰数值模拟模型

1.1 数学模型

BOG 放空火炬燃烧现象是一种包括化学反应的复杂流动过程，因此在数值模拟中描述燃烧过程需满足质量守恒、组分守恒、动量守恒和能量守恒。据此提出简化控制方程如下。

式中：H——化学反应焓，kJ/ kg；

Sh——源项，包括了化学反应放（吸）热和其他用户定义的体积热源产生的热量，kJ。

1.2 几何模型和网格划分

对于小尺寸放空火炬，整个计算域空间为20m 的正方体，火炬高度为5m。将整个火炬简化为双筒体的结构，内部为直径0.1m 的BOG 泄放管，外部为直径0.2m 的空气伴流管。采用纯六面体网格划分，网格数量为20 万左右。该网格最大歪斜度为0.41，最小正交质量为0.85，整体网格质量较好。

在模拟大尺寸放空火炬燃烧情况时，不考虑侧风的影响，将其简化为二维轴对称的几何模型。内部为直径0.2m 的BOG 泄放管，外部为直径1m 的空气伴流管，火炬高度为20m。该网格的网格数量为25666，整体网格的纵横比很小，网格质量较好。

1.3 边界条件和模拟模型选择

在对小尺寸放空火炬进行模拟过程中，考虑了侧风的影响。在设置边界条件时，需考虑侧风风速随地面高度变化而变化。根据空气动力学可知，可利用式（5）将地面风速转换为不同高度上的风速[4]：

式中：z——距离地面的高度，m；

v——相距地面高度为z 处的侧风流速，m/ s；

v10——距离地面高度为10m 的侧风流速，m/ s；

n——经验指数，取值于0.09～0.17 之间，与地面粗糙度有关，由于LNG 接收终端排放BOG 的高架火炬通常位于滨海地区，一般属于树木等植被较少的平地情况，将经验系数设置为0.16[5]。

BOG 放空火焰燃烧仿真时，在模型底部分别设置BOG 射流的速度入口、空气伴流的速度入口和地面。对于小尺寸放空火炬，则将左侧设置为侧风入口，其余空间边界设置为压力出口。对于大尺寸放空火炬，则将外部空间边界都设置为压力出口。

在利用Fluent 软件对放空火炬燃烧情况进行模拟时，相关求解器设置如下：

（1）在模拟高架火炬放空燃烧时，采用稳态计算的方式；

（2）湍流模型选用Realizable k- ε 模型；

（3）辐射模型选用P1 模型；

（4）组分模型选用涡耗散模型（EDM）。

2 数值模拟结果与分析

2.1 小尺寸放空火炬模拟结果与分析

在存在侧风的情况下，通过改变射流速度来探讨BOG 放空量与放空火焰高度的关系。有侧风时，为了得到小尺寸放空火焰高度，可以根据1200～1400K 的温度等值面来确定[6]。利用1200K 等值面轮廓来确定火焰高度。模拟时取空气伴流为6m/ s，侧风风速设置为处的风速，再设置BOG 射流速度为5～35m/ s，其中间隔2.5m/ s 分别测一次火焰高度，放空火焰高度与不同BOG 放空量之间的关系如图1 所示。

图1 BOG处理量与放空火焰高度的关系

当存在侧风时，随着BOG 处理量的不断增大，火焰高度也随之不断增大。这是由于当BOG 处理量比较小时，侧风对火焰倾斜角度的影响作用比较明显，即横向方向上的空气流动相对强烈，BOG 射流迎风侧速度大于背风侧速度，放空火炬喷射出的BOG 还未上升多高就已燃烧殆尽。然而，当BOG 处理量逐渐增大时，BOG 射流速度增大使得侧风对射流火焰的吹斜效果逐渐减弱。同时，放空火炬喷射出的BOG 也更多，需上升足够的高度才能充分燃烧，故火焰高度随之增大。

2.2 小尺寸放空火炬模拟结果与分析

在无空气伴流时，利用Fluent 对不同BOG 处理量对应的射流火焰燃烧情况进行模拟。无侧风时，可以通过测量轴线方向上的温度最高点所在位置来确定放空火焰高度。由图1 可见，在BOG 处理量非常小时，曲线有一定的弯曲。这是因为当BOG 射流速度太小时，卷吸空气不足，燃烧效果不好所导致的。

针对高架火炬燃烧性能差的问题，可以通过增设空气伴流来解决。为了探讨空气伴流对于放空火炬燃烧性能的影响，分别取不同空气伴流速度进行模拟，结果如图2 所示。

图2 空气伴流对于BOG放空火焰高度的影响

从图2 可知，空气伴流对于放空气体具有一定的吹举作用，故有空气伴流时的火焰比无空气伴流时的火焰高出一截。有空气伴流的三条关系曲线都大致存在一个峰值。在峰左侧的BOG 射流速度相对于空气伴流速度来说小太多。放空的BOG 还未被空气伴流吹举多高，就已和空气混合充分燃烧。因此在峰的左侧，较大空气伴流时的火焰反而要低一些。在靠近峰右侧的区域内，空气伴流速度与BOG 射流速度相当，由于空气伴流的吹举作用而使得速度越大的空气伴流对应的火焰高度越大。在远离“峰”的右侧区域，四条曲线随着BOG 放空量的增大而逐渐靠拢，则说明空气伴流的影响在逐渐减弱。因此我们应选择适当的空气伴流速度来提升高架火炬的燃烧性能。