基于FLARESIM模擬的LNG接收站高架火炬設(shè)計選型研究

趙虎

(中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)

火炬系統(tǒng)是以符合環(huán)保要求的方式安全處理石油化工廠、煉油廠及其他工廠或者裝置無法回收的可燃、有毒氣體的燃燒設(shè)施[1-3]。火炬是LNG接收站的重要設(shè)施,在安全生產(chǎn)方面起到重要作用[4-5]。行業(yè)內(nèi)較多使用的火炬形式為高架火炬和封閉式地面火炬[6-8]。就LNG接收站高架火炬設(shè)計選型進(jìn)行分析研究。高架火炬是為減少熱輻射強(qiáng)度和有助于擴(kuò)散將火炬頭安裝在地面之上一定高度的火炬[9],從規(guī)范的定義中解讀高架火炬的兩個主要特點一是減少熱輻射強(qiáng)度,二是有助于擴(kuò)散。在LNG接收站高架火炬設(shè)計中,為了滿足規(guī)范要求,提高設(shè)計選型能力和準(zhǔn)確度,需要落實火炬系統(tǒng)的處理能力及風(fēng)向、風(fēng)速、濕度等輸入條件[10-12]。通過闡述LNG接收站火炬系統(tǒng)最大排放量的工況選型方法,以某沿海接收站為例,基于FLARESIM軟件對高架火炬進(jìn)行設(shè)計計算,并結(jié)合接收站內(nèi)及周邊環(huán)境熱輻射值復(fù)核火炬高度。

1 火炬處理能力選型工況

LNG接收站火炬系統(tǒng)用于收集超壓泄放的介質(zhì)并進(jìn)行處理,其中LNG儲罐安全閥、氣化器安全閥直接通向大氣,其泄放量不計入火炬系統(tǒng)處理能力計算。由于接收站火炬能力選型工況較為復(fù)雜,在確定火炬設(shè)計能力時,依據(jù)GB 51156—2015,火炬系統(tǒng)應(yīng)滿足下列工況中可能產(chǎn)生的最大排放量,在確定排放量時,應(yīng)考慮火災(zāi)、液化天然氣儲罐的超壓排放、設(shè)備故障、公用工程故障、開停車和檢維修工況,但不應(yīng)考慮任意兩種工況的疊加[13]。

確定泄放量時,儲罐區(qū)和工藝區(qū)分別按照以下事件發(fā)生的可能性確定其單一事件引起的最大泄放量:

(1)LNG儲罐系統(tǒng)超壓,蒸發(fā)氣總管壓力控制閥打開,過量蒸發(fā)氣排放至火炬系統(tǒng);

(2)LNG接收站內(nèi)工藝安全閥起跳,超壓氣體泄放至蒸發(fā)氣總管,導(dǎo)致總管超壓后,蒸發(fā)氣總管壓力控制閥打開,超壓氣體排放至火炬系統(tǒng)[14-16]。

一般LNG儲罐超壓排放作為火炬處理能力的選型工況,根據(jù)GB 51156—2015,結(jié)合實際運行情況,需考慮以下各事件的可能組合所導(dǎo)致的超壓排放量中較大者來確定儲罐系統(tǒng)的最大泄放量:

(1)LNG儲罐漏熱;

(2)大氣壓的降低引起的蒸發(fā)氣排放量;

(3)低壓輸送泵輸送LNG,用于冷循環(huán)引起的LNG氣化量;

(4)卸船充裝時的置換和閃蒸;

(5)火災(zāi);

(6)循環(huán)保冷管線漏熱引起的LNG氣化量;

(7)控制閥失效故障開。

其中儲罐補(bǔ)氣閥的最大流量按下列工況進(jìn)行組合計算:

(1)大氣壓升高;(2)泵抽出最大流量;(3)蒸發(fā)氣壓縮機(jī)抽出最大流量。同時需要注意補(bǔ)氣閥失效引起的儲罐超壓泄放量,考慮控制閥門在全開時的最大通過能力要大于正常流量,其閥門全開時泄放量建議按設(shè)計工況的1.2倍計算。

通過對上述各個事件產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量進(jìn)行計算,綜合考慮各事件可能組合,LNG儲罐漏熱是持續(xù)發(fā)生的[17-18],一般最大泄放量的事件組合為儲罐漏熱+大氣壓降低+控制閥失效或儲罐漏熱+大氣壓降低+卸船充裝時的置換和閃蒸,最終確定儲罐系統(tǒng)最大泄放量。

2 高架火炬模擬計算

以福建沿海某LNG接收站為例,其設(shè)計規(guī)模為600×104t/a,建設(shè)6座20×104 m3LNG全容式儲罐,以及配套的工藝設(shè)施、公用工程設(shè)施和輔助生產(chǎn)設(shè)施。建設(shè)1座可靠泊8～26.6×104m3LNG運輸船的專用泊位,并在遠(yuǎn)期新增一座8～26.6×104m3LNG接卸泊位。

根據(jù)GB 51156—2015、GB/T 22724—2008和GB/T 20368—2012,需考慮各事件的可能組合所導(dǎo)致的超壓排放量中較大者來確定儲罐系統(tǒng)的最大泄放量,各事件工況分析如下:

(1)事件1:大氣壓降低:當(dāng)LNG儲罐的壓力等于儲罐的最大操作壓力時,大氣壓迅速下降會導(dǎo)致LNG儲罐內(nèi)氣相空間超壓,從而火炬總管壓力控制閥(開啟壓力為26 kPa(G))打開使BOG氣體排出。根據(jù)GB 51156—2015,大氣壓降低會產(chǎn)生以下2方面的影響:一是導(dǎo)致LNG儲罐內(nèi)氣相空間的氣體膨脹,從而排出氣體;二是大氣壓力降低導(dǎo)致儲罐內(nèi)絕對壓力降低,儲罐內(nèi)表層LNG液體過熱閃蒸導(dǎo)致BOG產(chǎn)生量增加。

由于缺少大氣壓變化速率數(shù)據(jù),根據(jù)規(guī)范可取大氣壓變化速率為2 000 Pa/h。考慮到接收站LNG儲罐不可能全部處于最低液位,所有LNG儲罐均按20%液位計算大氣壓下降引起的氣體泄放量。

(2)事件2:低壓輸送泵循環(huán)引起的LNG氣化量:考慮1臺低壓輸送泵在額定流量下進(jìn)行循環(huán)操作。根據(jù)規(guī)范用于循環(huán)的低壓輸送泵的能量全部傳輸給LNG并使其氣化。根據(jù)低壓泵工藝數(shù)據(jù)表,低壓輸送泵的電機(jī)功率按220 kW進(jìn)行計算。

(3)事件3:卸船體積置換和閃蒸:考慮當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01 325 Pa、BOG壓縮機(jī)不工作及無天然氣外輸?shù)那闆r下,卸船體積置換量及閃蒸量(包括卸船時接收LNG的 管路系統(tǒng)的吸熱引起的氣化量,包含儲罐漏熱蒸發(fā)的BOG量)。確定工況后,結(jié)合HYSYS模擬計算該事件下的BOG量。

(4)事件4:外部火災(zāi):慮2座相鄰LNG儲罐因外部火災(zāi)引起的BOG排放量。根據(jù)規(guī)范,對于大型儲罐,與火焰接觸的濕表面積高度為9.15 m。考慮火災(zāi)發(fā)生在2座儲罐中間,每座儲罐有一半的表面積受到火災(zāi)影響,計算該工況下產(chǎn)生的BOG量。

(5)事件5:控制閥失效:本項目每座儲罐配置一個破真空補(bǔ)氣控制閥,事件5考慮一個補(bǔ)氣閥失效引起的儲罐超壓泄放。單座儲罐設(shè)置控制閥有利于降低閥門失效產(chǎn)生的泄放量。

根據(jù)規(guī)范每個儲罐補(bǔ)氣閥的最大流量按下列工況進(jìn)行組合計算:

①罐內(nèi)低壓泵抽出最大流量;

②蒸發(fā)氣壓縮機(jī)抽出最大流量;

③大氣壓升高。

(6)事件6:儲罐漏熱:計算因環(huán)境漏熱引起的單座20萬m3的LNG儲罐的氣化量。

根據(jù)火炬系統(tǒng)處理能力選型計算,本工程的火炬選型工況為儲罐漏熱+大氣壓降低+卸船充裝時的置換和閃蒸,火炬系統(tǒng)最大超壓泄放量為176 483 kg/h(富液),考慮到火炬總管壓力控制閥門故障全開,其泄放量為正常流量的1.2倍,圓整后火炬系統(tǒng)的設(shè)計流量為215 000 kg/h,確定一次建成處理能力為215 t/h的火炬及配套設(shè)施。

2.1 設(shè)計輸入

根據(jù)火炬系統(tǒng)處理能力進(jìn)行火炬設(shè)計,結(jié)合建設(shè)地環(huán)境氣象參數(shù)及LNG物性參數(shù)等,進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入。包括大氣壓力、環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速、LNG組分等。本次對以下工況進(jìn)行計算:

(1)風(fēng)速6.6 m/s(平均風(fēng)速),事故工況不考慮太陽熱輻射;

(2)風(fēng)速33.9 m/s(極大風(fēng)速),事故工況不考慮太陽熱輻射。

同時考慮開車工況,該工況計算條件如下:

風(fēng)速7.8 m/s(最大月平均風(fēng)速),開車工況,太陽熱輻射強(qiáng)度為1.04 kW/m2。

由于開車工況無法確定具體泄放量,本次火炬高度根據(jù)事故工況下最大泄放量計算,確定火炬高度后在滿足熱輻射及噪音要求的基礎(chǔ)上,對開車工況泄放量進(jìn)行核算,并對開車工況提出泄放量控制要求。

2.2 火炬尺寸及高度計算

根據(jù)石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范,高架火炬允許熱輻射強(qiáng)度要求如表1。

表1 高架火炬允許熱輻射強(qiáng)度表

全廠緊急事故最大排放工況火炬頭產(chǎn)生的地面噪音應(yīng)小于等于115 dB。

全廠緊急事故最大排放工況火炬頭出口的馬赫數(shù)應(yīng)小于等于0.5。

以高架火炬為坐標(biāo)原點,結(jié)合接收站內(nèi)總平面布置及周邊主要環(huán)境影響因素,設(shè)置3個主要接受點,分別為廠內(nèi)距離火炬最近的生產(chǎn)裝置區(qū)、海上養(yǎng)殖場、火炬底部設(shè)施,對照上表設(shè)置允許輻射強(qiáng)度分別為3.2,1.58,9.00 kW/m2。

通過調(diào)試高架火炬直徑和高度,使其滿足上述要求,通過計算,高架火炬筒體直徑為40”,不同工況下火炬計算高度如表2。

表2 火炬高度計算結(jié)果

對工況2計算結(jié)果圓整得火炬設(shè)計高度為90 m。火炬熱輻射強(qiáng)度閾值范圍見表3,火炬噪聲閾值范圍見表4,火炬周邊重要設(shè)施熱輻射強(qiáng)度見表5,火炬熱輻射強(qiáng)度平面包絡(luò)線圖(地面以上2 m)見圖1,火炬熱輻射強(qiáng)度立面包絡(luò)線圖見圖2。

圖1 火炬熱輻射強(qiáng)度平面包絡(luò)線圖(地面以上2m)

圖2 火炬熱輻射強(qiáng)度立面包絡(luò)線圖

表3 火炬熱輻射強(qiáng)度閾值范圍

表4 火炬噪聲閾值范圍

表5 開車工況泄放量核算

根據(jù)計算結(jié)果,廠內(nèi)距離火炬最近的生產(chǎn)裝置區(qū)、海上養(yǎng)殖場、火炬底部設(shè)施熱輻射強(qiáng)度分別為3.06,1.07,3.83 kW/m2,噪音均低于90 dB,滿足要求。

根據(jù)上述計算,火炬高度為90 m,取最大月平均風(fēng)速為7.8 m/s時,考慮太陽輻射的情況下對開車工況進(jìn)行核算。結(jié)合規(guī)范要求,以2 m高度任意范圍熱輻射強(qiáng)度為1.58 kW/m2核算開車工況泄放量,結(jié)果見下表5。

此外,根據(jù)高架火炬計算高度,還應(yīng)分析火炬故障時,泄放氣體的擴(kuò)散濃度。該工況下無法將泄放氣體點燃,可燃?xì)怏w在環(huán)境工況下發(fā)生擴(kuò)散,其可燃?xì)怏w落地濃度應(yīng)低于其爆炸下限的50%。

2.3 火焰輻射溫度影響評估

根據(jù)計算,可以輸出高架火炬火焰在三維空間的溫度分布,通過對該風(fēng)速和風(fēng)向下火焰長度和火炬溫度在空間上的分布,評估不同觀測點的溫度分布如圖3～4,以避免操作及運行人員出現(xiàn)高溫灼傷。其中火炬根部地面溫度約為52 ℃,距離火炬最近的生產(chǎn)裝置區(qū)地面溫度約為36 ℃。

圖3 高架火炬火焰三維視圖

圖4 下風(fēng)向火炬溫度分布圖

3 結(jié)論

(1)不同工況組合會影響LNG接收站火炬系統(tǒng)處理能力計算,進(jìn)而影響火炬選型,一般最大泄放量的事件組合為儲罐漏熱+大氣壓降低+控制閥失效或儲罐漏熱+大氣壓降低+卸船充裝時的置換和閃蒸。

(2)基于FLARESIM軟件能夠?qū)NG接收站高架火炬進(jìn)行選型設(shè)計,能夠?qū)τ^測點的熱輻射值、噪聲值及輻射溫度等進(jìn)行有效的評估和計算,對實際操作運行具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

(3)在高架火炬模擬計算過程中,確定火炬參數(shù)后,還應(yīng)對開車工況進(jìn)行核算,提出泄放量控制要求,此外,對火炬故障工況下可燃?xì)怏w落地濃度的核算也是必要的。