LNG 接收站火炬放空燃燒仿真

屈?？?尹 勤 劉宇翔 楊凱杰 肖 東

1.重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 重慶 400044；2.四川中澤油田技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 四川成都 610000；3.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司西氣東輸長(zhǎng)沙輸氣分公司 湖南長(zhǎng)沙410000；4.中國(guó)石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司老君廟采油廠 甘肅酒泉 735000；5.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 四川成都 610500

隨著LNG 產(chǎn)業(yè)不斷蓬勃發(fā)展，LNG 接收站建設(shè)已是極具朝氣的國(guó)內(nèi)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施投資項(xiàng)目。然而，在眾多LNG 接收站內(nèi)，BOG 的生成卻是不可避免的，并且由于漏熱現(xiàn)象而產(chǎn)生的BOG 還可能會(huì)導(dǎo)致LNG 儲(chǔ)罐超壓而處于危險(xiǎn)狀態(tài)。因此需要將BOG 進(jìn)行放空燃燒或者回收處理。然而，在LNG 接收站的不同運(yùn)行工況下，站內(nèi)的BOG 放空量處于動(dòng)態(tài)變化進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致計(jì)算不便。因此，如何確定BOG 放空量對(duì)于接收站安全運(yùn)營(yíng)和BOG 的合理利用具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)火炬放空燃燒時(shí)的相關(guān)特性進(jìn)行了研究。王鵬采用CFD 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式研究了封閉式地面火炬的燃燒，得到了不同丙烷處理量下的多點(diǎn)射流火焰高度并分析了丙烷火焰躥出筒體時(shí)的泄放量，為火炬的安全使用提供數(shù)據(jù)支持[1]。陳國(guó)華等利用Fluent 軟件對(duì)大尺寸噴射火焰進(jìn)行數(shù)值模擬并驗(yàn)證了用該方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和工程實(shí)用性[2]。姚建軍利用ANSYS CFX 軟件對(duì)煉廠內(nèi)的火炬放空燃燒進(jìn)行了仿真模擬，并對(duì)不同工況下的火炬放空燃燒特性進(jìn)行定量分析[3]。G.Ferrara 等在非穩(wěn)態(tài)RANS 方法的基礎(chǔ)上，搭建起二維軸對(duì)稱CFD 模型，通過修改管徑、管長(zhǎng)和點(diǎn)火的位置等來探討燃?xì)饨?jīng)泄壓管道外排時(shí)的爆炸情況，并發(fā)現(xiàn)放空時(shí)的氣體速率對(duì)爆炸程度有明顯影響。以LNG 接收站內(nèi)兩種不同尺寸規(guī)格的高架火炬為研究對(duì)象，利用CFD模擬的方式來分析高架火炬放空燃燒時(shí)的火焰高度與BOG 放空量的關(guān)系與相應(yīng)的燃燒特性。

1 放空火焰數(shù)值模擬模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

BOG 放空火炬燃燒現(xiàn)象是一種包括化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜流動(dòng)過程，因此在數(shù)值模擬中描述燃燒過程需滿足質(zhì)量守恒、組分守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒。據(jù)此提出簡(jiǎn)化控制方程如下。

式中：H——化學(xué)反應(yīng)焓，kJ/ kg；

Sh——源項(xiàng)，包括了化學(xué)反應(yīng)放（吸）熱和其他用戶定義的體積熱源產(chǎn)生的熱量，kJ。

1.2 幾何模型和網(wǎng)格劃分

對(duì)于小尺寸放空火炬，整個(gè)計(jì)算域空間為20m 的正方體，火炬高度為5m。將整個(gè)火炬簡(jiǎn)化為雙筒體的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為直徑0.1m 的BOG 泄放管，外部為直徑0.2m 的空氣伴流管。采用純六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為20 萬左右。該網(wǎng)格最大歪斜度為0.41，最小正交質(zhì)量為0.85，整體網(wǎng)格質(zhì)量較好。

在模擬大尺寸放空火炬燃燒情況時(shí)，不考慮側(cè)風(fēng)的影響，將其簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱的幾何模型。內(nèi)部為直徑0.2m 的BOG 泄放管，外部為直徑1m 的空氣伴流管，火炬高度為20m。該網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)量為25666，整體網(wǎng)格的縱橫比很小，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

1.3 邊界條件和模擬模型選擇

在對(duì)小尺寸放空火炬進(jìn)行模擬過程中，考慮了側(cè)風(fēng)的影響。在設(shè)置邊界條件時(shí)，需考慮側(cè)風(fēng)風(fēng)速隨地面高度變化而變化。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)可知，可利用式（5）將地面風(fēng)速轉(zhuǎn)換為不同高度上的風(fēng)速[4]：

式中：z——距離地面的高度，m；

v——相距地面高度為z 處的側(cè)風(fēng)流速，m/ s；

v10——距離地面高度為10m 的側(cè)風(fēng)流速，m/ s；

n——經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，取值于0.09～0.17 之間，與地面粗糙度有關(guān)，由于LNG 接收終端排放BOG 的高架火炬通常位于濱海地區(qū)，一般屬于樹木等植被較少的平地情況，將經(jīng)驗(yàn)系數(shù)設(shè)置為0.16[5]。

BOG 放空火焰燃燒仿真時(shí)，在模型底部分別設(shè)置BOG 射流的速度入口、空氣伴流的速度入口和地面。對(duì)于小尺寸放空火炬，則將左側(cè)設(shè)置為側(cè)風(fēng)入口，其余空間邊界設(shè)置為壓力出口。對(duì)于大尺寸放空火炬，則將外部空間邊界都設(shè)置為壓力出口。

在利用Fluent 軟件對(duì)放空火炬燃燒情況進(jìn)行模擬時(shí)，相關(guān)求解器設(shè)置如下：

（1）在模擬高架火炬放空燃燒時(shí)，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的方式；

（2）湍流模型選用Realizable k- ε 模型；

（3）輻射模型選用P1 模型；

（4）組分模型選用渦耗散模型（EDM）。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 小尺寸放空火炬模擬結(jié)果與分析

在存在側(cè)風(fēng)的情況下，通過改變射流速度來探討B(tài)OG 放空量與放空火焰高度的關(guān)系。有側(cè)風(fēng)時(shí)，為了得到小尺寸放空火焰高度，可以根據(jù)1200～1400K 的溫度等值面來確定[6]。利用1200K 等值面輪廓來確定火焰高度。模擬時(shí)取空氣伴流為6m/ s，側(cè)風(fēng)風(fēng)速設(shè)置為處的風(fēng)速，再設(shè)置BOG 射流速度為5～35m/ s，其中間隔2.5m/ s 分別測(cè)一次火焰高度，放空火焰高度與不同BOG 放空量之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 BOG處理量與放空火焰高度的關(guān)系

當(dāng)存在側(cè)風(fēng)時(shí)，隨著BOG 處理量的不斷增大，火焰高度也隨之不斷增大。這是由于當(dāng)BOG 處理量比較小時(shí)，側(cè)風(fēng)對(duì)火焰傾斜角度的影響作用比較明顯，即橫向方向上的空氣流動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，BOG 射流迎風(fēng)側(cè)速度大于背風(fēng)側(cè)速度，放空火炬噴射出的BOG 還未上升多高就已燃燒殆盡。然而，當(dāng)BOG 處理量逐漸增大時(shí)，BOG 射流速度增大使得側(cè)風(fēng)對(duì)射流火焰的吹斜效果逐漸減弱。同時(shí)，放空火炬噴射出的BOG 也更多，需上升足夠的高度才能充分燃燒，故火焰高度隨之增大。

2.2 小尺寸放空火炬模擬結(jié)果與分析

在無空氣伴流時(shí)，利用Fluent 對(duì)不同BOG 處理量對(duì)應(yīng)的射流火焰燃燒情況進(jìn)行模擬。無側(cè)風(fēng)時(shí)，可以通過測(cè)量軸線方向上的溫度最高點(diǎn)所在位置來確定放空火焰高度。由圖1 可見，在BOG 處理量非常小時(shí)，曲線有一定的彎曲。這是因?yàn)楫?dāng)BOG 射流速度太小時(shí)，卷吸空氣不足，燃燒效果不好所導(dǎo)致的。

針對(duì)高架火炬燃燒性能差的問題，可以通過增設(shè)空氣伴流來解決。為了探討空氣伴流對(duì)于放空火炬燃燒性能的影響，分別取不同空氣伴流速度進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 空氣伴流對(duì)于BOG放空火焰高度的影響

從圖2 可知，空氣伴流對(duì)于放空氣體具有一定的吹舉作用，故有空氣伴流時(shí)的火焰比無空氣伴流時(shí)的火焰高出一截。有空氣伴流的三條關(guān)系曲線都大致存在一個(gè)峰值。在峰左側(cè)的BOG 射流速度相對(duì)于空氣伴流速度來說小太多。放空的BOG 還未被空氣伴流吹舉多高，就已和空氣混合充分燃燒。因此在峰的左側(cè)，較大空氣伴流時(shí)的火焰反而要低一些。在靠近峰右側(cè)的區(qū)域內(nèi)，空氣伴流速度與BOG 射流速度相當(dāng)，由于空氣伴流的吹舉作用而使得速度越大的空氣伴流對(duì)應(yīng)的火焰高度越大。在遠(yuǎn)離“峰”的右側(cè)區(qū)域，四條曲線隨著BOG 放空量的增大而逐漸靠攏，則說明空氣伴流的影響在逐漸減弱。因此我們應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)目諝獍榱魉俣葋硖嵘呒芑鹁娴娜紵阅堋?/p>

3 結(jié)論與建議

（1）存在側(cè)風(fēng)時(shí)，BOG 放空燃燒時(shí)的火焰高度與BOG 放空量之間呈線性變化的規(guī)律。不存在側(cè)風(fēng)時(shí)，BOG放空燃燒時(shí)的火焰高度與BOG 放空量之間呈非線性變化的規(guī)律。這主要是由于在BOG 放空量過小的時(shí)候，卷吸空氣不足，燃燒效果不好所導(dǎo)致的。

（2）通過對(duì)不同空氣伴流速度下的放空火焰高度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)針對(duì)高架火炬燃燒效果不佳的問題，我們可以通過引入適當(dāng)?shù)目諝獍榱鱽斫鉀Q。即便是在有側(cè)風(fēng)的情況下，也可引入空氣伴流來降低火焰歪斜程度，提升燃燒時(shí)火焰的穩(wěn)定性。

（3）隨著國(guó)內(nèi)LNG 接收站建設(shè)數(shù)量越來越多，并且接收站運(yùn)營(yíng)規(guī)模也再不斷提升，放空火炬設(shè)施的處理規(guī)模也隨之增大，故而建議應(yīng)用燃燒仿真的方式處理放空量的計(jì)算問題，能夠更加準(zhǔn)確便捷地進(jìn)行定量分析。