基于FLARESIM模擬的LNG接收站高架火炬設計選型研究

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、有毒氣體的燃燒設施[1-3]。火炬是LNG接收站的重要設施,在安全生產方面起到重要作用[4-5]。行業(yè)內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接收站高架火炬設計選型進行分析研究。高架火炬是為減少熱輻射強度和有助于擴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度,二是有助于擴散。在LNG接收站高架火炬設計中,為了滿足規(guī)范要求,提高設計選型能力和準確度,需要落實火炬系統的處理能力及風向、風速、濕度等輸入條件[10-12]。通過闡述LNG接收站火炬系統最大排放量的工況選型方法,以某沿海接收站為例,基于FLARESIM軟件對高架火炬進行設計計算,并結合接收站內及周邊環(huán)境熱輻射值復核火炬高度。

1 火炬處理能力選型工況

LNG接收站火炬系統用于收集超壓泄放的介質并進行處理,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處理能力計算。由于接收站火炬能力選型工況較為復雜,在確定火炬設計能力時,依據GB 51156—2015,火炬系統應滿足下列工況中可能產生的最大排放量,在確定排放量時,應考慮火災、液化天然氣儲罐的超壓排放、設備故障、公用工程故障、開停車和檢維修工況,但不應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;

(2)LNG接收站內工藝安全閥起跳,超壓氣體泄放至蒸發(fā)氣總管,導致總管超壓后,蒸發(fā)氣總管壓力控制閥打開,超壓氣體排放至火炬系統[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GB 51156—2015,結合實際運行情況,需考慮以下各事件的可能組合所導致的超壓排放量中較大者來確定儲罐系統的最大泄放量:

(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;

(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。

其中儲罐補氣閥的最大流量按下列工況進行組合計算:

(1)大氣壓升高;(2)泵抽出最大流量;(3)蒸發(fā)氣壓縮機抽出最大流量。同時需要注意補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計工況的1.2倍計算。

通過對上述各個事件產生的蒸發(fā)氣量進行計算,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,其設計規(guī)模為600×104t/a,建設6座20×104 m3LNG全容式儲罐,以及配套的工藝設施、公用工程設施和輔助生產設施。建設1座可靠泊8～26.6×104m3LNG運輸船的專用泊位,并在遠期新增一座8～26.6×104m3LNG接卸泊位。

根據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致的超壓排放量中較大者來確定儲罐系統的最大泄放量,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致LNG儲罐內氣相空間超壓,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GB 51156—2015,大氣壓降低會產生以下2方面的影響:一是導致LNG儲罐內氣相空間的氣體膨脹,從而排出氣體;二是大氣壓力降低導致儲罐內絕對壓力降低,儲罐內表層LNG液體過熱閃蒸導致BOG產生量增加。

由于缺少大氣壓變化速率數據,根據規(guī)范可取大氣壓變化速率為2 000 Pa/h?？紤]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行循環(huán)操作。根據規(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。根據低壓泵工藝數據表,低壓輸送泵的電機功率按220 kW進行計算。

(3)事件3:卸船體積置換和閃蒸:考慮當地大氣壓為101 325 Pa、BOG壓縮機不工作及無天然氣外輸的情況下,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,結合HYSYS模擬計算該事件下的BOG量。

(4)事件4:外部火災:慮2座相鄰LNG儲罐因外部火災引起的BOG排放量。根據規(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影響,計算該工況下產生的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氣控制閥,事件5考慮一個補氣閥失效引起的儲罐超壓泄放。單座儲罐設置控制閥有利于降低閥門失效產生的泄放量。

根據規(guī)范每個儲罐補氣閥的最大流量按下列工況進行組合計算:

①罐內低壓泵抽出最大流量;

②蒸發(fā)氣壓縮機抽出最大流量;

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。

根據火炬系統處理能力選型計算,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,圓整后火炬系統的設計流量為215 000 kg/h,確定一次建成處理能力為215 t/h的火炬及配套設施。

2.1 設計輸入

根據火炬系統處理能力進行火炬設計,結合建設地環(huán)境氣象參數及LNG物性參數等,進行基礎數據輸入。包括大氣壓力、環(huán)境溫度、相對濕度、風速、LNG組分等。本次對以下工況進行計算:

(1)風速6.6 m/s(平均風速),事故工況不考慮太陽熱輻射;

(2)風速33.9 m/s(極大風速),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:

風速7.8 m/s(最大月平均風速),開車工況,太陽熱輻射強度為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上,對開車工況泄放量進行核算,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

根據石油化工可燃性氣體排放系統設計規(guī)范,高架火炬允許熱輻射強度要求如表1。

表1 高架火炬允許熱輻射強度表

全廠緊急事故最大排放工況火炬頭產生的地面噪音應小于等于115 dB。

全廠緊急事故最大排放工況火炬頭出口的馬赫數應小于等于0.5。

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

通過調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 火炬高度計算結果

對工況2計算結果圓整得火炬設計高度為90 m?；鹁鏌彷椛鋸姸乳撝捣秶姳?,火炬噪聲閾值范圍見表4,火炬周邊重要設施熱輻射強度見表5,火炬熱輻射強度平面包絡線圖(地面以上2 m)見圖1,火炬熱輻射強度立面包絡線圖見圖2。

圖1 火炬熱輻射強度平面包絡線圖(地面以上2m)

圖2 火炬熱輻射強度立面包絡線圖

表3 火炬熱輻射強度閾值范圍

表4 火炬噪聲閾值范圍

表5 開車工況泄放量核算

根據計算結果,廠內距離火炬最近的生產裝置區(qū)、海上養(yǎng)殖場、火炬底部設施熱輻射強度分別為3.06,1.07,3.83 kW/m2,噪音均低于90 dB,滿足要求。

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

此外,根據高架火炬計算高度,還應分析火炬故障時,泄放氣體的擴散濃度。該工況下無法將泄放氣體點燃,可燃氣體在環(huán)境工況下發(fā)生擴散,其可燃氣體落地濃度應低于其爆炸下限的50%。

2.3 火焰輻射溫度影響評估

根據計算,可以輸出高架火炬火焰在三維空間的溫度分布,通過對該風速和風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 下風向火炬溫度分布圖

3 結論

(1)不同工況組合會影響LNG接收站火炬系統處理能力計算,進而影響火炬選型,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軟件能夠對LNG接收站高架火炬進行選型設計,能夠對觀測點的熱輻射值、噪聲值及輻射溫度等進行有效的評估和計算,對實際操作運行具有較強的指導意義。

(3)在高架火炬模擬計算過程中,確定火炬參數后,還應對開車工況進行核算,提出泄放量控制要求,此外,對火炬故障工況下可燃氣體落地濃度的核算也是必要的。