封閉式地面火炬多點(diǎn)射流火焰高度研究

火炬是石化公司的重要安全對(duì)策之一。它的功能是將產(chǎn)生的燃料氣體在非正常和緊急條件下通過(guò)燃燒處理，以避免設(shè)備的過(guò)度壓力?；鹁嬉话惴譃楦呒芑鹁妗⒎忾]式地面火炬和開(kāi)放式地面火炬。與高架火炬相比,封閉式地面火炬具有燃盡率高、占地面積小、無(wú)光污染、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)得到廣泛的應(yīng)用,其安全問(wèn)題也得到越來(lái)越多的關(guān)注。典型的封閉式地面火炬系統(tǒng)包括一個(gè)金屬筒壁所圍成的圓柱筒體,筒體外設(shè)有一圓柱形的防風(fēng)墻,筒體底部開(kāi)有多個(gè)空氣入口,筒體內(nèi)設(shè)有幾十甚至上百個(gè)燃燒器,火炬泄放時(shí)火焰在筒體內(nèi)部燃燒。筒體高度是地面火炬安全設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的參數(shù)之一,若筒體高度設(shè)置過(guò)低,火焰躥出筒體,則可能對(duì)周邊裝置及人員造成損傷,而筒體設(shè)置過(guò)高,則將增加投資成本。國(guó)外學(xué)者對(duì)射流擴(kuò)散火焰高度進(jìn)行了大量的研究,但主要針對(duì)高架火炬的單點(diǎn)火焰高度,目前尚無(wú)相關(guān)的火焰高度計(jì)算方法,在對(duì)封閉式地面火炬筒體高度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)多依靠經(jīng)驗(yàn)。由于筒體高度設(shè)計(jì)不當(dāng),近年來(lái)多座地面火炬發(fā)生了火焰躥出筒體的事故,如圖1所示,對(duì)裝置及人員造成威脅,并受到周邊居民的關(guān)注及投訴。開(kāi)展火焰高度研究具有重要的意義。1地面火炬燃燒過(guò)程相關(guān)高度G.R.Kent采用小直徑管道在靜止的空氣中對(duì)火焰長(zhǎng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:當(dāng)馬赫數(shù)大于0.2時(shí),火焰長(zhǎng)度不再隨流速的增加而變化,約等于氣體出口管徑的118倍。Schwanecke對(duì)不同馬赫數(shù)下的火焰高度進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:馬赫數(shù)小于0.15時(shí),火焰長(zhǎng)度與燃燒速度的0.5次方成正比;馬赫數(shù)在0.15~0.35時(shí),火焰長(zhǎng)度與燃燒速度成正比,與泄放口直徑的平方成反比;馬赫數(shù)大于0.35時(shí),火焰長(zhǎng)度為氣體出口直徑的120倍。Fabig給出與燃燒功率正相關(guān)的火焰高度計(jì)算公式。Brzustowski研究得出泄放氣體在側(cè)向風(fēng)作用下射流擴(kuò)散燃燒的火焰長(zhǎng)度計(jì)算方法。Honda研究結(jié)果認(rèn)為,馬赫數(shù)小于0.12時(shí),火焰高度與燃?xì)獾鸟R赫數(shù)及泄放口管徑成正比。上述研究都針對(duì)開(kāi)放空間的單點(diǎn)射流擴(kuò)散火焰,對(duì)于封閉式地面火炬,筒體內(nèi)通常設(shè)有幾十甚至上百個(gè)燃燒器,燃料通過(guò)多個(gè)燃燒器噴入靜止環(huán)境中,各燃燒器的火焰相互粘連,火焰形態(tài)及高度均與單個(gè)燃燒器相差較大。地面火炬內(nèi)的燃燒過(guò)程處于受限空間中,空氣流動(dòng)有別于開(kāi)放空間,火炬筒體的煙筒效應(yīng)對(duì)燃燒過(guò)程也有影響,該過(guò)程屬受限空間內(nèi)的多點(diǎn)射流擴(kuò)散火焰燃燒,較為復(fù)雜,目前還缺少對(duì)封閉式地面火炬多點(diǎn)燃燒過(guò)程的研究。由于封閉式地面火炬的處理量通常為每小時(shí)幾十噸至上百?lài)?很難開(kāi)展工業(yè)實(shí)驗(yàn)。筆者采用CFD模擬的方法研究地面火炬的多點(diǎn)射流火焰高度。為了驗(yàn)證CFD模型的準(zhǔn)確性,開(kāi)展了封閉式地面火炬小試實(shí)驗(yàn)。2cpd模型在地面燃燒過(guò)程中的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2.1fairw東南角的熱輻射模型采用迪卡爾坐標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型。發(fā)生泄放事故時(shí),大量火炬氣通過(guò)封閉式地面火炬燃燒器上的小孔流出,流速可達(dá)100m/s,屬于湍流流動(dòng)。為了描述湍流,采用工程中應(yīng)用最為廣泛的k-ε雙方程模型。燃燒模型采用Magnussen提出的渦耗散模型(EddyDissipationModel)。該模型假設(shè)燃燒化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)快于湍流混合速率,即湍流燃燒過(guò)程由燃料和氧化劑的混合過(guò)程控制。對(duì)于火災(zāi)研究,該模型已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到廣泛的應(yīng)用。熱輻射計(jì)算采用離散傳遞模型(DiscreteTransferModel,DTM),其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且適用計(jì)算對(duì)象的尺度范圍較大。對(duì)于CFD模擬,無(wú)法直接通過(guò)人眼觀察確定火焰高度,必須對(duì)火焰高度進(jìn)行定義,常用的是溫度法:用某一溫度等值面作為火焰的輪廓,得到火焰高度。對(duì)于溫度的取值,Fairweather研究認(rèn)為可以采用1200K的溫度等值面描述火焰的輪廓,確定火焰高度。研究中采用CFD的方法計(jì)算封閉式地面火炬實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的溫度場(chǎng),以1200K溫度等值面作為火焰輪廓判據(jù),獲得火焰高度。2.2地面火炬內(nèi)溫度場(chǎng)測(cè)定為了驗(yàn)證CFD模型的準(zhǔn)確性,搭建了封閉式地面火炬實(shí)驗(yàn)裝置,如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置地面火炬筒體直徑0.5m,筒體高度3.0m,筒體上設(shè)有視窗,筒體內(nèi)壁設(shè)有刻度標(biāo)尺,地面火炬內(nèi)設(shè)置10支孔直徑為8mm的燃燒器,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為丙烷。實(shí)驗(yàn)采用可視火焰高度,即指人眼看到的火焰高度。一般由訓(xùn)練有素的觀察者直接觀察,從一系列瞬時(shí)火焰長(zhǎng)度照片中取可視火焰的長(zhǎng)度的平均值。實(shí)驗(yàn)時(shí)先點(diǎn)燃長(zhǎng)明燈,然后打開(kāi)燃料氣,調(diào)節(jié)流量到設(shè)定值,待流量穩(wěn)定后,通過(guò)視窗觀察并記錄火焰高度;然后增大燃料氣流量,重復(fù)實(shí)驗(yàn),獲得泄放量為8、16、20、24m利用CFD軟件,建立實(shí)驗(yàn)裝置的CFD模型,對(duì)上述實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行CFD模擬,得到地面火炬內(nèi)的溫度場(chǎng)。圖3給出了實(shí)驗(yàn)裝置處理量為16m3標(biāo)準(zhǔn)通用密封火焰高度cfd模擬3.1防風(fēng)墻設(shè)計(jì)計(jì)算域采用KFX軟件建立了1∶1的某典型封閉式地面火炬的三維模型,如圖5所示。該封閉式地面火炬筒體高度35m,筒體直徑9m,防風(fēng)墻直徑13m,高度6m,設(shè)計(jì)處理量60t/h。計(jì)算域選400m×300m×200m,可以保證封閉式地面火炬周邊的流場(chǎng)充分發(fā)展,不會(huì)被計(jì)算域的邊界影響。網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格,在燃燒器附近及溫度梯度變化較大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密,在距地面火炬較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行拉伸,總網(wǎng)格數(shù)約200萬(wàn)。3.2地面火炬火焰高度隨泄氣量的變化對(duì)該典型封閉式地面火炬泄放量為10、20、30、45、60t/h時(shí)的火炬燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬,得到地面火炬筒體內(nèi)的溫度場(chǎng)。模擬得到泄放量為10t/h時(shí),封閉式地面火炬內(nèi)的1200K等值面,如圖6所示?？梢钥闯?泄放量為10t/h時(shí)地面火炬內(nèi)的火焰較低,主要處于筒體下部,火焰未接觸到筒體內(nèi)壁面,火焰高度為10.5m。模擬得到泄放量為20t/h時(shí)封閉式地面火炬內(nèi)的1200K等值面,如圖7所示?？梢钥闯?隨著泄放量的增大,地面火炬火焰寬度有所增大,但仍與筒壁有一定距離;隨著泄放量的增加,火焰高度增大,達(dá)到14m。模擬得到泄放量為30t/h時(shí)封閉式地面火炬內(nèi)的1200K等值面,如圖8所示。與泄放量為20t/h時(shí)相比,泄放量為30t/h時(shí)的火焰明顯變寬,但火焰高度變化不大。此時(shí),地面火炬的火焰高度為14.5m。這是由于地面火炬第三級(jí)控制閥開(kāi)啟,更多的燃燒器參與燃燒,火焰寬度變寬。而此時(shí)泄放量較小,地面火炬內(nèi)的空氣充足,火炬氣經(jīng)燃燒器高速?lài)姵龊?卷吸空氣的能力較強(qiáng),可以與空氣快速混合,火焰高度仍然較低。模擬得到泄放量為45t/h時(shí),封閉式地面火炬內(nèi)的1200K等值面,如圖9所示。此時(shí),地面火炬第四級(jí)泄放控制閥開(kāi)啟,第四級(jí)燃燒器參與燃燒?？梢钥闯?火焰寬度繼續(xù)增大,但仍未到達(dá)筒體內(nèi)壁面。隨著泄放量增大,地面火炬中心區(qū)域空氣濃度降低,泄放氣從中心區(qū)域燃燒器噴射出后需要更長(zhǎng)的時(shí)間與空氣充分混合形成可燃?xì)怏w,地面火炬的火焰高度繼續(xù)增大,達(dá)到21m。模擬得到泄放量為60t/h時(shí),封閉式地面火炬內(nèi)的1200K等值面,如圖10所示。此時(shí),地面火炬各級(jí)泄放控制閥均開(kāi)啟,所有燃燒器均參與燃燒?？梢钥闯?此時(shí)火焰繼續(xù)變寬,接近地面火炬筒體內(nèi)壁,可能會(huì)對(duì)筒體造成影響。此時(shí),火焰明顯增高,出現(xiàn)火焰躥出筒體的現(xiàn)象。這是由于火炬氣泄放量大,地面火炬的配風(fēng)能力不足,中心區(qū)域空氣不足,燃料氣無(wú)法在筒體內(nèi)完全燃燒造成的。出現(xiàn)火焰躥出筒體事故時(shí),火炬熱輻射可能對(duì)周邊裝置及人員造成損傷,應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。此外,還可以通過(guò)優(yōu)化封閉的地面火炬配風(fēng)能力、改用低火焰燃燒器、對(duì)上游裝置的泄放進(jìn)行優(yōu)化、降低泄放量等措施,避免火焰躥出筒體事故。4cfd模擬結(jié)果采用計(jì)算流體力學(xué)的方法建立了封閉式地面火炬多點(diǎn)射流擴(kuò)散燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。搭建了封閉式地面火炬小試實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)研究了不同泄放量下的火焰高度。對(duì)封閉式地面火炬小試實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了CFD模擬,模擬得到的地面火炬多點(diǎn)射流火焰高度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了數(shù)