基于FLARESIM模拟的LNG接收站高架火炬设计选型研究

赵虎

(中国石油天然气管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)

火炬系统是以符合环保要求的方式安全处理石油化工厂、炼油厂及其他工厂或者装置无法回收的可燃、有毒气体的燃烧设施[1-3]。火炬是LNG接收站的重要设施,在安全生产方面起到重要作用[4-5]。行业内较多使用的火炬形式为高架火炬和封闭式地面火炬[6-8]。就LNG接收站高架火炬设计选型进行分析研究。高架火炬是为减少热辐射强度和有助于扩散将火炬头安装在地面之上一定高度的火炬[9],从规范的定义中解读高架火炬的两个主要特点一是减少热辐射强度,二是有助于扩散。在LNG接收站高架火炬设计中,为了满足规范要求,提高设计选型能力和准确度,需要落实火炬系统的处理能力及风向、风速、湿度等输入条件[10-12]。通过阐述LNG接收站火炬系统最大排放量的工况选型方法,以某沿海接收站为例,基于FLARESIM软件对高架火炬进行设计计算,并结合接收站内及周边环境热辐射值复核火炬高度。

1 火炬处理能力选型工况

LNG接收站火炬系统用于收集超压泄放的介质并进行处理,其中LNG储罐安全阀、气化器安全阀直接通向大气,其泄放量不计入火炬系统处理能力计算。由于接收站火炬能力选型工况较为复杂,在确定火炬设计能力时,依据GB 51156—2015,火炬系统应满足下列工况中可能产生的最大排放量,在确定排放量时,应考虑火灾、液化天然气储罐的超压排放、设备故障、公用工程故障、开停车和检维修工况,但不应考虑任意两种工况的叠加[13]。

确定泄放量时,储罐区和工艺区分别按照以下事件发生的可能性确定其单一事件引起的最大泄放量:

(1)LNG储罐系统超压,蒸发气总管压力控制阀打开,过量蒸发气排放至火炬系统;

(2)LNG接收站内工艺安全阀起跳,超压气体泄放至蒸发气总管,导致总管超压后,蒸发气总管压力控制阀打开,超压气体排放至火炬系统[14-16]。

一般LNG储罐超压排放作为火炬处理能力的选型工况,根据GB 51156—2015,结合实际运行情况,需考虑以下各事件的可能组合所导致的超压排放量中较大者来确定储罐系统的最大泄放量:

(1)LNG储罐漏热;

(2)大气压的降低引起的蒸发气排放量;

(3)低压输送泵输送LNG,用于冷循环引起的LNG气化量;

(4)卸船充装时的置换和闪蒸;

(5)火灾;

(6)循环保冷管线漏热引起的LNG气化量;

(7)控制阀失效故障开。

其中储罐补气阀的最大流量按下列工况进行组合计算:

(1)大气压升高;(2)泵抽出最大流量;(3)蒸发气压缩机抽出最大流量。同时需要注意补气阀失效引起的储罐超压泄放量,考虑控制阀门在全开时的最大通过能力要大于正常流量,其阀门全开时泄放量建议按设计工况的1.2倍计算。

通过对上述各个事件产生的蒸发气量进行计算,综合考虑各事件可能组合,LNG储罐漏热是持续发生的[17-18],一般最大泄放量的事件组合为储罐漏热+大气压降低+控制阀失效或储罐漏热+大气压降低+卸船充装时的置换和闪蒸,最终确定储罐系统最大泄放量。

2 高架火炬模拟计算

以福建沿海某LNG接收站为例,其设计规模为600×104t/a,建设6座20×104 m3LNG全容式储罐,以及配套的工艺设施、公用工程设施和辅助生产设施。建设1座可靠泊8～26.6×104m3LNG运输船的专用泊位,并在远期新增一座8～26.6×104m3LNG接卸泊位。

根据GB 51156—2015、GB/T 22724—2008和GB/T 20368—2012,需考虑各事件的可能组合所导致的超压排放量中较大者来确定储罐系统的最大泄放量,各事件工况分析如下:

(1)事件1:大气压降低:当LNG储罐的压力等于储罐的最大操作压力时,大气压迅速下降会导致LNG储罐内气相空间超压,从而火炬总管压力控制阀(开启压力为26 kPa(G))打开使BOG气体排出。根据GB 51156—2015,大气压降低会产生以下2方面的影响:一是导致LNG储罐内气相空间的气体膨胀,从而排出气体;二是大气压力降低导致储罐内绝对压力降低,储罐内表层LNG液体过热闪蒸导致BOG产生量增加。

由于缺少大气压变化速率数据,根据规范可取大气压变化速率为2 000 Pa/h。考虑到接收站LNG储罐不可能全部处于最低液位,所有LNG储罐均按20%液位计算大气压下降引起的气体泄放量。

(2)事件2:低压输送泵循环引起的LNG气化量:考虑1台低压输送泵在额定流量下进行循环操作。根据规范用于循环的低压输送泵的能量全部传输给LNG并使其气化。根据低压泵工艺数据表,低压输送泵的电机功率按220 kW进行计算。

(3)事件3:卸船体积置换和闪蒸:考虑当地大气压为101 325 Pa、BOG压缩机不工作及无天然气外输的情况下,卸船体积置换量及闪蒸量(包括卸船时接收LNG的 管路系统的吸热引起的气化量,包含储罐漏热蒸发的BOG量)。确定工况后,结合HYSYS模拟计算该事件下的BOG量。

(4)事件4:外部火灾:虑2座相邻LNG储罐因外部火灾引起的BOG排放量。根据规范,对于大型储罐,与火焰接触的湿表面积高度为9.15 m。考虑火灾发生在2座储罐中间,每座储罐有一半的表面积受到火灾影响,计算该工况下产生的BOG量。

(5)事件5:控制阀失效:本项目每座储罐配置一个破真空补气控制阀,事件5考虑一个补气阀失效引起的储罐超压泄放。单座储罐设置控制阀有利于降低阀门失效产生的泄放量。

根据规范每个储罐补气阀的最大流量按下列工况进行组合计算:

①罐内低压泵抽出最大流量;

②蒸发气压缩机抽出最大流量;

③大气压升高。

(6)事件6:储罐漏热:计算因环境漏热引起的单座20万m3的LNG储罐的气化量。

根据火炬系统处理能力选型计算,本工程的火炬选型工况为储罐漏热+大气压降低+卸船充装时的置换和闪蒸,火炬系统最大超压泄放量为176 483 kg/h(富液),考虑到火炬总管压力控制阀门故障全开,其泄放量为正常流量的1.2倍,圆整后火炬系统的设计流量为215 000 kg/h,确定一次建成处理能力为215 t/h的火炬及配套设施。

2.1 设计输入

根据火炬系统处理能力进行火炬设计,结合建设地环境气象参数及LNG物性参数等,进行基础数据输入。包括大气压力、环境温度、相对湿度、风速、LNG组分等。本次对以下工况进行计算:

(1)风速6.6 m/s(平均风速),事故工况不考虑太阳热辐射;

(2)风速33.9 m/s(极大风速),事故工况不考虑太阳热辐射。

同时考虑开车工况,该工况计算条件如下:

风速7.8 m/s(最大月平均风速),开车工况,太阳热辐射强度为1.04 kW/m2。

由于开车工况无法确定具体泄放量,本次火炬高度根据事故工况下最大泄放量计算,确定火炬高度后在满足热辐射及噪音要求的基础上,对开车工况泄放量进行核算,并对开车工况提出泄放量控制要求。

2.2 火炬尺寸及高度计算

根据石油化工可燃性气体排放系统设计规范,高架火炬允许热辐射强度要求如表1。

表1 高架火炬允许热辐射强度表

全厂紧急事故最大排放工况火炬头产生的地面噪音应小于等于115 dB。

全厂紧急事故最大排放工况火炬头出口的马赫数应小于等于0.5。

以高架火炬为坐标原点,结合接收站内总平面布置及周边主要环境影响因素,设置3个主要接受点,分别为厂内距离火炬最近的生产装置区、海上养殖场、火炬底部设施,对照上表设置允许辐射强度分别为3.2,1.58,9.00 kW/m2。

通过调试高架火炬直径和高度,使其满足上述要求,通过计算,高架火炬筒体直径为40”,不同工况下火炬计算高度如表2。

表2 火炬高度计算结果

对工况2计算结果圆整得火炬设计高度为90 m。火炬热辐射强度阈值范围见表3,火炬噪声阈值范围见表4,火炬周边重要设施热辐射强度见表5,火炬热辐射强度平面包络线图(地面以上2 m)见图1,火炬热辐射强度立面包络线图见图2。

图1 火炬热辐射强度平面包络线图(地面以上2m)

图2 火炬热辐射强度立面包络线图

表3 火炬热辐射强度阈值范围

表4 火炬噪声阈值范围

表5 开车工况泄放量核算

根据计算结果,厂内距离火炬最近的生产装置区、海上养殖场、火炬底部设施热辐射强度分别为3.06,1.07,3.83 kW/m2,噪音均低于90 dB,满足要求。

根据上述计算,火炬高度为90 m,取最大月平均风速为7.8 m/s时,考虑太阳辐射的情况下对开车工况进行核算。结合规范要求,以2 m高度任意范围热辐射强度为1.58 kW/m2核算开车工况泄放量,结果见下表5。

此外,根据高架火炬计算高度,还应分析火炬故障时,泄放气体的扩散浓度。该工况下无法将泄放气体点燃,可燃气体在环境工况下发生扩散,其可燃气体落地浓度应低于其爆炸下限的50%。

2.3 火焰辐射温度影响评估

根据计算,可以输出高架火炬火焰在三维空间的温度分布,通过对该风速和风向下火焰长度和火炬温度在空间上的分布,评估不同观测点的温度分布如图3～4,以避免操作及运行人员出现高温灼伤。其中火炬根部地面温度约为52 ℃,距离火炬最近的生产装置区地面温度约为36 ℃。

图3 高架火炬火焰三维视图

图4 下风向火炬温度分布图

3 结论

(1)不同工况组合会影响LNG接收站火炬系统处理能力计算,进而影响火炬选型,一般最大泄放量的事件组合为储罐漏热+大气压降低+控制阀失效或储罐漏热+大气压降低+卸船充装时的置换和闪蒸。

(2)基于FLARESIM软件能够对LNG接收站高架火炬进行选型设计,能够对观测点的热辐射值、噪声值及辐射温度等进行有效的评估和计算,对实际操作运行具有较强的指导意义。

(3)在高架火炬模拟计算过程中,确定火炬参数后,还应对开车工况进行核算,提出泄放量控制要求,此外,对火炬故障工况下可燃气体落地浓度的核算也是必要的。