Моделирование системы паровой защиты технологических печей нефтеперерабатывающего производства

О проекте

  • Моделирование системы паровой защиты технологических печей нефтеперерабатывающего производства
  • ООО «Ленгипронефтехим»
  • Нефтегаз
  • 2015 год

Моделирование системы паровой защиты технологических печей нефтеперерабатывающего производства

«Ленгипронефтехим» – Санкт-Петербургский институт по проектированию предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Ведущий проектный институт России — был основан в 1945 году. На протяжении 70-ти с лишним лет он занимается развитием отечественной и зарубежной нефтепереработки и нефтехимии, во многом определяя топливную стратегию страны.

В 2015 году по заказу компании «Ленгипронефтехим» специалисты «МЦД» выполнили полномасштабное пространственное моделирование системы паровой защиты технологических печей нефтеперерабатывающего производства для технического перевооружения с частичной заменой оборудования установки ЭЛОУ-АВТ-6.

В ходе работы инженеры использовали такие программные продукты, как Ansys Design Modeler и Ansys Fluent.
Для детального и всестороннего анализа пространственной картины течения в ближней зоне рассматривалась полная модель печи. В такой поставке имелась возможность учесть и исследовать поворотные участки коллектора паровой защиты, влияние расположения различных элементов подпечного пространства (опоры печи, воздухозаборные окна горелочных устройств).

Полная модель также позволила корректно учесть особенности обтекания конструкции внешним атмосферным потоком, который может двигаться под произвольным углом, создавая зоны рециркуляции, ускорения и области аэродинамической тени. Все эти факторы способны существенно влиять на эффективность паровой защиты как положительным образом, так и отрицательным.
Целью работы инженеров «МЦД» было выполнение полномасштабного пространственного моделирования системы паровой защиты в конструктивном исполнении, соответствующем оптимальной заградительной способности.

Предварительным этапом перед рассмотрением работы паровой защиты в условиях полной пространственной геометрии печи являлось дополнительное исследование сочетания геометрических характеристик элементов конструкции защиты, которые бы обеспечивали наилучшие показатели заграждающей способности.

Судить об эффективности того или иного из рассматриваемых вариантов можно на основе параметров поля течения, которое реализуется вблизи коллектора и преграды, а также по распределению концентрации водяного пара и дополнительного газообразного компонента, который включается в постановку задачи через внешнее граничное условие. Этим компонентом моделируется поступление извне взрывоопасного газа.

Моделирование выполнялось в периодической нестационарной постановке. Исследовался интервал времени от 0 до 15 секунд.

Линии тока и изоповерхность массовой доли пара вблизи коллектора для исходного варианта конструкции
Рисунок 1. Линии тока и изоповерхность массовой доли пара вблизи коллектора для исходного варианта конструкции

В соответствии с параметрами исходной геометрии в ходе моделирования инженерами были получены распределения скорости и температуры в центральной вертикальной плоскости, распределение водяного пара, а также линии тока для всей модели и вблизи коллектора паровой защиты.

Выбор наилучшего варианта конструкции элементов паровой защиты

Для определения наилучшего варианта с точки зрения обеспечения максимальной задерживающей способности был проведен дополнительный анализ нескольких конфигураций коллектора паровой зашиты с варьированием геометрических параметров. Была проанализирована картина линий тока, берущих начало на входной границе и поле концентрации опасного газа. В качестве опасной компоненты рассматривался бутан.

Оценка равномерности пароподвода коллектора при наличии одной точки ввода пара

В связи с уменьшением на коллекторе паровой защиты, расстояния между отверстиями и, соответственно, увеличением их общего числа, может сложиться ситуация роста неравномерности расхода пара через отверстия, расположенные вблизи точки подвода пара и на максимальном удалении от нее.

Для оценки степени неравномерности расхода пара была решена вспомогательная задача, в которой был рассмотрен только внутренний канал коллектора вместе с каналами отверстий выхода пара (в полной модели для сокращения ресурсозатрат присутствовали только каналы отверстий).

В результате было установлено, что неравномерность в расходах пара через отверстия на коллекторе составляет порядка 2%, что является вполне приемлемым для обеспечения равномерности работы паровой защиты по всему периметру печи.

Построение геометрической модели технологической печи и паровой защиты

Для построения полной модели комплекса паровой защиты и элементов технологической печи использовались ранее полученные данные об оптимальной конфигурации коллектора и преграды, а также чертежи, переданные заказчиком.

Модель строилась с использованием программного комплекса Ansys DesignModeler.

Отличительной особенностью построенной модели являлось сочетание малых масштабов, порядка нескольких миллиметров (диаметр отверстий выхода пара) и больших масштабов, порядка десятков метров (длина стороны печи, габариты расчетной области). Это влекло за собой определенные трудности при построении расчетной сетки.

В данном случае в модели имелась одна плоскость симметрии, проходящая через центр модели. Предполагалось, что присутствие взрывоопасной газовой компоненты могло быть только с одной из сторон, расположенных справа или слева от плоскости симметрии. В связи с этим необходимо было использовать целиком всю геометрическую модель.

Варианты сеточной структуры для полной модели печи, вид с угла на печь и комплекс паровой защиты. Блочно-структурированная сетка (а), неструктурированная полиэдральная сетка (б)
Рисунок 2. Варианты сеточной структуры для полной модели печи, вид с угла на печь и комплекс паровой защиты. Блочно-структурированная сетка (а), неструктурированная полиэдральная сетка (б)

Пространственное нестационарное моделирование полной модели паровой защиты

В рамках полной модели в условиях присутствия газообразной компоненты, представляющей угрозу воспламенения и взрыва (бутан) было выполнено нестационарное моделирование работы паровой защиты. Использование нестационарной постановки связано с задачей моделирования естественной эволюции процесса распространения паровой компоненты и компоненты бутана.

Помимо утвержденного модифицированного варианта конструкции паровой защиты в рамках полной модели рассмотрен вариант конструкции защиты, спроектированный в соответствие с ГОСТ Р 12.3.047-2012. Отличительными особенностями этого варианта являлись: увеличенная высота перегородки перед коллектором от нулевой отметки, отверстия ориентированы вертикально наверх.

В ходе тестовых расчетов проводилось сопоставление двух расчетных сеток: блочно-структурированной и неструктурированной полиэдральной. Результаты сопоставления показали, что более предпочтительным являлся вариант использования неструктурированной полиэдральной сетки.

Линии тока, идущие в расчетную область от границ с присутствием бутана. Вид сверху. Модифицированный вариант конструкции
Рисунок 3. Линии тока, идущие в расчетную область от границ с присутствием бутана. Вид сверху. Модифицированный вариант конструкции

Расположение фрагмента входной границы, с которого происходил запуск линий тока, было выбрано приблизительно по центру внешней стороны расчетной области.

В таком виде картина линий тока близко соответствовала результатам, полученным для периодического фрагмента. При подаче линий тока узким слоем и в случае модифицированного варианта конструкции, и для конструкции, выполненной по ГОСТ наблюдалась ситуация, при которой все линии тока отклонялись паровым струями и уходили вертикально вдоль боковой стенки печи, без проникновения под печь.

В результате расчетов было получено распределение массовой доли бутана в окрестности окон забора воздуха для горелочных устройств для двух вариантов конструкции. В обоих вариантах наибольшая концентрация бутана в области воздухозаборных окон наблюдалась с тех сторон, где происходило его поступление в моделируемое пространство.

Как стало видно из распределений концентрации бутана, на значение массовой доли взрывоопасного газа существенно влияет ориентация окон забора воздуха.

По результатам выполненных расчетов были построены изоповерхности значений массовой доли бутана. Они позволили наглядно проанализировать форму и положение фронта концентрации взрывоопасного газа в подпечном пространстве.

Распределение массовой доли бутана вблизи окон забора воздуха горелочных устройств. Вариант конструкции в соответствие с ГОСТ
Рисунок 4. Распределение массовой доли бутана вблизи окон забора воздуха горелочных устройств. Вариант конструкции в соответствие с ГОСТ

Модифицированный вариант конструкции паровой защиты и вариант, соответствующий ГОСТ, в целом, продемонстрировали близкие показатели степени задержания бутана.

Также было рассчитано распределение водяного пара вблизи окон забора воздуха для горелочных устройств. Для двух рассмотренных вариантов конструкции данное распределение имело существенные различия. Повышенная концентрация пара под печью в варианте, соответствующем ГОСТ, объяснялась бóльшей задерживающей способностью преграды, расположенной перед коллектором.

Распределение водяного пара имело достаточно равномерный характер между воздухозаборными окнами как для модифицированного варианта, так и для варианта по ГОСТ.

Таким образом, с помощью современного инструментария численного моделирования инженерами «МЦД» был выполнен анализ эффективности и оптимизации работы критически важной с точки зрения безопасности системы паровой защиты технологический печей.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00