ООО «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.

По заказу компании «Ленгипронефтехим» специалисты «МЦД» выполнили численное моделирование системы паровой защиты технологических печей нефтеперерабатывающего производства для комплекса глубокой переработки нефти на ООО «Ильский НПЗ».

Целью исследования был анализ влияния вносимых в конструкцию системы паровой защиты изменений с целью оптимизации ее параметров.

Имеющиеся правила проектирования подобных систем защиты оформлены в виде стандарта. Они построены на упрощенном представлении о характере распространения парообразной среды. Для оптимизации параметров работы системы защиты и более точного описания процесса движения пара, его взаимодействия с окружающим воздухом и элементами конструкции выполнялось численное моделирование с учетом теплообмена, турбулентности и трехмерного характера течения. Полученные данные дали наглядное представление об эффективности изменений, вносимых в конструкцию, и позволили сделать вывод об оптимальном соотношении проектных параметров.

Для анализа эффективности и оптимизации работы критически важной с точки зрения безопасности системы паровой защиты технологических печей специалисты «МЦД» использовали современный инструментарий численного моделирования. Первичный анализ позволил выявить недостатки исходной конструкции системы паровой защиты в части обеспечения целостности и однородности паровой завесы. Как показали полученные результаты, данные параметры парового слоя являются ключевыми для обеспечения его непроницаемости газообразными продуктами, представляющими угрозу воспламенения и взрыва.

В работе проводилось численное моделирование многокомпонентных течений воздуха и водяного пара, поступающего из отверстий коллектора в виде струй. В расчетах варьировалось расположение отверстий выхода пара (углы наклона отверстий выхода пара). Расчеты проводились на сетках различных типов (структурированные, неструктурированные) и разрешающей способности (количества элементов на единицу объема). Решалась задача сходимости по сетке, т.е. независимости решения от изменения параметров вычислительной сетки.

Необходимость анализа большого количества вариантов конструкции и режимных параметров в ограниченные сроки приводят к стремлению максимально снизить пространственную размерность задачи, сократить расчетную область, выделив симметричный или периодический фрагмент реального физического пространства. В данном случае имелась возможность анализировать работу паровой защиты на основе периодической постановки, что позволило сократить вычислительные и временные затраты на два порядка по сравнению с анализом всей геометрии.

На основе многовариантных расчетов исследовалось поле концентрации водяного пара и других газодинамических параметров в окрестности коллектора и в зоне пода печи. Полученные решения показали соответствие случаям, когда течение уже вышло на установившейся режим (время t→∞) и когда процесс рассматривается в нестационарной динамике.

Также рассматривалось влияние на эффективность работы паровой защиты внешних факторов, таких как температура окружающего воздуха и ветер. Конкретные значения температуры и параметров ветра брались из справочника с учетом географии предполагаемого расположения исследуемого объекта.

Важным моментом был сценарий распространения в области исследования опасной газообразной компоненты, которая несет угрозу возгорания и взрыва. В качестве такой компоненты рассматривался пропан.

Анализ распространения пропана в условиях работающей паровой защиты подтвердил правильность выводов о ее эффективности, сделанных ранее на основе распределений массовой доли и линий тока для модифицированного варианта конструкции. Полученные в этом исследовании результаты дали также наглядное представление о поле концентрации опасной компоненты в подпечном пространстве в случае, если паровая защита работает не эффективно.

Определение динамических (временных) характеристик системы паровой защиты для трех вариантов конструкции проводилось на основе нестационарного моделирования динамики формирования паровой завесы. При этом рассматривалось развитие течения водяного пара во времени с самого начала работы системы паровой защиты – момента истечения струй из отверстий коллектора.

Обе постановки, и стационарная, и нестационарная показали эффективность варианта конструкции с одинаковой ориентацией отверстий основного и дополнительного рядов. В таких условиях наблюдается максимальная однородность парового слоя, способность эжектировать внешнюю среду и эффективно уводить ее вверх и далее вдоль боковой поверхности печи. При этом смешение пара и окружающей внешней среды оказывается минимальным.