Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обеспечение промышленной безопасности химических производств при применении факельных установок 7
1.1. Общие положения 7
1.2. Основные требования, предъявляемые к факельным установкам, их классификация и устройство 12
1.3. Классификация и конструкция основных элементов факельных оголовков 16
1.4. Конструкции источников воспламенения и средств контроля, сигнализации наличия пламени дежурных горелок 27
1.5. Моделирование процессов горения 33
1.6. Выводы 43
Глава 2. Разработка и экспериментальное исследование ветрозащитных устройств 44
2.1. Разработка и описание новых экспериментальных моделей ветрозащитных устройств 44
2.2. Описание экспериментальной установки 49
2.3. Методика экспериментальных исследований 50
2.4 Оценка погрешности эксперимента 53
2.5. Результаты экспериментальных исследований ветрозащитных устройств 54
2.6. Выводы 77
Глава 3. Разработка, аналитическое и экспериментальное исследование запально - сигнализирующего устройства 79
3.1. Разработка и описание новых экспериментальных моделей средств контроля, индикации и сигнализации пламени дежурных горелок 79
3.2. Описание экспериментальной установки 83
3.3. Методика экспериментальных исследований 84
3.4 Оценка погрешности эксперимента 87
3.5 Аналитическое исследование запально-сигнализирующего устройства 90
3.6. Обработка результатов аналитических и экспериментальных исследований запально-сигнализирующего устройства 100
3.7. Методика расчета избыточного давления в линии топливного газа при использовании метана и смеси метан-пропан в качестве топливного газа на дежурной горелке 109
3.8. Выводы 115
Глава 4. Математическая модель горения факельной установки 117
4.1. Математическая модель горения факельной установки 117
4.2. Расчетная область и граничные условия 124
4.3. Выводы 128
Заключение 129
Список используемой литературы 132
Приложение 142
- Основные требования, предъявляемые к факельным установкам, их классификация и устройство
- Конструкции источников воспламенения и средств контроля, сигнализации наличия пламени дежурных горелок
- Результаты экспериментальных исследований ветрозащитных устройств
- Аналитическое исследование запально-сигнализирующего устройства
Введение к работе
В химических производствах перерабатывается и используется большое количество горючих, токсичных и взрывоопасных веществ. Технический прогресс и резкое увеличение доли сырьевых ресурсов, вовлеченных в промышленное производство, приводят к большому количеству выбросов вредных взрывопожароопасных и токсичных веществ в атмосферу. Предотвратить загрязнение окружающей среды токсичными горючими веществами, которые при этом преобразуются в экологически относительно безопасные продукты, позволяет сжигание сбросных газов на факельных установках, активно применяемые на многих химических, нефтехимических, нефтяных и многих других промышленных предприятиях.
В настоящее время существует большое многообразие исполнений факельных установок, которые широко используются в технологических процессах в различных отраслях промышленности. Разработчики факельных установок, как правило, ставят перед собой задачу по увеличению полноты сжигания сбросных газов, устойчивости работы факела при изменениях расхода, давления и состава сбрасываемого газа, снижению влияния сильных порывов ветра на процесс горения, усовершенствование средств розжига, средства контроля, индикации и сигнализации пламени дежурных горелок, а также предотвращению попадания взрывоопасных топливовоздушных смесей обратно в факельную систему.
Наиболее приоритетными направлениями модернизации факельных систем в настоящее время являются разработка новых и модернизация старых ветрозащитных устройств, средств розжига, средства контроля, индикации и сигнализации пламени дежурных горелок, а также нахождение оптимальных математических моделей для численного решения вышеизложенных проблем, которые позволяют снизить время и ресурсы, необходимые для проведения исследований на промышленных образцах.
5 Решению данных проблем и посвящена настоящая работа. Объектами исследований взяты новые, а также наиболее применяемые модели ветрозащитных экранов и их модификации, а также конструкция для розжига дежурных горелок «бегущий огонь», совмещающая в себе возможность одновременного контроля и индикации пламени дежурных горелок. Всё вышеизложенное определило изучение следующих вопросов:
1) Подтверждение правильности разработанной математической
модели турбулентного предварительно не перемешанного горения сбросных
газов на факельной установке, позволяющей рассчитывать различные
варианты ветрозащитных устройств при различных отношениях скоростей
обдува ветрового потока к скорости истечения газа, путем сравнения
результатов исследования экспериментальных моделей с результатами,
полученными в ходе решения математической модели, что позволит в
дальнейшем производить экспериментальное исследование на
математических моделях, не прибегая к экспериментальным исследованиям.
2) Разработка и исследование оптимальных ветрозащитных устройств
по условиям эффективности защиты оголовка от воздействия пламени, по
минимуму габаритов и веса.
Разработка и исследование сопел, устанавливаемых в дежурной горелке, которые обеспечивают рост избыточного давления в линии топливной смеси и позволяют выдавать надежный сигнал наличия пламени дежурной горелки посредством изменения давления в линии топливной смеси.
Определение аналитической и экспериментальной зависимости величины избыточного давления в линии топливной смеси при горении и без горения от величины избыточного давления газа на входе для экспериментальных моделей сопел.
5) Экспериментальное определение диапазона давлений газа на входе в
запально-сигнализирующий блок, внутри которого возможен стабильный
розжиг дежурной горелки без проскока и отрыва пламени.
6) Разработка методики выбора диаметра сопла для надежной индикации пламени дежурной горелки.
Основные требования, предъявляемые к факельным установкам, их классификация и устройство
Факельные установки должны выполнять следующие требования: 1) полнота сжигания, в результате которой исключается образование различных альдегидов, кислот и многих весьма вредных промежуточных продуктов; 2) Исключение образования сажи и дыма; 3) Безопасное воспламенение сбрасываемых на факел газов; 4) Устойчивость работы факела при изменениях расхода, давления и состава сбрасываемого газа; 5) Отсутствие яркого свечения; 6) Бесшумность; Самыми важными требованиями являются: полнота сжигания, безопасное воспламенение газов и устойчивость работы факельной установки. Приведем классификацию факельных установок по нескольким параметрам. [24] 1) По месту расположения факельные установки можно разделить на: -высотные; -наземные; Высотные факельные установки можно подразделить на: -средние (высота 4-25 м); -высокие (высота 25м); 2) По типу смешения горючего газа с кислородом факелы можно разделить на два типа: - факелы Бунзена, газ смешивается с воздухом предварительно и в горелку поступает уже готовая горючая смесь (процесс горения определяется скоростью химической реакции); - диффузионные факелы, горючий газ смешивается с кислородом воздуха во фронте пламени (процесс горения определяется скорость смешения горючего газа и кислорода); Хотя очень часто можно встретить факелы смешанного типа. 3)
По максимальному давлению сжигаемых газов факелы можно разделить на три типа: - низкого давления - избыточное давление сжигаемого газа не более 0,2 МПа; - высокого давления - избыточное давление сжигаемого газа более 0,2 МПа; -локальные аварийные - для обслуживания установок, работающих под низким давлением, исключающих прием газов в газгольдер, а также для сжигания сбрасываемых агрессивных газов; 4) Поскольку сбрасываемые газы сильно отличаются по температуре, давлению, молекулярной массе и содержанию воды, то факелы также классифицируют на: - сухая факельная установка - установка для сжигания сухих паров углеводородов с молекулярной массой не менее 45 г/моль и температурой ниже 0 С; - мокрая факельная установка - установка для сжигания горячих газов, содержащих тяжелые углеводороды и водяные пары; 5) По времени действия факельной установки: -постоянные; -периодические (отдельные периоды могут составлять несколько суток); Основными элементами (рисунок 1.1.2) современных факельных систем являются: - ствол факела (ствол, лестницы, обслуживающие площадки, подводящие трубопроводы и прочее); - факельный оголовок; - ветрозащитное устройство; - дежурные горелки; - система розжига; - средства контроля, индикации и сигнализации пламени дежурных горелок; - факельные трубопроводы; - средства, предотвращающие обратный поток взрывоопасной смеси обратно в трубу (газовые затворы);
Оголовок факельный предназначен для сжигания газов, поступающих на сброс. Оголовок снабжен системами розжига и дежурными горелками, которые должны гореть постоянно согласно «Правилам устройства и безопасной эксплуатации факельных систем» [25]. На факельном оголовке могут быть смонтированы дополнительные устройства для бездымного сжигания, устройства стабилизирующие процесс горения, огнепреградители для устранения обратного потока взрывоопасной смеси в факельную систему. В некоторых случаях для увеличения полноты сжигания предусматривают дополнительный ввод пара или воды в зону пламени, которые не должны вызывать погасания. Если скорость истечения сбросных газов меньше скорости ветра на уровне верхнего среза факельного оголовка, то факельная система дополнительно комплектуется ветрозащитными устройствами, которые снижают воздействия сильных порывов ветра на стабильность горения и предотвращают срыв пламени ветром. Ствол факела является несущей конструкцией и как правило содержит лестницы и обслуживающие площадки. Ствол соединен с факельными трубопроводами, которые предназначены для сбора факельных газов. Основным требованием, предъявляемым к факельным трубопроводам, является минимальное число изгибов и поворотов. На линии факельных трубопроводов может быть установлен сепаратор и гидрозатвор, если сбрасываемые газы содержат капли жидкости. Поскольку в правильно отрегулированной дежурной горелке пламя практически невидимо для человеческого глаза в светлое время суток, факельные системы содержат дополнительные средства контроля, индикации и сигнализации пламени дежурных горелок. Приоритетными направлениями модернизации факельных систем являются разработка новых и модернизация старых дежурных горелок, ветрозащитных устройств, средств розжига, средства контроля, индикации и сигнализации пламени дежурных горелок. [26-31]
Конструкции источников воспламенения и средств контроля, сигнализации наличия пламени дежурных горелок
Наиболее важными элементами, обеспечивающими безопасность и надежность работы факельных систем, являются источники воспламенения и средства контроля, сигнализации и индикации наличия пламени дежурных горелок. Зачастую упускают из внимания важность работы данных элементов, которые время от времени напоминают о себе своим функциональным отказом. Именно от надежности этих элементов зависит произойдет ли поджег сбрасываемых газов в аварийной ситуации и вовремя ли будет установлено погасание пламени дежурных горелок и приняты меры по очередному розжигу дежурных горелок. В современной промышленности активно применятся два метода розжига факельных систем и дежурных горелок: - при помощи электродов, вырабатывающих электрический разряд; - «бегущий огнь»; При розжиге факельных систем с помощью электродов (рис. 1.4.1) существует немало трудностей в обеспечении надежности и обслуживании. Электроды 3 с подводящими электричество проводами устанавливаются на уровне верхнего среза факельного оголовка 1 в специальном защитном стакане 2.
Электроды воспламенения находятся в зоне высоких температур, подвергаются коррозионному воздействию, данный факт приводит к частому выходу из строя подобных систем розжига и невозможности воспламенения сбросных газов в нужный момент. Для замены этих элементов необходимо останавливать работу факела, что приводит к невозможности функционированию факельной системы во время ремонта. [49, 50] Наиболее перспективными в последнее время являются разработки отечественных предприятии по внедрению технологии «бегущего огня»[51]. На рисунке 1.4.2 представлена схема розжига факельной системы с помощью «бегущего огня».
В факельную трубу 1 подается сбросной газ, в трубопроводах 2 подаются горючая и запальная смеси. Часть сбросного газа отводится с линии сброса и подводится в линии запальной и горючей смесей, где газ предварительно смешивается с воздухом. В линии запальной смеси установлена система розжига, которая поджигает горючую смесь. Пламя «бежит» по трубопроводу к факельной системе, где происходит розжиг линии горючей смеси. Данная конструкция не имеет недостатков вышеуказанного метода. Таким образом, удалив системы розжига из зоны высоких температур, обеспечивается простота в обслуживании, снижении времени замены вышедших из строя элементов и более высокая надежность работы факельной системы. Технология «бегущего огня» требует специальных навыков при пуско-наладочных работах.
В зарубежной практике широкое распространение нашел первый метод, тогда как в отечественной - второй метод розжига факельных систем. В последние годы в практике отечественных и зарубежных предприятий сложилась устойчивая тенденция к замене устаревших средств контроля, индикации и сигнализации пламени дежурных горелок факельных систем на вновь разработанные и модернизированные типы, которые обладают большей стабильностью работы, легкостью аппаратурной реализации, меньшими материальными затратами и меньшим процентом ложных срабатываний. При создании средств контроля и сигнализации пламени дежурных горелок факельных систем главенствующими целями являются: эффективность и надежность выдачи сигнала наличия пламени дежурных горелок защиты, своевременность сигнализации об отсутствие пламени дежурных горелок. Немаловажными требованиями являются простота технологии, доступность изготовления и низкие материальные затраты при изготовлении средств контроля и сигнализации пламени дежурных горелок, а также диапазон климатических условии для стабильной работы. Часто трудности изготовления и узкий диапазон погодных и климатических условии, при которых наблюдается эффективная и надежная работа средств контроля, заставляют отказаться от применения эффективных средств контроля наличия пламени, несмотря на все положительные качества. В последнее время нашли применение несколько вариантов сигнализаторов пламени дежурных горелок: -сигнализаторы пламени с использованием термопар; - сигнализаторы пламени с использованием ионизационных датчиков, установленных в дежурных горелках;
Результаты экспериментальных исследований ветрозащитных устройств
На рисунке 2.5.1 представлены экспериментальный снимок и результат моделирования Fluent. Поскольку видимы спектр излучения пламени дают углекислый газ, пары воды и азот, которые являются продуктами сгорания, при минимальной температуре 600 С, то на экспериментальный снимок переносится изолиния при температуре 873 К. Далее на представленных снимках все перенесенные линии являются изолиниями при температуре 873 К. Боковой обдув оголовка без ветрозащитного устройства приводит к опусканию пламени за трубой на расстояние до 4,53 наружных диаметров трубы (рис. 2.5.1). Наличие даже небольших зазоров между дисковыми ВЗУ и трубой в моделях ВЗУ-1 (рис. 2.1.6) и ВЗУ-2 (рис. 2.1.7) приводило к опусканию пламени под экран (рис. 2.5.2, 2.5.3). Причиной этого является засасывание несгоревшего газа через щели в зону разрежения под ВЗУ и его догорание в этой зоне.
При увеличении расхода истечения газа из факельной трубы размеры зоны горения на поверхности трубы под экранами увеличивались. Таким образом, наличие щелей между ветрозащитными экранами и поверхностью трубы являются недопустимыми. Установка плоского экрана на срезе факельной трубы - модель ВЗУ-2 (рис. 2.1.7) при отсутствии бокового ветра приводит к расплыванию пламени по большей части экрана (рис. 2.5.4). Установка дискового экрана у модели ВЗУ-2] (рис. 2.1.8) ниже среза факельной трубы на расстоянии 0,4 наружного диаметра факельной тубы приводит к устойчивой стабилизации пламени (рис. 2.5.5). При этом воздействие пламени на поверхность трубы под пластиной и нижнюю поверхность пластины практически отсутствовало.
У ветрозащитного устройства с коническим экраном, расширяющимся вверх ВЗУ-3 (отношение диаметра экрана к диаметру факельной трубы равным 1,5, рис. 2.1.9) происходило опускание пламени (рис. 2.5.6), а у ветрозащитного устройства ВЗУ-4 (отношение диаметра экрана к диаметру факельной трубы равным 2,4, рис. 2.1.10) - практически отсутствовало (рис. 2.5.7). Аналогичные результаты были. 2.5.10 На фотографиях далее представлены результаты исследований диодных ветрозащитных устройств, схемы которых даны на рисунках 2.1.14 -2.1.19. На рисунках 2.5.13 - 2.5.16 даны фотографии пламени для ВЗУ-8 (рис. 2.1.14), у которого днище расположено на срезе трубы. Возрастание скорости обдува ведет к все большему отклонению пламени, но ниже днища пламя опускается незначительно и только при самой большой скорости обдува.
Аналитическое исследование запально-сигнализирующего устройства
Аналитическое исследование запально-сигнализирующего устройства представляет собой расчеты величины избыточного давления в линии топливного газа при горении и без горения дежурной горелки для шести экспериментальных сопел в диапазоне избыточного давления на входе в блок запально-сигнализирующий от 0,01 до 0,15 МПа. Расчет величин избыточного давления в линии топливного газа без горения дежурной горелки Расчет избыточного давления производится для сечения 1 (рис. 3.5.1), сечение 1 является местом присоединения U-образного манометра при проведении исследований. Исходными данными являются данные, полученные в ходе исследований: усредненные показания секундомера при прохождении 2 литров газа в блок запально-сигнализирующий и 30 литров топливной смеси. По исходным данным получаем расход газа на входе в блок запально-сигнализирующий и расход топливного газа, обозначим их Qr и QTr, соответственно. Для каждого сопла производиться следующий расчет: Газ в блоке заально-сигнализирующем разделяется на два потока, а так как линии топливного и запального газа идентичны, то можем принять, что расходы газа в запальной и топливной линиях равны между собой и равны половине расхода газа на вход в блок запально-сигнализирующий.
По той же причине равны между собой расходы горючей и запальной смесей, готовящиеся эжекторами 2 в данных линиях (рис. 3.2.1). Так как избыточное давление в линии топливного газа при проведении исследований не превышало 100 мм. водного столба (1 кПа), можем принять расход топливного газа, определенный экспериментальным путем, за расход топливного газа для нормальных условий (Р = 1 атм., t = 20С). Общий расход газовой смеси для нормальных условий: Расход газа для нормальных условий: РГ; Тг - давление и температура газа при исследовании; Тну, РНу - давление и температура газа при нормальных условиях; Объемная доля пропана в газовой смеси: Объемная доля воздуха в газовой смеси: рг , рв - плотности газа и воздуха для нормальных условий, определяются по таблицам [79]; Мв, Мг- мольные массы воздуха и газа, соответственно; \iB, цг — динамическая вязкость воздуха и газа при нормальных условиях, соответственно, определяются по таблицам [80]; Давление в сечении 1 (рис. 3.5.1) определяется как сумма атмосферного давления, давления потерянного при истечении струи в сечении 5, потерь давления на преодоления местных сопротивлений (внезапное расширение, внезапное сужение) 2,3,4 и потери давления на трение в трубопроводе между сечениями 1-2: Коэффициенты местных сопротивлений в сечениях 2,3,4, определяются зависимости от критерия Рейнольдса Re и отношения площади меньшего сечения к площади большего сечения по таблицам [80]. Коэффициент сопротивления по длине трубопровода между сечениями 1 A, - коэффициент трения, зависит от Re и относительной шероховатости трубы, определяется по таблицам[80]; 1 — длина трубопровода; d - диаметр трубопровода; Значения избыточного давления в линии топливного газа в сечении 1, полученные по формуле (3.5.9) приведены в графах «Расчетное избыточное давление в линии топливного газа, без горения» Приложения 3.
Расчет избыточного давления производится для сечения 1 (рис. 3.5.1), сечение 1 является местом присоединения U-образного манометра при проведении исследований. Исходными данными являются данные, полученные в ходе исследований: усредненные показания секундомера при прохождении 2 литров газа в блок запально-сигнализирующий и 30 литров топливной смеси. Усредненные показания секундомера при прохождении контрольных объемов газа и топливной смеси эквиваленты, поэтому воспользуемся рассчитанными при отсутствии горения дежурной горелки расходами газа на входе в блок запально - сигнализирующий и расход топливного газа, обозначенными как Qr и QTr, соответственно. Для каждого сопла производиться следующий расчет: Газ в блоке запально - сигнализирующем разделяется на два потока, а так как линии топливного и запального газа идентичны, то можем принять, что расходы газа в запальной и топливной линиях равны между собой и равны половине расхода газа на вход в блок запально-сигнализирующий. По той же причине равны между собой расходы горючей и запальной смесей, готовящиеся эжекторами 2 в данных линиях (рис. 3.2.1). Так как избыточное давление в линии топливного газа при проведении исследований не превышало 100 мм. водного столба (1 кПа), можем принять расход топливного газа, определенный экспериментальным путем, за расход топливного газа для нормальных условий (Р = 1 атм., t = 20С). В виду того, что расходы газа на входе в блок запально-сигнализирующий и расходы топливной смеси практически равны между собой при горении и без горения дежурной горелки, то можем воспользоваться раннее рассчитанными значениями объемных долей компонентов смеси, мольной массой смеси, динамической вязкостью смеси, расходом смеси и расходом газа а входе в блок запально-сигнализирующий, рассчитанными по формулам 3.5.1 - 3.5.7.
Уравнение горения пропана в кислороде записывается следующим образом: Если учесть, что в воздухе на 1 моль кислорода приходится 3,76 моль азота, а количество моль остальных инертных газов пренебрежительно мало, то уравнение горения пропана в воздухе можно записать следующим образом: Так как сгорание горючей смеси происходит между сечениями 2 и 3 (рис. 3.5.1),то за температуру продуктов реакции мы не можем принять табличные значения температуры горения пропана в открытом пространстве. Для определения температуры продуктов реакции горения tK; составим тепловой баланс. Количество энергии, которое выделяется при сгорании горючей смеси, расходуется на: 1) нагрев продуктов реакции до конечной температуры. 2) теплопередачу от нагретых продуктов реакции через стенку дежурной горелки в окружающую среду. При теплоотдаче продуктов горения к внутренней стенке дежурной горелки учтем лучистую и конвективную составляющие, при теплоотдаче наружной стенки в окружающую среду будем учитывать только конвективную составляющую.
