Инструменты численного моделирования позволяют получить данные о работе факельного оголовка на различных режимах и выбрать из них оптимальные, не прибегая к натурным испытаниям.

Численное моделирование работы факельных оголовков

Факельные установки применяются для утилизации газообразных токсичных веществ путём их сжигания в кислороде воздуха. К сожалению, процессы горения по своей природе малопредсказуемы, и в реальных условиях могут протекать иначе, чем предполагалось при проектировании. Отклонение режима работы оголовка от проектного может приводить к прогоранию факельного оголовка и сокращению срока его службы, а также к неполной утилизации токсичных веществ. Проведение натурных испытаний при этом финансово затратно и затруднительно с точки зрения контроля результатов.

Доступную альтернативу натурным экспериментам при конструировании факельных оголовков и подборе оптимальных режимов их работы может составить численное моделирование. Его применение позволяет в сжатые сроки получить данные о расположении и стабильности области горения и о температуре в ней.

Задача

Специалистами АО «ЦИФРА» выполнено моделирование работы факельного оголовка, предназначенного для утилизации природного газа, при различных режимах работы. Основной задачей моделирования было определение минимального расхода газа, при котором будет обеспечена стабильная работа оголовка без риска прогорания.

Трёхмерная геометрическая модель факельного оголовка (чёрным отмечены дежурные горелки)

В оголовок подаётся природный газ при температуре 50 °C. Работа дежурных горелок обеспечивает воспламенение при любых внешних условиях. Через окна, прорезанные в нижней части оголовка, к зоне горения поступает дополнительный воздух. Таким образом, горение организовано по инвертированной диффузионной схеме; дополнительный подвод воздуха обеспечивает более полное и интенсивное сжигание природного газа.

Структура пламени

Как показывает численное моделирование, структура пламени изменяется в зависимости от расхода газа. На малых расходах наиболее высокотемпературная область локализована внутри оголовка, что может привести к его повреждению. На более высоких расходах область наибольших температур смещается вверх и выходит за пределы оголовка.

Распределение температуры пламени в центральном сечении оголовка при расходе природного газа 200 нм³/ч (слева) и 1000 нм³/ч (справа).
Контуром голубого цвета отмечена область наибольших температур пламени

Определение оптимальных режимов

Для определения диапазона оптимальных режимов работы оголовка было проведено численное моделирование в диапазоне расходов природного газа от 200 до 1000 нм³/ч.

Зависимость расположения наиболее высокотемпературной области пламени над оголовком от расхода газа

Зависимость максимальной температуры вблизи стенок оголовка от расхода газа

Видно, что устойчивое горение газа вне оголовка обеспечено при расходе от 700 нм³/ч. При этом же расходе максимальная температура пламени вблизи оголовка не превышает 700 °C с тенденцией к понижению при увеличении расхода. Большинство жаропрочных сталей способны выдерживать такую температуру.

Таким образом, с помощью численного моделирования определён минимальный допустимый расход природного газа, при котором не будет происходить прогорание оголовка. Полученные данные будут включены в эксплуатационную документацию по факельному оголовку.

Численное моделирование позволяет также определить максимально допустимые расходы, полноту сгорания токсичных веществ и другие параметры работы факельного оголовка для различных режимов работы и вариантов конструкции. Подобная информация полезна на всех этапах проектирования факельного оголовка – от разработки исходной концепции и до ввода в эксплуатацию. Отсутствие необходимости в натурных испытаниях сокращает стоимость и сроки проектирования.

Изображение заголовка Russell Foto на Unsplash