Ansys Fluent
в нефтегазовой отрасли

Статистические данные Всемирного фонда дикой природы (WWF) показывают, что нефтепереработка оказывает неблагоприятное влияние на окружающую среду при сжигании угля и нефти в процессе промышленного производства. Лидирующие компании нефтегазовой отрасли уделяют особое внимание вопросам экологии и ставят перед собой задачи по разработке новых технологий и конструкций, которые сокращают вредоносные выбросы в атмосферу.
Камеры сгорания являются рабочими лошадками в нефтегазовой промышленности. В такой камере энергия выделяется при сжигании топлива (нефти и/или газа), а затем передается нам, обычным Потребителям, в виде тепла и горячей воды. Однако не вся энергия, получаемая таким образом, доходит до Потребителя — сами по себе камеры сгорания являются одним из основных потребителей энергии в нефтегазовой промышленности. Повышение эффективности камер сгорания снижает количество потребляемой ими энергии, тем самым снижая эксплуатационные расходы.

Камеры сгорания в процессе работы выбрасывают в атмосферу смесь летучих газов и дыма (дымовые газы). В эту смесь входят в основном азот (N2), углекислый газ (СО2), водяной пар (H2O) и кислород (О2). Также дымовые газы могут содержать незначительное количество загрязняющих веществ, таких как окись углерода (СО), оксиды азота (NOx), оксиды серы (SOx), а также твердые частицы и тяжелые металлы. Такие выбросы вредны для окружающей среды, и необходимо приложить усилия для того, чтобы сократить их количество. К тому же существуют экологические нормы, которые каждая нефтеперерабатывающая компания обязана соблюдать.

При их проектировании современных камер сгорания компании все чаще и чаще применяют программное решение Ansys Fluent. Fluent позволяет инженерам использовать компьютерное моделирование для детальной разработки проекта, когда физическое прототипирование нецелесообразно и требует больших финансовых вложений. Следующие примеры дают представление о том, как Ansys Fluent используется для повышения эффективности камер сгорания и снижения выбросов.

/    Разработка воздуховодов для контроля избытка воздуха

Для полного сгорания топлива необходим воздух, объем которого превышает стехиометрическое количество компонентов. Камеры сгорания обычно рассчитаны на прием от 10% до 15% избыточного воздуха. Слишком большое количество воздуха снижает эффективность камеры и повышает потребление топлива. Инженеры используют различные средства для подачи необходимого количества воздуха в камеры сгорания. Наиболее распространены камеры с естественной тягой. Они просты и надежны, так как воздух втягивается в камеры тягой через специальные решетки. Камеры с принудительной тягой (FD) требуют вентилятора в качестве нагнетателя для подачи воздуха под более высоким давлением. Также вентиляторы обеспечивают лучшее перемешивание смеси, поэтому в таком случае можно ограничиться несколькими небольшими горелками. В некоторых случаях камеры с принудительной тягой оснащены предварительным нагревом воздуха (APH) для повышения эффективности. Поскольку воздух подается через коллектор и воздушную камеру, инженер-проектировщик должен убедиться, что воздух подается равномерно ко всем горелкам.

Ansys Fluent широко применяется для устранения проблем с неправильным распределением воздуха на этапе проектирования. Неправильное распределение, если его не обнаружить, приводит к тому, что камера сгорания потребляет больше воздуха, чем нужно, из-за чего снижается КПД.Система была полностью смоделирована в Ansys Fluent — от впуска принудительной тяги до отдельных воздушных притоков. Неправильное распределение воздуха было выявлено и устранено при помощи программного обеспечения Ansys.

/    Моделирование профиля горения

Производители форсунок для камер сгорания сосредоточены на поиске различных способов сокращения выброса оксидов азота при сгорании. CFD (вычислительная гидродинамика) сыграла важную роль в разработке новых горелок со сверхнизким выбросом оксида азота (ULNBs). В большинстве случаев ограничение выбросов оксида азота происходит за счет разделения воздуха и жидкости, что зачастую приводит к более холодному, но при этом более длительному горению. В большой печи с несколькими горелками существует вероятность того, что пламя от разных горелок будет воздействовать на соседние горелки и напрямую нагревать радиаторы. Длина пламени зачастую является критическим параметром, знание которого необходимо для правильного размещения горелок и труб радиаторов. Рециркуляция дымовых газов в коробке радиатора также влияет на характер пламени.
При проектировании камер сгорания с несколькими горелками, Ansys Fluent используется для моделирования процесса горения в секции радиатора. На рисунке показана одна из таких сложных камер с четырьмя секциями радиатора (ячейками) и несколькими горелками. Форма пламени была смоделирована для понимания того, как пламя будет воздействовать на соседние горелки. Был смоделирован теплообмен с радиатором и предсказаны температуры радиатора в результате нагрева. Наиболее горячие точки часто создают проблему нехватки воздуха, вследствие чего происходит неправильное распределение оставшегося. Благодаря Ansys Fluent при разработке были учтены рассчитанные температуры и внесены изменения, чтобы уменьшить количество горячих точек.

/    Проектирование систем SCR для сокращения выбросов оксида азота

Выбросы оксида азота могут контролироваться двумя способами: с помощью технологий, которые предшествуют сжиганию топлива (использование горелок с низким выбросом оксида азота, рециркуляция дымовых газов и т.д.), и с помощью технологий, применяющимися после сжигания. Селективное каталитическое восстановление (SCR) — это технология восстановления оксидов азота после сжигания. При использовании SCR раствор аммиака (NH3) впрыскивается в дымовой газ через решетку инжектора (AIG) вместе с потоком воздуха. Впрыскиваемый аммиак смешивается с дымовым газом, содержащим оксид азота. Поток из этой смеси направляется в блок SCR, который содержит катализатор. Затем аммиак вступает в реакцию с оксидом азота благодаря катализатору, в результате чего образуется вода и азот. Эта технология требует эффективной системы впрыска и оптимизированной конструкции воздуховодов для лучшего снижения выбросов. Смешивание обычно является сложной задачей, поскольку количества впрыскиваемого аммиака очень мало по сравнению с объемом дымовых газов. На рисунке показан блок SCR с восходящим каналом, включающий в себя инжектор для впрыска аммиака (AIG). Ansys Fluent используется при проектировании решетки инжектора и восходящего канала. Инструменты постобработки в Ansys Fluent позволяют инженерам понять, как впрыскиваемый аммиак смешивается с дымовыми газами, когда они достигают слоя катализатора.

Правильно спроектированные камеры сгорания являются более безопасными, эффективными и позволяют контролировать выбросы вредных веществ. Контроль избытка воздуха снижает расход топлива и повышает эффективность. Понимание распределения температур и взаимодействия горелок друг с другом позволяет определить долговечность камеры и увеличить время ее работы. Эффективность блока SCR, позволяющего сократить выбросы, повышается благодаря улучшенной решетке инжектора и оптимизированной конструкции восходящего канала.