A سیستم شعله ور یک دستگاه ایمنی و احتراق صنعتی است که عمدتاً در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی و پالایشگاه برای دفع ایمن گازهای هیدروکربنی ناخواسته یا اضافی با سوزاندن آنها به روش کنترل شده استفاده می شود. به جای انتشار گازهای سمی یا قابل اشتعال مستقیماً در اتمسفر، یک سیستم شعله ور آنها را به یک نقطه احتراق - معمولاً نوک شعله ور بالا یا سطح زمین - هدایت می کند که در آنجا مشتعل شده و به محصولات جانبی احتراق کمتر مضر، در درجه اول دی اکسید کربن (CO2) و بخار آب تبدیل می شوند.
به زبان ساده، سیستم شعله ور آخرین خط دفاعی در برابر انتشار غیرقابل کنترل گاز است. این یک فرآیند عملیاتی عادی نیست، بلکه یک مکانیسم بحرانی اضطراری و کاهش فشار است که ایمنی کارخانه، انطباق با مقررات و حفاظت از محیط زیست را تضمین می کند. در سطح جهانی، سیستم های شعله ور تقریباً می سوزند 140 تا 150 میلیارد متر مکعب گاز طبیعی در سال مطابق با مشارکت جهانی کاهش شعله ور شدن گاز (GGFR) بانک جهانی.
سیستم های شعله ور چندین هدف متمایز اما مرتبط را در عملیات صنعتی انجام می دهند:
یک سیستم شعله ور که به خوبی طراحی شده باشد به a راندمان احتراق 98-99.9٪ ، به این معنی که تقریباً تمام هیدروکربن ها به جای اینکه به عنوان ترکیبات آلی فرار احتراق نشده (VOCs) منتشر شوند، نابود می شوند.
یک سیستم شعله ور صنعتی کامل فقط یک مشعل روشن نیست - این یک شبکه یکپارچه از تجهیزات است که با هم کار می کنند. اجزای کلیدی عبارتند از:
فلر هدر شبکه‌ای از لوله‌ها است که گازهای امدادی را از چندین منبع در سراسر یک تأسیسات جمع‌آوری می‌کند - شیرهای فشار شکن، شیرهای دمنده و بای‌پس‌های شیر کنترل - و آنها را به یک درام خروجی مرکزی و سپس به پشته فلر هدایت می‌کند. اندازه هدر بسیار مهم است: لوله کشی کم اندازه فشار معکوس خطرناکی ایجاد می کند که می تواند از باز شدن دریچه های کمکی در فشار تنظیم شده صحیح جلوگیری کند.
قبل از اینکه گاز به نوک فلر برسد، از a عبور می کند طبل حذفی (همچنین به آن مخزن ضربه ای شعله ور یا درام آب بند مایع نیز گفته می شود). این ظرف مایعات حباب شده را از جریان گاز جدا می کند. مایعاتی که وارد نوک فلر می شوند می توانند باعث "باران شعله ور" خطرناک شوند - سوزاندن قطرات مایع که از پشته می ریزند - و می توانند به نوک آن آسیب بزنند یا باعث انفجار شوند. درام ضربه ای یک ویژگی ایمنی غیرقابل مذاکره در هر سیستم شعله ور که به درستی مهندسی شده است است.
پشته شعله ور عنصر ساختاری است که نوک فلر را تا ارتفاع ایمن بالاتر از سطح درجه بالا می برد. ارتفاع پشته معمولاً از 30 تا بیش از 150 متر بسته به اندازه تاسیسات، محدودیت های تشعشع گرمایی مورد نیاز در سطح درجه، و الزامات نظارتی محلی. سکوهای فراساحلی معمولاً به جای پشته های عمودی از فلر بوم های افقی بلند شده برای هدایت شعله از ساختار سکو استفاده می کنند.
نوک فلر دستگاه احتراق در بالای پشته است که در آن گاز مشتعل شده و می سوزد. نوک های شعله ور مدرن برای نرخ های جریان خاص و ترکیبات گاز مهندسی شده اند و شامل ویژگی هایی مانند:
مشعل های پایلوت همیشه شعله کوچک ثابتی را در نوک شعله نگه می دارند و اطمینان حاصل می کنند که هر گازی که آزاد می شود - حتی به طور غیرمنتظره در ساعت 3 صبح - بلافاصله مشتعل می شود. اکثر سیستم های مدرن استفاده می کنند اشتعال جرقه ای با انرژی بالا یا سیستم های تولید کننده جلو شعله (FFG). برای روشن کردن مجدد خلبانان از راه دور در صورت خاموش شدن آنها توسط باد یا باران. سیستم شعله ور با خلبان روشن نشده یک نقض جدی ایمنی است.
یک جریان مداوم از گاز بی اثر یا سوخت (نیتروژن یا گاز طبیعی) به هدر فلر تزریق می شود تا از بازگشت هوا به سیستم و ایجاد یک مخلوط هوا و گاز بالقوه انفجاری در داخل لوله جلوگیری کند. این جریان "گاز پاکسازی" یکی از هزینه های عملیاتی مداوم برای نگهداری یک سیستم شعله ور است و معمولاً با نرخی از 0.1 تا 1.0 متر بر ثانیه در خروجی نوک شعله ور
نصب شده در پایه پشته یا درون هدر، مهر و موم آب و مهر و موم مولکولی به عنوان موانع ثانویه در برابر ورود هوا عمل می کند و همچنین به عنوان دریچه های کنترل فشار عمل می کند. یک درام آب بند یک ستون آب (معمولاً 150 تا 300 میلی متر عمق) را نگه می دارد که گاز باید از آن حباب بزند، و هم یک مهر و موم و هم نشانگر بصری نرخ جریان گاز را در طول عملیات ارائه می دهد.
سیستم های شعله ور بر اساس پیکربندی فیزیکی و روش مورد استفاده برای دستیابی به احتراق بدون دود و کارآمد طبقه بندی می شوند. هر نوع برای شرایط عملیاتی و محیطی مختلف مناسب است.
| نوع شراره | پیکربندی | برنامه معمولی | مزیت کلیدی |
|---|---|---|---|
| شعله ور شدن بالا | پشته عمودی، نوک در ارتفاع | پالایشگاه ها، پتروشیمی ها | گرما و سر و صدا را پخش می کند. جریان های بزرگ را کنترل می کند |
| شعله ور شدن زمین | مشعل های بسته یا باز در درجه | پایانه های LNG، نیروگاه های گاز | صدای کم، درخشندگی کم، بدون دود |
| بوم شراره دریایی | بازوی افقی که از سکوی امتداد یافته است | سکوهای نفت و گاز فراساحلی | شعله را از ساختار دور نگه می دارد |
| شراره به کمک بخار | بخار در نوک تزریق می شود | امکانات با بخار موجود | احتراق گازهای سنگین بدون دود |
| شراره به کمک هوا | دمنده هوا اجباری در پایه | سایت های راه دور بدون استیم | بدون دود بدون زیرساخت بخار |
| شعله شمع | لوله عمودی ساده بدون کمک | شراره های کم جریان یا پشتیبان | هزینه کم، حداقل تعمیر و نگهداری |
درک توالی عملیاتی یک سیستم شعله ور دلیل وجود و اهمیت هر جزء را روشن می کند:
سیستم های شعله ور باید مطابق با استانداردهای شناخته شده بین المللی مهندسی شوند. دو معتبرترین سند حاکم بر طراحی سیستم فلر عبارتند از:
در ایالات متحده، EPA's 40 CFR Part 60 and Part 63 مقررات الزامات راندمان احتراق شعله ور و تعهدات نظارت را کنترل می کند. طبق این قوانین، فلرها باید مقدار خالص گرمایش (NHV) را در منطقه احتراق حداقل حفظ کنند. 270 BTU/scf و حداکثر سرعت نوک زیر یک آستانه تعریف شده برای اطمینان از احتراق پایدار و کارآمد.
را دستورالعمل انتشارات صنعتی اتحادیه اروپا (IED 2010/75/EU) و نتایج مربوط به بهترین تکنیک های موجود (BAT) به طور مشابه به امکاناتی برای به حداقل رساندن شعله ور شدن و نشان دادن نظارت مستمر بازده احتراق در تاسیسات اصلی نیاز دارد.
در حالی که سیستم های شعله ور بسیار ایمن تر از تهویه گاز کنترل نشده هستند، اما بدون تأثیرات زیست محیطی نیستند. نگرانی های کلیدی عبارتند از:
هنگامی که احتراق کامل می شود، شعله ور شدن CO2 تولید می کند - یک گاز گلخانه ای. با این حال، احتراق ناقص متان تولید می کند (CH4) ، که پتانسیل گرمایش جهانی تقریباً 84 برابر بیشتر از CO2 در یک دوره 20 ساله دارد. با راندمان احتراق فرضی 98٪، یک شعله ور 1000 کیلوگرم در ساعت متان هنوز هم تقریباً متان ساطع می کند. 20 کیلوگرم در ساعت متان احتراق نشده - تأثیر آب و هوای معنادار در مقیاس.
شعله ور شدن گازهای هیدروکربنی سنگین بدون کمک هوا یا بخار کافی تولید می کند دود سیاه - ذرات دوده (PM2.5 و PM10) که هم مشکل کیفیت هوا و هم نقض مقررات را نشان می دهند. به همین دلیل است که الزامات شعله ور بدون دود در اکثر تاسیسات صنعتی مدرن اعمال می شود، که معمولاً حداقل به کار بدون دود نیاز دارند. 50٪ از نرخ شعله ور شدن طراحی .
را "شعله ور شدن روتین صفر تا سال 2030" بانک جهانی ابتکار عمل که در سال 2015 راه اندازی شد، تاییدیه بیش از 90 دولت و شرکت نفتی را به خود جلب کرده است. هدف این ابتکار حذف «شعله ور شدن معمول» است – شعله ور شدن مداوم گاز مرتبط در طول تولید نفت صرفاً به این دلیل که زیرساختی برای جذب آن وجود ندارد. در گزارش های اخیر، حجم شعله ور شدن جهانی به طور سرسختانه و تقریباً بالاست 144 میلیارد متر مکعب در سال ، بر دشواری انتقال تاکید می کند.
را most effective way to reduce flaring is not to improve the flare itself, but to avoid sending gas to the flare in the first place. سیستم های بازیابی گاز مشعل (FGR). گاز کم فشار را از هدر فلر قبل از رسیدن به درام ناک اوت گرفته و مجدداً برای استفاده به عنوان گاز سوخت فشرده کنید یا دوباره وارد فرآیند کنید. یک سیستم FGR که به خوبی طراحی شده باشد می تواند شعله ور شدن معمول را کاهش دهد 70-90٪ .
اجزای معمول سیستم FGR عبارتند از:
برای پالایشگاه های بزرگ، وضعیت اقتصادی FGR قوی است: بهبودی درست 1 میلیون فوت مکعب استاندارد در روز (MMSCFD) گازی که در غیر این صورت شعله ور می شود می تواند نشان دهنده صرفه جویی سالانه بیش از حد باشد 1 میلیون دلار با قیمت گاز طبیعی 3-4 دلار / MMBtu، در حالی که به طور همزمان کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و مسئولیت نظارتی.
سیستم های شعله ور مدرن زیرساخت غیرفعال نیستند - آنها به طور فعال از طریق ابزار دقیق و سیستم های کنترل نظارت می شوند. عناصر اصلی نظارت عبارتند از:
زیر زیربخش EPA Ja (برای پالایشگاه‌های نفت)، تأسیسات برای نصب سیستم‌های پایش پارامترهای پیوسته (CPMS) و ارائه گزارش‌های انطباق سه ماهه که نشان می‌دهد استانداردهای راندمان احتراق شعله‌ور در هر دوره عملیاتی حفظ شده است، مورد نیاز است.
حتی سیستم های شعله ور که به خوبی طراحی شده اند نیز می توانند مشکلات عملیاتی را تجربه کنند. درک رایج ترین حالت های خرابی به اپراتورها و مهندسان کمک می کند تا آنها را پیش بینی و از آنها جلوگیری کنند:
| مشکل | علت ریشه ای | نتیجه | کاهش |
|---|---|---|---|
| اطفاء شعله پایلوت | باد زیاد، باران یا فشار گاز پایلوت کم | شعله ور شدن بدون روشنایی - انتشار گاز خام | سیستم های احتراق خودکار، سپر باد |
| سوختگی نوک شعله ور | جریان گاز کم، شعله به نوک کشیده شده است | آسیب یا تخریب نوک | جریان گاز تصفیه مناسب، طراحی نوک |
| حمل مایع | طبل ناک اوت کوچک است یا ناموفق است | سوزاندن باران مایع، آسیب نوک | اندازه صحیح درام KO، کنترل سطح |
| سیگار کشیدن زیاد | کمک بخار/هوا کافی نیست | نقض مقررات، انتشار PM | افزایش جریان کمکی، نگهداری نوک |
| فشار بیش از حد هدر | زیرsized piping or blocked path | فشار برگشتی از باز شدن PRV جلوگیری می کند | تجزیه و تحلیل هیدرولیک API 521، بازرسی |
در حالی که سیستم های شعله ور بیشتر با صنعت نفت و گاز مرتبط هستند، در طیف گسترده ای از بخش های صنعتی هر جا که گازهای قابل اشتعال یا خطرناک تولید می شوند، استفاده می شوند:
را industrial world is under growing pressure to minimize flaring through both technological innovation and regulatory tightening. Key trends shaping the future of flare systems include:
نوک های شعله ور نسل بعدی با هندسه اختلاط داخلی بهبود یافته را می توان به دست آورد احتراق بدون دود در جریان تا 90 درصد ظرفیت طراحی بدون کمک بخار ، کاهش هزینه های عملیاتی و آلاینده های کمکی. تولیدکنندگانی مانند John Zink Hamworthy و Zeeco طرح های نوک ثبت شده را با راندمان احتراق به طور قابل توجهی بهبود یافته و پروفایل های نویز کاهش یافته ارائه می دهند.
سنسورهای ماهواره ای VIIRS (مجموعه رادیومتر تصویربرداری مادون قرمز مرئی) که توسط NOAA و NASA اداره می شوند، اکنون رویدادهای شعله ور شدن را در سطح جهانی با آستانه تشخیص تقریباً تشخیص داده و کمیت می کنند. 1 مگاوات توان تابشی . این قابلیت به این معنی است که تنظیم‌کننده‌ها و سرمایه‌گذاران می‌توانند به‌طور مستقل داده‌های شعله‌ور در سطح تسهیلات را تأیید کنند و مسئولیت‌پذیری را فراتر از ارقام گزارش‌شده خود افزایش دهند.
چندین منطقه تولیدکننده نفت از جمله حوضه پرمین (تگزاس)، واکا موئرتا (آرژانتین) و دریای شمال، محدودیت‌های شعله‌ور کردن معمولی یا ممنوعیت‌های آشکار را برای پروژه‌های جدید به تدریج اعمال کرده‌اند. شرکت‌هایی که نتوانند این الزامات را برآورده کنند، با کاهش تولید، جریمه‌های مالی یا از دست دادن مجوزهای بهره‌برداری مواجه می‌شوند – که انگیزه‌ای قوی اقتصادی برای سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های جذب گاز بیش از شعله‌ور شدن مداوم ایجاد می‌کند.
تولید کنندگان تجهیزات احتراق و حرارتی با کارایی بالا OEM/ODM
