بخشی از مقاله
چکیده
این تحقیق به تحلیل و توزیع دما در تیوبشیت کوره واکنش و بررسی علل ایجاد ترک در محل اتصال جوشهای لولههای بویلر به تیوبشیت کوره واکنش پالایشگاه گاز ایلام میپردازد. برای این منظور با استفاده از نرمافزار فلوئنت کوره و بویلر متصل به آن مدلسازی شده و در این مدلسازی از معادله اغتشاش − استاندارد، مدل احتراق اتلاف گردابهای و مدل تابش P1 برای کوره استفاده شده است.
با توجه به طول زیاد کوره و بویلر که حدود 20 متر و قطر کوره 2 .45 متر بود جهت مدلسازی آن و کوتاه کردن زمان حل تصمیم گرفته شد که مدلسازی این مجموعه در دو بخش جداگانه انجام و نتایج شبیه سازی مرحله اول در مرحله بعد که ادامه آن تا مرکز بویلر بود در نظر گرفته شود و بحث عدم پیوستگی در شبیه سازی کوره و بویلر متصل به آن با توجه به اینکه در خروجی کوره - انتهای قسمت اول - گرادیان دمایی صفر و دما ثابت بود، قابل قبول و استفاده از نتایج بخش اول به عنوان خوراک بخش دوم منطقی به نظر میرسد.
نوع مش بکار رفته در کوره تترا هدرال و تعداد مش آن 1000000 و برای قسمت دوم کار یعنی تیوبشیت و بویلر تعداد مشها 2500000 و از نوع تترا هدرال در پوسته و هگزاگونال در لولهها استفاده شدهاست. نتایج شبیه سازی نشان داد عواملی که باعث ترک در تیوبشیت کوره واکنش پالایشگاه گاز ایلام شده عدم دقت در مطالعه، نصب و اجرای بعضی از قسمتها، در زمان راهاندازی، همچون ریفرکتوری، گسکت سرامیکی، اسپرینگساپورتهای استیمدرام، تکیهگاهها و شوکهای حرارتی داخل بویلر و تغییرات ساختاری بعد از راهاندازی اول بدون در نظر گرفتن نظرات طراح کوره، میتوان نام برد.
مقدمه
در تاریخ 88/11/20 کوره واکنش در مد گاز سوخت قرار داشت که به علت نشتی آب از فلنج بین کوره و بویلر متصل به آن از سرویس خارج گردید، بعد از بازدید از داخل کوره و تخریب ریفرکتوری مشخص گردید که تعداد50 عدد از 376 تیوب از ناحیه جوش بین تیوب و تیوبشیت دچار آسیب شدهاند.
محل نشتی
شکل -1 نشتی در محل اتصال فلنج کوره به بویلر
شکل-2 نمایی داخلی از نشتی بوجودآمده درمحل اتصال لولهها به تیوبشیت
در بررسیها مشخص شد پیچهای مربوط به لوبیایی، پایههای سدل به انتهای کورس خود رسیده بودند و این مشکل مانع از حرکت کوره در اثر تغییرات دمایی و در نهایت ترک در پایههای کوره شده بود.
علت آسیب، مقاومت پایه در برابر حرکت انبساطی تجهیز، تشخیص داده شد
در صنعت پالایش گاز شکست بویلر کوره واکنش نه تنها به خود کوره واکنش بلکه به تمامی مراحل راهاندازی آسیب وارد میکند. مشکل ایجاد شده در انجام مراحل تست و راهاندازی به این صورت بوده است که اغلب در مرحله سرد کردن ترکهای شعاعی در جوشهای محل اتصال لوله به تیوبشیت ایجاد و گسترش این ترکها سبب نشت بخار، جدایی ریفرکتوری از بدنه تیوبشیت و خرابی بویلر کوره واکنش میشد.
در راهاندازی مجدد توسط کارشناسان و متخصصین پالایشگاه گاز ایلام در مرحله سرد کردن، جوشها ترک برداشتند که این بار هندسه ترک در این حالت به صورت محیطی و در مرز جدایش بین لوله و جوش بود. پس از شکست مجدد، مسئولین شرکت باتفاق به این نتیجه رسیدند که قبل از انجام هر گونه عملیاتی بهتر است که ابتدا با شبیه سازی کوره و بویلرپرداخته شود و پس از مطالعه پارامتریک کلیه عوامل و شناخت علل ایجاد خرابی، راهکارهای مناسبی برای جلوگیری از تکرار آن ارایه شود.
از اولین تحقیقاتی که درآن سعی بر مدلسازی احتراق شدهاست میتوان به اسپالدینگ[1] درسال 1967 اشاره کرد که به بحث در مورد سادهسازی در مدل کردن مسایل احتراق میپردازد و به این نکته توجه میدهد که نگرانی اصلی در مدلسازی احتراق، حجم بالای محاسبات مربوطه میباشد که میتوان با سادهسازی روابط مربوط در مدلسازی و تعیین خطای محاسباتی، این نگرانی را تا حدودی کاهش داد . همچنین وی بیان میکند که تلفیق و ربط دادن گروههای بدون بعد در مقیاس کوچک و آزمایشگاهی با مقیاس بزرگ و اصلی، کاری بسیار دشوار است.
جیوفری و هالی [ 2]، شوکهای حرارتی در بویلرها که در نتیجه تغییرات سریع در نرخ حرارتی و اختلاف دماهای زیاد در سطوح حرارتی مربوط به بویلر بوجود میآید را عنوان کرد. او در این مقاله تنشهای حرارتی را باعث ضعف، شکست و مقاومت بویلر در برابر حرکتهایی که به واسطه انبساط و انقباظ حرارتی بوجود میآید و در نهایت باعث نشتی از محل اتصال تیوب به تیوبشیت میشود را مطرح کرد.
او معتقد بود که شکستهای ناشی از تنشهای حرارتی از نوع شکست خستگی بوده و به تعداد دفعات به سرویس آوردن و از سرویس خارج کردن بویلر وابسته است و بزرگی تنش متناسب با اختلاف دمای میان تیوب و پوسته دارد.عوامل موثر بر روی دمای تیوب را می توان نرخ حرارتی و فشار بویلر نام برد.
تنها عامل موثر بر روی دمای پوسته، دمای آب داخل بویلر میباشد که تابعی از دمای آب ورودی و فلوی آن و نرخ حرارتی بویلر و فشار بخار میباشد.
سیکورسی و همکاران[3]، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی تجزیه و تحلیل مسیر بایپاس اختلاط گاز در کوره واکنش را انجام دادند . او در این مقاله نشان داد که روش تزریق جریان و محل آن، نقش حیاتی در عملکرد این سیستمها بازی میکند و ثابت کرد که در صورت امکان یک سیستم مستقیم برای کوره واکنش باید به جای بایپاس طراحی شود.
مسعود رحیمی و همکاران[4]، بررسی احتراق و پدیدههای انتقال در بویلر نیروگاه بیستون را با استفاده از روش محاسبات دینامیکی سیال انجام دادند.در این تحقیق امکان مدلسازی یک بویلر صنعتی نیروگاهی در مقیاس واقعی توسط روش دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - ، مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور با استفاده از نرمافزار فلوئنت یک بویلر از نیروگاه 320 مگاواتی بیستون کرمانشاه مدلسازی شدهاست. در این مدلسازی از معادله اغتشاش N استاندارد، مدل احتراق اتلاف گردابهای1 و مدل تابش روزلند2 استفاده شدهاست. بویلر مدل شده به حدود 2000000 حجم کنترلی تقسیم بندی شدهاست و مش مورد نظر از نوع مثلثی میباشد .
به منظور حصول نتایج با دقت بالاتر، فضای اطراف لولهها و مشعلها به حجمهای کنترلی کوچکتری تقسیم بندی شدهاست. نتایج مدلسازی به خوبی مقادیر پارامترهای هیدرودینامیکی سیال را پیش بینی میکند. در این راستا مقادیر فشار در داخل بویلر و لولهها، سرعت، اغتشاش و ضریب جذب تشعشعی که عامل مهمی در انتقال حرارت تشعشعی میباشد، پیشبینی گردیده است.
علاوه بر آن دما، سرعت انجام واکنش و غلظتهای مواد در داخل بویلر پیش بینی شدهاست و انتقال حرارت از طرف مشعلها به لولههای سوپر هیتر پلاتن بطور ویژه در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد سرعت بخار آب در داخل لولههای بلند قسمت سوپر هیتر پلاتن اختلاف فاحشی با لولههای کوتاه دارد. همچنین لولههای بلند در دمای بالاتری نسبت به لولههای کوتاهتر کار میکنند که در تعیین عمر لولهها برای نیروگاه بسیار مهم و حیاتی میباشد.
مینشان لیو و همکاران[5]، تحلیل تنش در تیوبشیت نوع بویلرکوره واکنش را بررسی کردند. آنها در این مقاله یک کوره با ظرفیت 300000 تن در سال را با تحلیل عددی و تحقیق تجربی مورد بررسی قراردادند و به نتایج زیردست یافتند:
* تنشهای محیطی و شعاعی در تیوبشیت در درجه حرارتهای بالا و پایین، هر دو با افزایش شعاع کاهش مییابند.
*در منطقه متخلخل، در دماهای بالا و پایین تیوبشیت، تنشهای محیطی از تنشهای شعاعی بیشتر است.
*در دماهای بالا ماکزیمم تنش درتیوبشیت از نوع شعاعی و در منطقه مرکزی است.
*در دماهای پایین ماکزیمم تنش درتیوبشیت، منطقهای نزدیک سوراخها است.
ایکس.لن وهمکاران[6]، با شبیه سازی عددی انتقال گرما و فرآیند واکنش درکورههای اتیلن، یک مدل جامع ریاضی بر اساس -1 معادلات انتقال پایه هیدرودینامیکی -2 مدل توربولانسی - -3 مدل جنبشی عکسالعملی کراکینگ با روش CFD بهوسیله وانگ 4 -مدل فرضی تابع-چگالی-احتمال برای محفظه احتراق توربولانسی و یک روش گسسته برای انتقال گرمای تابشی. نتایج شبیه سازی، اطلاعات دقیقی در مورد جریان، میدان دما، توزیع شار گرمایی و توزیع غلظت را نشان میدهد. این نتایج درک کاملی از ویژگیهای اساسی پدیدههای هیدرودینامیکی و رفتار واکنشی که درکورههای اتیلن صنعتی انجام میشود، را ارائه میدهد.
مشخصات کوره واکنش پالایشگاه گاز ایلام
کوره واکنش پالایشگاه گاز ایلام به صورت مستقیم به یک بویلر متصل بوده که مجموع طول آنها در حدود 2000 سانتیمتر و قطر کوره 245 سانتیمتر می باشد. در قسمت میانی کوره از یک چکروال جهت یکنواخت نمودن گازهای حاصل از احتراق و توزیع دمای یکسان استفاده شده است.
قبل از تیوب شیت از یک لایه 10 سانتیمتری ریفرکتوری و یک گسکت سرامیکی به ضخامت یک سانتیمتر استفاده شده است. جهت خنک کاری مجموعه لوله ها و تیوب شیت از چهار ورودی آب به قطر 6 اینچ در پوسته بویلر و جهت خروج بخارات از چهار خروجی به قطر 12 اینچ استفاده شده است.
مدل سازی، شبکه بندی و شرایط مرزی
در این فصل به مدلسازی کوره و بویلر، واحد بازیافت گوگرد پالایشگاه گاز ایلام پرداخته میشود و در این مدلسازی از معادله اغتشاش − استاندارد، مدل احتراق اتلاف گردابهای و مدل تابش P1 برای کوره استفاده شدهاست. با توجه به طول زیاد کوره و بویلر که حدود 2000 میلیمتر و قطر کوره 2400 میلیمتر بود جهت مدلسازی آن و کوتاه کردن زمان حل تصمیم گرفته شد که مدلسازی این مجموعه در دو بخش جداگانه انجام و نتایج شبیه سازی مرحله اول در مرحله بعد که ادامه آن تا مرکز بویلر بود در نظر گرفته شود. نوع مش بکار رفته در کوره تترا هدرال وتعداد مش آن1000000 و برای قسمت دوم کار یعنی تیوبشیت3 و بویلر تعداد مشها 2500000 و از نوع تترا هدرال در پوسته و هگزاگونال در لولهها استفاده شده است.
دبی ورودی گاز متان 155 متر مکعب بر ساعت و میزان هوای احتراق 1550 متر مکعب بر ساعت در نظر گرفته شدهاست. هم چنین عدد چرخش جریان خروجی از برنر در راستای r ، و z به ترتیب 0/2، 0/3 و 0/5در نظر گرفته شدهاست. همانطور که گفته شد احتراق در دو مرحله انجام میشود مرحله اول در مد گاز سوخت که در ان عمل احتراق در کوره با گاز متان و هوا انجام میشود و بعد از انکه کوره به دمای مورد نظر رسید احتراق با مد گاز اسیدی آغاز و تا شکلگیری گوگرد ادامه مییابد.
در شبیه سازی کوره از شرایط مرزی زیر استفاده شد.
- دبی جرمی هوای ورودی 1550متر مکعب بر ساعت،دبی جرمی گاز ورودی 150 مترمکعب بر ساعت
- فشارخروجی 31000 پاسکال در شبیه سازی بویلر از شرایط مرزی زیر استفاده شد.
دبی جرمی ورودی گاز 1700 متر مکعب بر ساعت، فشار گاز خروجی 1.2 بار، دبی آب ورودی به پوسته 64 کیلوگرم بر ثانیه که با توجه به تقارن و وجود چهار عدد ورودی، برای هر ورودی 8 کیلوگرم بر ثانیه در نظر گرفته شده است. فشار خروجی از پوسته نیز 21.5 بار است.
شرط مرزی برای پوسته جابجایی آزاد و شرط مرزی برای دیوارههای داخلی شامل گسکت، ریفرکتوری، تیوبشیت و لوله ها کوپل رسانش در نظر گرفته شده است.
شکل 3-هندسه و شکل مش به کار رفته در کوره واکنش
شکل 4-برش عرضی از مجموعه بویلر و انتهای کوره
