Die Mischung von Hoch- und Niederdruckströmen oder reichhaltigen und mageren Gaszusammensetzungen erzwingt Kompromisse, die zu übergroßen Fackelspitzen, instabiler Verbrennung und höheren Versorgungskosten führen können. In manchen Fällen führen diese Kompromisse dazu, dass unverbranntes Gas, unbeabsichtigtes Rauchen oder sogar sichtbare Flammen entweichen – Probleme, die die Einhaltung der Vorschriften und die Sicherheit des Personals gefährden.

Dieser Artikel beleuchtet die Grundlagen des Flare-Designs, die Risiken der Header-Konsolidierung und wie eine Analyse der Gesamtkosten (TCO) intelligentere Entscheidungen für Fackelsysteme leiten kann.

Fackel-Designgrundlagen

Fackeln müssen robust, zuverlässig und in der Lage sein, große Unterschiede in den Eigenschaften von Abgasen zu bewältigen. Drei Kernanforderungen steuern das Design der Fackel an:

  1. Hydraulische Kapazität
    • Die Fackel muss über ausreichende Kapazität verfügen, um den Anlagenfluss zu entlasten, ohne die vorgelagerte Ausrüstung zu überbelasten.
    • Wenn Niederdruck- und Hochdruckquellen einen Header teilen, sollte der maximale Gegendruck von der am niedrigsten bewerteten Quelle bestimmt werden, was möglicherweise überdimensionierte Konstruktionen erzwingt.
  2. Stabile
    • Verbrennungsabfallgase müssen über ihren gesamten Betriebsbereich verbrennen.
    • Magere Gase (<~800 Btu/scf) benötigen größere Austrittsbereiche oder Anreicherung, um innerhalb der Entflammbarkeitsgrenzen zu bleiben.
    • Reiche Gase profitieren von höheren Geschwindigkeiten, benötigen dann aber möglicherweise Unterstützungsmedien (Luft, Dampf oder Brennstoffgas), um rauchfrei zu bleiben.
  3. Regulatorische
    • Compliance-Standards wie 40 CFR 63.670 und 60.18 setzen Grenzen für die Austrittsgeschwindigkeit der Fackel, NHVcz (Netto-Heizwert in der Verbrennungszone), sichtbare Flammen, Rauchen, Lärm und Strahlung.
    • Nichteinhaltung kann zu Geldstrafen, Emissionsverstößen, Beschwerden der Gemeinschaft oder Sicherheitsrisiken führen.

Wenn unterschiedliche Quellen kombiniert werden, muss die Fackelgröße den niedrigsten Druck und den magersten Gasstrom berücksichtigen. Dies führt oft zu übergroßen Fackelspitzen, höheren Anreicherungsanforderungen und einer erhöhten Nutzung von Hilfsmedien.

Risiken der Kombination unterschiedlicher Quellen<

h3 Aria-Level="3">Operative Ineffizienzen
  • Übergroße Fackelspitzen benötigen mehr Unterstützungsmedien und sind anfälliger für interne Verbrennungen, was die Lebensdauer der Geräte verkürzt.
  • Eine schlechte Ausfallzeit führt zu Verschwendung von Versorgungsbetrieben, da der Unterstützungsmedienfluss bei niedrigen Flare Rates nicht effektiv reduziert werden kann.
  • Größere Fackelspitzen benötigen stärkere Strukturen, um Eigenlasten und Wind standzuhalten.

Übergangsgefahren Übergänge

zwischen Flaring-Ereignissen sind besonders problematisch bei gestuften Bodenflares:

  • Lean-after-rich-Event: Wenn der Header reichhaltiges Gas enthält und eine magere Entlastung beginnt, erhalten die mageren Brenner zuerst reichhaltiges Gas, was zu langen Flammen und Rauch führt, bis mageres Gas eintrifft.
  • Rich-after-Lean-Ereignis: Wenn reiches Gas auf Lean Relief folgt, leitet der Header zunächst mageres Gas an reichhaltige Brenner. Mageres Gas kann nicht entzünden, was zu unbeleuchtetem Entlüften führt, bis sich die Zusammensetzung stabilisiert.
  • Gleichzeitige Entlastungen: Niedrige Durchflussraten können zu langen Flammen und Rauchen führen, während höhere Durchflüsse mageres Gas durch Hochdruckspitzen abgeben können, bis genügend reichhaltige Gasmischungen zur Zündung vorhanden sind.

Diese Szenarien bergen das Risiko von Umweltverstößen, sichtbaren Emissionen und persönlicher Exposition , insbesondere bei Leuchtfackeln, wo die Belüftung auf dem Boden erfolgt.

Gesamtbesitzkosten: Ökonomie der Trennung Während

die Konsolidierung die Anfangsleitung reduziert, kann eine TCO-Analyse zeigen, dass sich die Trennung auszahlt:

Elevated Flares

  • Fallbeispiel: Ein separates Elevated Flare-System hat die Dampfunterstützung vollständig eliminiert.
  • Erdgas (Pilot/Purge): 3,04 $/MMBtu.
  • Dampf: 9,39 $/1.000 lbs.
  • Isolierte Dampfleitungen: 30 US-Dollar/Fuß (4"), 60 US-Dollar pro Fuß (8").
  • Großbohrrohrleitung: 4 $ pro lb.
  • Ergebnis: Höhere anfängliche CAPEX, aber kontinuierliche Einsparungen in der Versorgung gleichen die Kosten aus. Vergeltung in ~5 Jahren.

Multi-Point Ground Flares (MPGFs)

  • Typische MPGF-Box: 10–15 mm.
  • Hinzugefügter 24"-Krümmer (3.000 ft): ~500.000 $ (~3,5–5 % der Gesamtkosten).
  • Keine laufenden Einsparungen im Versorgungsbereich, aber die Trennung verhindert eine magere Gasanreicherung auf 800 Btu/scf, was die Kapazität der Kraftgasinfrastruktur des Kraftwerks übersteigen kann.
  • Vorteil: Sicherere Abläufe und einfachere Wartung, insbesondere bei Behälter-Blowdowns oder Niederdruckfällen.

Praktische Gruppierungsrichtlinien

John Zink empfiehlt die Anwendung folgender Design-Leitplanken:

  • Gruppenquellen mit ähnlichen Heizwerten und Drücken.
  • Reichhaltige und magere Spitzen in Tiefdruckspitzen können nur dann kombiniert werden, wenn der magere Bach (plus Anreicherung) 15 % des größten reichen Flussvolumens <ausmacht.
  • Donotgroup reich und tendiert zu MPGFs.
  • Gruppieren Sie Hoch- und Niederdruckquellen nicht, wenn gleichzeitige Entlastungen möglich sind.

Schnellreferenz-Checkliste

  • Haben Quellen ähnliche Druckwerte und NHV?
  • Erfordert die Kombination übergroße Spitzen oder höhere Anreicherungsraten?
  • Könnten Übergangsereignisse zu Dampf ablassen oder Rauchen führen?
  • Können Kraftwerke den erhöhten Dampf- und Anreicherungsbedarf bewältigen?
  • Entspricht das Design 40 CFR 63.670?

Glossar

  • NHVcz(Net Heating Value in Combustion Zone): Mindestheizwert, der gemäß US-Vorschriften für stabile Verbrennung erforderlich ist.
  • Hilfsmittel: Dampf-, Luft- oder Brenngas, das zur Verbesserung der rauchlosen Verbrennungskapazität verwendet wird.
  • Internal Burning: Flamme stabilisiert in einer Fackelspitze, was zu einer verkürzten Lebensdauer und höherem Verbrauch führt.

Fazit:

Flare-Header-Konsolidierung kann zunächst Geld sparen, bringt aber oft größere langfristige Risiken und Kosten mit sich. Überdimensionierte Spitzen, instabile Verbrennung und Übergangsgefahren können die Einhaltung und Sicherheit beeinträchtigen und gleichzeitig den Verbrauch der Versorgung erhöhen.

Durch frühzeitige Bewertung von Entlastungsquellen und das Trennen unterschiedlicher Ströme können Betreiber:

  • Sicherheitsmargen verbessern.
  • Geringere Nachfrage nach Versorgungsunternehmen.
  • Vereinfache die Wartung.
  • Erreichen Sie die Einhaltung von Umweltvorschriften.

Bei erhöhten Fackelsystemen kann  die Trennung in angemessener Zeit Einsparungen in Versorgungsleistungen bringen. Für MPGFs ist der zusätzliche Header-Preis ein bescheidener Aufpreis für ein sichereres und zuverlässigeres System.

Bei John Zink helfen wir Kunden dabei, Leuchtfackelsysteme zu entwerfen, die Sicherheit, Effizienz, Einhaltung und Gesamtkosten in Einklang bringen.

Bereit, das Design deines Flare Headers zu bewerten? Kontaktieren Sie John Zink, um eine Systemrisiko- und TCO-Bewertung zu vereinbaren.