General
주요 구성으로는 flare header, KO drum, KO drum pump, seal drum, flare stack으로 이루어져 있다.
Flare stack design
flare stack은 크게 fixed riser와 demountable riser로 나뉘며, pilot system은 dual ignition system으로서 main flame source로 electric ignitor와 back-up용으로 FFG (Flame Front Generator)로 구성됨. FFG panel은 safety를 고려하여 flare stack의 sterile area밖 ground에 위치하고 IA와 fuel gas를 mixing한 후 flame을 점화시킨다.
Purge gas 사용량을 줄이기 위한 dry vapor seal인 purge gas reduction device를 flare stack상부에 설치를 하며 molecular (Buoyance) seal과 velocity seal 두 종류가 있다.
Molecular (Buoyance) seal은 inner pipe와 outer pipe로 구성되어 purge gas와 공기의 밀도차에 의해 sealing이 형성되며 purge gas유량을 0.003m/s까지 줄일 수 있으며 (API521기준과 동일) 단점으로는 물이 아래쪽에 고일 수 있어서 closed drain이 필요하며 tip이 refractory 재질일 경우 깨져서 아래로 떨어지면 passing에 막힐 수 있으니 시공에 주의가 필요하다. 반면 velocity seal은 내부에 cone모양이 있고 purge gas유속에 의해 공기가 entrained되어 flare system으로 유입이 방지되며 purge gas는 0.006~0.012m/s까지 줄일 수 (API521기준과 동일) 있다. 2개 seal중 특별한 요구 조건이 없다면 vendor가 보통 선정함.
Acid flare는 smokeless나 smoke suppression이 필요 없지만, HC flare는 flare gas의 5%에 대해 smokeless 운전을 해야 하고, smoke suppression을 위해 steam assisted flare를 고려함. (API 521 6th, 5.7.3.2.3에 따르면 2시간의 flaring시간동안 5분 이상 flare emission이 20% opacity (Ringelmann 1에 해당)를 초과해서는 안된다고 명시되어 있음. local regulation에 따라 Ringelmann 0 (zero opacity)를 요구할 수도 있으니 꼭 확인해야 함.) Steam injection system은 video monitoring을 이용하여 manual로 제어를 함.
Flare system으로의 air ingress와 flash back (burnback) 방지용으로 stack 상부에 seal device가 설치되지만 최종 water sealing을 위해 wet liquid seal인 seal drum이 stack bottom이나 stack 근처에 설치된다.
Acid gas의 조성은 대부분 water vapor내 H2S가 섞여 있으므로 burning을 위한 LHV를 만족하기 위해 assist gas가 필요하고 relief load의 대략 60%를 공급해야 함. (API 521 6th, 5.7.3.4에 따르면 auxiliary fuel없이 자체적으로 combustion을 지속하기 위해서는 assisted flare는 300btu/scf이상이고, un-assisted flare는 200btu/scf이상이어야 함.)
Flare KO drum sizing
KO drum nozzle sizing을 위한 max momentum은 Rho V2값은 6,000kg/ms2임
Double entry nozzle은 L/V ratio가 큰 경우에 적용. (API 521 6th, 5.7.9.2에 따르면 KO drum지름이 3.66m이상일 경우 보통 split entry를 고려하여 diameter를 줄이되 길이는 늘어난다. Inlet nozzle은 liquid의 re-entrainment를 방지하기 위해 device가 필요하며 12” nozzle까지는 long sweep elbow를 고려하고, 그 이상은 baffle을 고려함.)
Max HLL은 diameter의 50%이내임.
Liquid holding은 최대 20분 기준 (API521 6th, 5.7.9.5에 따르면 20~30분 고려하며 emergency를 해소하는데 시간이 더 소요될 경우 hold-up time은 더 늘어나야 함. Unit내 KO drum이 놓일 경우 droplet size기준은 없으며, 다만 hold-up time만 고려하면 그 후단의 main flare KO drum에서는 추가적인 hold-up time을 고려할 필요는 없다. 아울러 최대 gas량과 최대 liquid양을 동시에 고려할 필요는 없으며, 최대 가스량 기준과 최대 liquid양 기준 각각에 대해 검토를 하되 만약 최대 liquid양을 알 수 없을 때 gas양의 2wt%가 응축한다고 가정함.)이며 Entrainment particle 최대입자 크기는 600마이크론 기준 (API 521에 따르면 600마이크론 입자보다 액적이 클 경우 burning rain이 발생될 수 있으며 smoke가 발생되므로 smoke suppression equipment가 고려되어야 함.)
600마이크론 입자 1%미만일 경우 steam 혹은 air assisted flare로 smoke나 burning rain없이 운전이 가능하며, 만약 1000마이크론 입자가 1%까지 포함될 경우 HP sonic (2barg이상의 압력) flare에서 smoke없이 처리가 가능함. 아울러 배관내 2m/s의 gas 유속 이하에서 300마이크론 이상의 입자가 drop될 수 있으며, 반대로 liquid가 system내에서 drain되지 않았다면 가스 유속이 3m/s이상일 경우 1000마이크론 이상 입자의 liquid가 entrain될 수 있음. 이 경우 1000마이크론 이상은 flare type에 무관하게 burning rain을 야기함.
Radiation heat flux
Flaresim software를 사용.
Emissivity factor, Fractional heat radiation (F-factor)는 가스 조성과 flare type에 따라 영향을 받으며, 일반적으로 고압 sonic flare는 공기와 가스의 mixing이 잘되어 F factor는 상대적으로 작아 대략 0.07~0.15범위이며, 저압 sub-sonic flare는 mixing이 잘 되지 않아 F factor값이 상대적으로 높아 대략 0.2~0.35범위이며 F factor값이 작을수록 flare stack은 작아진다. 보통은 Methane은 0.2, propane은 0.33, 분자량이 큰 HC은 0.4를 적용하며 flare vendor 경험에 근거하여 결정됨. 아래 table은 API 521 기준임.
Flare tip길이는 3m이며 diameter는 riser diameter보다 4”정도 작고 Radiation heat flux에 대한 sterile radius의 경우 HC flare는 175m이고, acid flare는 30m이며 wind는 12.5m/s기준이고 Humidity는 83~99%임.
Radiation heat flux는 Brzustowski & Sommer 방법으로 계산함.
Solar radiation은 0.788kw/m2. Solar 값을 제외한 max allowable radiation은 1500Btu/hrft2임.
Flare hydraulic analysis
Noise level: governing시 flare tip에서 115dB이하임.
Mach number: tail pipe (0.7), sub-header와 header (0.5) (API521 6th, 5.7.5.2에 따르면 flare stack 높이 basis는 차압도 check해야 하지만 기본적으로 속도 기준이며 tip에서의 속도가 아닌 riser에서의 속도는 governing case일 때 Mach 0.5이하가 되어야 함.)
Flare tip과 seal drum의 pressure drop 합: 0.4kg/cm2 @ governing case (API 521 6th, 5.7.5.4에 따르면 tip에서 pressure drop이 클수록 smokeless performance뿐만 아니라 combustion performance를 개선할 수 있지만, PSV back pressure가 커지므로 전체적인 검토가 필요함)
Hydraulic은 ASPEN flare system analyzer사용함.
OSBL total back pressure는 PSV중 가장 낮은 set pressure의 50%이하이어야 하며, governing case일 때 BL의 최대 back pressure는 1.7kg/cm2임.
Demountable flare derrick structure
derrick support내에 2개의 riser를 설치하여 하나는 spare역할을 함. 과거에는 fixed riser이었는데 demountable riser로 진화중임.
Space를 줄일 수 있고 각각의 riser section을 분해하면서 flare tip을 grade로 내릴 수 있어서 crane이 필요하지 않고 facilities를 shut down할 필요가 없음. (zeeco기준 200m riser높이와 100인치 riser diameter에 적용했음.) 즉, tip maintenance가 필요할 경우 다른 riser로 switching하고, 해당 tip은 riser를 하나씩 해체하여 아래로 내려 검사하며 이 때 flare tip까지 올라갈 필요도 없음. Flare가 운전 중일 때도 그 옆의 flare maintenance가 가능하다는 것임. Flare가 permanent available한 것이 가장 큰 장점. Flare maintenance이유로 process를 shut down할 필요가 없음. Riser가 section으로 나뉘고 flange로 연결할 수 있고 모든 utility line이나 cable도 각 section별로 dress up되어 있음. 아울러 각 section별로 junction box가 있어서 전기 계장 cable wiring access가 가능함.
Future expansion을 위한 여분의 space도 고려할 수 있어서 확장성이 뛰어남. 하나의 structure내에 최대 10개 riser를 설치할 수 있다.
Dispersion study
Flame out 시나리오를 고려하며 DNV phast를 이용하고 Gaussian dispersion model을 적용함. Flammable (hazard) gas와 toxic gas 두 종류의 study가 필요함.
Governing load에 10%마진을 추가하며 flammable은 3가지 농도 기준으로 LFL, 0.5LFL, 0.1LFL이 있으며, toxic의 경우 NIOSH기준에 따라 8시간, 15분, IDLH에 대한 H2S, CO, NH3 ppm 농도가 define되어 있음.
Dynamic simulation
Dynamic simulation은 flare load 절감 및 depressurizing 계산용이며, 주로 column, compressor 혹은 multi loop 냉동 시스템이나 열교환기 tube rupture에 적용할 수 있으며 transient pressure increase를 check하고 ASPEN HYSYS를 이용함.
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