王海清，劉蔭，高智泉，眭文祺

（1 中國(guó)石油大學(xué)安全科學(xué)與工程系，山東青島266580；2 中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司煉油廠，新疆獨(dú)山子833699）

石化工廠在進(jìn)行改擴(kuò)建時(shí)，新增加的產(chǎn)能裝置將導(dǎo)致排放至火炬系統(tǒng)的火炬氣增加，從而可能會(huì)超出原火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷。但由于用地、資金和近年來(lái)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求等客觀因素的限制，新建和安裝額外的火炬系統(tǒng)來(lái)處理增加的火炬載荷往往并不可行。因此需要評(píng)估現(xiàn)有火炬系統(tǒng)處理裝置改造后泄放載荷的能力，并通過(guò)必要的負(fù)荷協(xié)調(diào)管理來(lái)解決火炬載荷增加的風(fēng)險(xiǎn)控制問(wèn)題[1]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《泄壓和減壓系統(tǒng)》（API 521）及國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH 3009—2013）、《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50183—2004）等常用的火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范中均未明確提出石化裝置改擴(kuò)建時(shí)火炬系統(tǒng)負(fù)荷的核算方法，這使石化裝置改擴(kuò)建時(shí)對(duì)火炬系統(tǒng)安全隱患的再評(píng)估往往更多依賴(lài)于工程經(jīng)驗(yàn)。因此提出一套明確、合理的方法用于量化石化裝置改擴(kuò)建后火炬系統(tǒng)的負(fù)荷顯得十分必要。

目前眭文祺等[2]提出了一種計(jì)算火炬系統(tǒng)多源泄放負(fù)荷的新型算法——火炬系統(tǒng)中的多壓力單元泄放疊加算法來(lái)評(píng)估石化裝置改擴(kuò)建后的火炬系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，并提出一個(gè)針對(duì)石化裝置改擴(kuò)建后火炬系統(tǒng)負(fù)荷的量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，以期能夠?qū)崿F(xiàn)在不改變?cè)瓘S區(qū)火炬系統(tǒng)的前提下，定量分析廠區(qū)改擴(kuò)建裝置引起的火炬系統(tǒng)物性參數(shù)的變化，并確定導(dǎo)致安全隱患的泄放條件。

得到導(dǎo)致安全隱患的泄放條件后，本文進(jìn)一步提出了在不改變現(xiàn)有火炬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，降低火炬系統(tǒng)總載荷的方法。目前已有一些學(xué)者著手此方面的研究：Dinh等[3]提出了一種通用的、主動(dòng)且具有成本效益的火炬最小化方法，該方法使用動(dòng)態(tài)模擬來(lái)減少異常操作下的工業(yè)排放；Wang等[4]提出了一種基于工廠動(dòng)態(tài)仿真的系統(tǒng)方法，用于在異常操作條件下針對(duì)面向安全的CPI （chemical process industry）進(jìn)行FM（flare minimization）；Sohag 等[5]提出了結(jié)合故障樹(shù)分析和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的火炬系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性評(píng)估方法；Fang等[6]提出了火炬事件預(yù)測(cè)的分層分布式監(jiān)視方法，并成功應(yīng)用；Lee 等[7]致力于使用HIPs（高完整性保護(hù)系統(tǒng)）降低火炬系統(tǒng)載荷。但是上述方法仍處于發(fā)展階段，可靠性和實(shí)用性仍需要進(jìn)一步的研究。

1 裝置改擴(kuò)建對(duì)火炬系統(tǒng)負(fù)荷影響分析

1.1 多壓力單元的疊加泄放

目前火炬系統(tǒng)只服務(wù)于單個(gè)壓力泄放源的情況在現(xiàn)代石化行業(yè)中比較罕見(jiàn)，絕大多數(shù)石化企業(yè)的情況是火炬系統(tǒng)需要服務(wù)于多個(gè)壓力泄放系統(tǒng)。多壓力單元泄放疊加算法能夠?qū)我慌既皇录庐a(chǎn)生的最大負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，其基本泄放設(shè)計(jì)場(chǎng)景是：某特殊工況下當(dāng)火炬系統(tǒng)多個(gè)泄放源同時(shí)泄放時(shí)，應(yīng)按照每個(gè)工藝單元依次取得100%的泄壓負(fù)荷連同50%其他單元的量來(lái)計(jì)算。

API 521 中對(duì)于多個(gè)壓力泄放閥的泄放問(wèn)題，指出應(yīng)計(jì)算可能影響任何壓力泄放閥的所有偶然事件下的負(fù)荷，并未提供具體的計(jì)算方法。因此，多壓力單元泄放疊加算法與API 521相比能更好地適用于本文討論的情況。本文將使用多壓力單元泄放疊加算法確定裝置改擴(kuò)建后火炬系統(tǒng)多源泄放時(shí)的泄放組合、泄放路徑和泄放量。

1.2 適用場(chǎng)景與基本假設(shè)

火炬系統(tǒng)多源泄放負(fù)荷分析（analysis of multisource discharge load in flare system，AMDLF）方法適用于以下場(chǎng)景：某廠區(qū)已經(jīng)平穩(wěn)安全運(yùn)行過(guò)一段時(shí)間，廠區(qū)內(nèi)原有的火炬系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)校核，處于安全工作狀態(tài)?，F(xiàn)在廠區(qū)內(nèi)對(duì)需要泄放至火炬系統(tǒng)的裝置進(jìn)行改擴(kuò)建。本文主要討論在原有的火炬系統(tǒng)不發(fā)生改變的情況下，改擴(kuò)建裝置對(duì)火炬系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。需要注意的是，本文提供的方法僅適用于裝置改擴(kuò)建階段的火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本文的研究基于以下假設(shè)。

（1）在分析泄放負(fù)荷時(shí)，通常不考慮兩個(gè)不相關(guān)的偶然事件同時(shí)發(fā)生的可能性，但要保證一個(gè)偶然事件不能長(zhǎng)時(shí)間未被發(fā)現(xiàn)[8]。

（2）在實(shí)際情況下，同一泄放源在不同泄放路徑下的泄放量并不相同。要想得到具體可靠的數(shù)據(jù)須結(jié)合實(shí)際廠區(qū)分析得到。本文涉及的仿真案例研究旨在探究改擴(kuò)建裝置對(duì)火炬系統(tǒng)產(chǎn)生影響的方法，為不失一般性，假設(shè)同一泄放源在不同路徑下取相同的泄放量。

1.3 AMDLF方法的流程設(shè)計(jì)

本文提出一種新的AMDLF 方法流程，以確定石化裝置改擴(kuò)建后火炬系統(tǒng)負(fù)荷。

（1）確定石化裝置改擴(kuò)建后，廠區(qū)自泄放裝置至火炬系統(tǒng)的流程圖或P&ID圖。

（2）確定一個(gè)需要校核的起始事件（即特殊工況），記需要校核的起始事件為E。

（3）確定起始事件E下可能發(fā)生泄放的泄放源和每個(gè)泄放源的最大泄放量。為不失一般性，假設(shè)起始事件E 下可能發(fā)生泄放的泄放源為N（N≥2）個(gè)，泄放源編號(hào)為S1、S2、…、SN-1、SN，對(duì)應(yīng)的最大泄放量為Q1、Q2、…、QN-1、QN。

（4）確定起始事件E下所有泄放組合、泄放路徑和每條泄放路徑下的總泄放量及各泄放源實(shí)際泄放量。

使用多壓力單元泄放疊加算法確定泄放組合和每種泄放組合下的泄放量，每種特殊工況下的泄放組合按照排列組合的方式列出。因此起始事件E下可能出現(xiàn)的泄放組合個(gè)數(shù)X可由式(1)得出：

式中，N為起始事件E下可能發(fā)生泄放的泄放源數(shù)量；CNi為在N 個(gè)泄放源中取i 個(gè)泄放源的組合數(shù)。

按照多壓力單元泄放疊加算法，每個(gè)泄放組合的泄放量應(yīng)為每個(gè)工藝單元依次取得100%的泄壓負(fù)荷連同50%其他單元的泄放量。因此當(dāng)某泄放組合的泄放源多于一個(gè)時(shí)，此泄放組合將對(duì)應(yīng)多條泄放路徑。起始事件E下泄放路徑的個(gè)數(shù)Y可由式(2)得出。

起始事件E下每條泄放路徑的泄放量需要逐一計(jì)算。每條泄放路徑下各泄放源的實(shí)際泄放量可由泄放路徑內(nèi)各泄放源泄放負(fù)荷所占百分比（主要泄放單元為100%，其他單元為50%）和起始事件E下各泄放源的最大泄放量確定，實(shí)際泄放量分別記為Qr1、Qr2、…、Qr(n-1)、Qrn。

以起始事件E下的一條計(jì)算路徑為例：該路徑下發(fā)生泄放的泄放源為n（n≥2）個(gè)，編號(hào)分別為S1、S2、…、Sn-1、Sn，這條泄放路徑的總泄放量Q可由式(3)得出。

式中，Qri為第i個(gè)泄放源在這條泄放路徑下的實(shí)際泄放量；k為計(jì)算系數(shù)，可由式(4)確定。

（5）計(jì)算每條泄放路徑的物性參數(shù)，比較廠區(qū)的要求與計(jì)算得到的物性參數(shù)，得到存在安全隱患的泄放組合。

（6）其他起始事件的核算重復(fù)步驟(2)～(5)，直到所有起始事件核算完畢，即可得到所有起始事件下存在安全隱患的泄放組合。

AMDLF方法流程如圖1所示。

圖1 AMDLF方法流程

對(duì)上述方法步驟做以下補(bǔ)充。

（1）根據(jù)SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，可能引起裝置泄放的特殊工況有：工藝裝置開(kāi)、停工；火災(zāi)事故；停水、停電及蒸汽、儀表空氣供應(yīng)中斷等工程事故；其他事故[9]。在具體應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)廠區(qū)的實(shí)際情況選取可能發(fā)生的起始事件。

（2）泄放組合的物性參數(shù)的計(jì)算可以使用API 521 提供的計(jì)算方法，也可以使用軟件計(jì)算。Aspen Flare-net 是一款專(zhuān)門(mén)用于穩(wěn)態(tài)網(wǎng)狀泄放系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件，可以對(duì)集中、發(fā)散或環(huán)形等各類(lèi)火炬管網(wǎng)進(jìn)行模擬。本文將使用Aspen Flare-net 軟件對(duì)火炬系統(tǒng)的物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算的數(shù)值來(lái)判斷廠區(qū)改擴(kuò)建裝置對(duì)火炬系統(tǒng)負(fù)荷的影響和驗(yàn)證提出的解決方法是否有效。

2 案例

本文以某石化工廠的一聯(lián)合單元為例，使用上述方法得到裝置改擴(kuò)建后火炬系統(tǒng)的負(fù)荷。結(jié)合工程實(shí)際需求，以安全閥閥后背壓、噪聲、下游馬赫數(shù)等參數(shù)作為判斷火炬系統(tǒng)是否風(fēng)險(xiǎn)可控的標(biāo)準(zhǔn)；其中，安全閥閥后背壓為重要判斷基準(zhǔn)。通過(guò)比較新增裝置前后廠區(qū)內(nèi)各裝置的安全閥閥后背壓、噪聲、馬赫數(shù)，定量評(píng)估新增裝置對(duì)火炬系統(tǒng)和廠區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)影響。

2.1 新增裝置前火炬系統(tǒng)仿真計(jì)算

某石化廠一聯(lián)合單元共有三套裝置簡(jiǎn)記為A、B、C，對(duì)應(yīng)的安全閥編號(hào)分別為1、2、3。這3套裝置均泄放至同一火炬系統(tǒng)。原廠區(qū)流程如圖2所示。其中包含的部件有：安全閥1、安全閥2、安全 閥 3 （ 分 別 對(duì) 應(yīng) 圖 2 中 ReliefValve1、ReliefValve2、ReliefValve3）；排氣管1、排氣管2、排氣管3（分別對(duì)應(yīng)圖2 中Tailpipe1、Tailpipe2、Tailpipe3）；管道1、管道2 （分別對(duì)應(yīng)圖2 中Pipe1、Pipe2）；三通1、三通2（分別對(duì)應(yīng)圖2 中Tee1、Tee2）；火炬管（對(duì)應(yīng)圖2中Stack）、火炬頭（對(duì)應(yīng)圖2中FlareTip）。

（1）各部件參數(shù)

安全閥參數(shù)見(jiàn)表1。管道參數(shù)見(jiàn)表2。

在該廠區(qū)可能發(fā)生的特殊工況有火災(zāi)、冷卻失效、局部停電等，本節(jié)選擇火災(zāi)工況進(jìn)行分析。本仿真案例中，火災(zāi)特殊工況的限制參數(shù)為各管道的馬赫數(shù)不大于0.7，噪聲不大于110dB。

（2）泄放組合和泄放路徑求解

火災(zāi)工況下泄放裝置A、B、C 均可能泄放，根據(jù)式(1)得到的泄放組合共有7種，分別是：A裝置單獨(dú)泄放、B 裝置單獨(dú)泄放、C 裝置單獨(dú)泄放、AB 裝置同時(shí)泄放、AC 裝置同時(shí)泄放、BC 裝置同時(shí)泄放、ABC 裝置同時(shí)泄放。根據(jù)式(2)可得泄放路徑共有12 條。火災(zāi)工況的泄放組合和泄放路徑見(jiàn)表3。

確定泄放組合和泄放路徑后，分別計(jì)算每條泄放路徑下各安全閥的背壓。本文使用Aspen Flare-net 軟件作為計(jì)算工具。計(jì)算結(jié)果在2.3 節(jié)中展示。

2.2 新增裝置后火炬系統(tǒng)仿真計(jì)算

在上述聯(lián)合單元的基礎(chǔ)上增加泄放裝置D，對(duì)應(yīng)安全閥編號(hào)為4。新增裝置后廠區(qū)流程如圖3所示。

（1）新增裝置參數(shù) 在流程中增加的部件有：安全閥4（對(duì)應(yīng)圖3中ReliefValve4）、排氣管4（對(duì)應(yīng)圖3 中Tailpipe4）、管道3（對(duì)應(yīng)圖3 中Pipe3）、三通3（對(duì)應(yīng)圖3 中Tee3）。其他部件與圖2 相同。增加的管道部件信息見(jiàn)表4，其他部件保持不變。增加的安全閥4的參數(shù)見(jiàn)表5。

圖2 新增裝置前廠區(qū)流程

表1 安全閥參數(shù)表

表2 管道參數(shù)表

表3 新增裝置前泄放組合及泄放路徑表

表4 新增管道部件參數(shù)表

表5 安全閥4參數(shù)表

（2）泄放組合和泄放路徑求解 根據(jù)式(1)和式(2)可得火災(zāi)工況下有以下15種泄放組合和32條泄放路徑，見(jiàn)表6。

表6 新增裝置后泄放組合和泄放路徑表

確定泄放組合和泄放路徑后，使用Flare-net軟件計(jì)算每條泄放路徑下各安全閥的背壓、噪聲和馬赫數(shù)。計(jì)算結(jié)果在2.3節(jié)中展示。

圖3 新增裝置后廠區(qū)流程

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)每條泄放路徑下各泄放源泄放負(fù)荷所占百分比和火災(zāi)工況下各泄放源的最大泄放量可得各泄放源的實(shí)際泄放量；根據(jù)式(3)和式(4)可得每條泄放路徑總泄放量。由各泄放源的實(shí)際泄放量和每條泄放路徑總泄放量，使用Aspen Flare-net軟件計(jì)算得到廠區(qū)火災(zāi)工況下新增裝置前每條泄放路徑下各安全閥的背壓見(jiàn)表7。

表7 新增裝置前安全閥閥后背壓計(jì)算結(jié)果

同理，計(jì)算得到廠區(qū)火災(zāi)工況下新增裝置后泄放路徑下各安全閥背壓如表8所示。

表8 新增裝置后安全閥閥后背壓計(jì)算結(jié)果表

噪聲和下游馬赫數(shù)的計(jì)算按照相同的方法進(jìn)行。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在本文的仿真案例中火炬系統(tǒng)的各部件噪聲、馬赫數(shù)在新增裝置前和新增裝置后均處于廠區(qū)要求的范圍內(nèi)。具體計(jì)算數(shù)值由于篇幅原因在此不做展示。

對(duì)比火災(zāi)工況下新增裝置前后的安全閥閥后背壓、噪聲和下游馬赫數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

（1）新增裝置前各安全閥的閥后背壓均小于安全閥的最大允許背壓3.808×105Pa。新增裝置后，各個(gè)安全閥的閥后背壓均有升高。其中泄放路徑5、6、17、18、20、21、29、30（即泄放組合AB、ABC、ABD、ABCD）均有安全閥的閥后背壓超過(guò)了最大允許背壓；其他泄放路徑下的閥后背壓有一定程度的升高，但并未超過(guò)最大允許背壓3.808×105Pa。因此在火災(zāi)特殊工況下，只要泄放裝置A、B同時(shí)泄放就會(huì)導(dǎo)致部分安全閥的閥后背壓超高。

（2）新增裝置前各泄放路徑下各部件的噪聲均不超過(guò)噪聲最大允許值110dB。新增裝置后各泄放路徑下各部件的噪聲有不同程度的增大。但仍不超過(guò)噪聲最大允許值110dB。因此，不存在噪聲超高的安全隱患。

（3）新增裝置前各泄放路徑下各部件的下游馬赫數(shù)均不超過(guò)馬赫數(shù)最大允許值0.7。新增裝置后各泄放路徑下各部件的下游馬赫數(shù)有不同程度的增大。但仍不超過(guò)馬赫數(shù)的最大允許值0.7。因此，不存在下游馬赫數(shù)超高的安全隱患。

因此，得到新增裝置后具有安全隱患的泄放組合為：泄放裝置A、B同時(shí)泄放。

冷卻失效、局部停電等其他特殊工況下新增裝置對(duì)火炬系統(tǒng)的影響可以使用同樣的方法得到。

3 結(jié)論

（1）本文提出了石化裝置改擴(kuò)建情況下量化火炬系統(tǒng)負(fù)荷的計(jì)算流程與方法，解決了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在此方面未明確給出新增泄放負(fù)荷及其關(guān)鍵指標(biāo)核算的問(wèn)題。

（2）本文提供的方法不僅能夠得到火炬系統(tǒng)負(fù)荷的量化結(jié)果，還能得到導(dǎo)致安全隱患的泄放組合。這對(duì)后續(xù)提高火炬系統(tǒng)處理能力具有指導(dǎo)作用。

（3）本文提供的方法應(yīng)用了計(jì)算火炬系統(tǒng)負(fù)荷的新方法——火炬系統(tǒng)中的多壓力單元泄放疊加算法。案例分析表明該方法在火炬組合泄放負(fù)荷計(jì)算方面能夠提供更高的準(zhǔn)確性，因此對(duì)設(shè)計(jì)石化裝置改擴(kuò)建情況下火炬系統(tǒng)負(fù)荷管理對(duì)策具有一定指導(dǎo)意義。

（4）關(guān)于如何解決裝置改擴(kuò)建后可能出現(xiàn)的安全隱患，秉承盡量節(jié)約成本的思想，可以選擇在不改變?cè)谢鹁嫦到y(tǒng)的基礎(chǔ)上尋找可能導(dǎo)致安全隱患的泄放組合（如上文所示），并根據(jù)工況采用多種措施阻止這些泄放組合的出現(xiàn)，包括設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)陌踩?lián)鎖SIF回路進(jìn)行泄放負(fù)荷管理等，這些措施的具體應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究。