陳中民1 王志剛2 秦士江3 秦云鋒3

1.中國石油集團工程股份有限公司 北京 100029；2.中石油華東設計院有限公司 山東 青島 266071；3.圣泰智科（上海）軟件科技有限公司 上海 201203

超壓泄放和火炬系統(tǒng)是煉化企業(yè)的最后一道安全保障，在設計階段采用科學可靠的方法進行超壓工況的泄放分析和泄放量的計算對被保護設備的安全極其重要。但超壓工況分析和泄放量計算是一個復雜的過程，一方面要確保系統(tǒng)安全，另一方面泄放系統(tǒng)也不能過于龐大。由于國內(nèi)設計規(guī)范的不完善，以及重視程度不足等原因，傳統(tǒng)的泄放分析存在諸多缺陷，比如遺漏重要的超壓工況、泄放量計算不正確、沒有充分考慮設備間的相互影響等，造成安全閥和火炬系統(tǒng)存在重大安全隱患。以下以催化裂化裝置為例對此予以說明。催化裂化技術在國內(nèi)經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，技術水平已居世界前列[1]。但筆者在多年的泄放分析工作中發(fā)現(xiàn)，催化裂化裝置在泄放分析、泄放量計算及裝置火炬系統(tǒng)的設計中仍有許多不足之處，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）超壓工況的分析不全面。以分餾塔為例，部分設計單位在分析超壓工況時，僅分析停電工況、循環(huán)水停工況和富氣壓縮機停工況，且停電工況未明確區(qū)分全廠停電和局部停電工況。超壓工況的分析不全面，極易忽略可能存在的泄放量更大的工況。

（2）超壓工況的泄放量計算粗放。同樣以分餾塔為例，發(fā)現(xiàn)部分設計單位在泄放量計算時，簡單地以塔頂氣相量作為停電工況的泄放量。通過嚴格的泄放量計算可以發(fā)現(xiàn)，實際的泄放量和組成與這種簡單估算的結(jié)果相差甚遠。

（3）對于存在熱集成的工藝流程，僅通過靜態(tài)的分析計算極易忽略在超壓工況發(fā)生后設備間的互相影響。因存在熱集成，超壓工況發(fā)生后，部分換熱器負荷或增或減，將對泄放量產(chǎn)生影響。僅通過靜態(tài)的分析計算，無法定量確定超壓工況發(fā)生后換熱器負荷的變化，計算得到的泄放量數(shù)據(jù)與實際情況相比可能存在較大偏差。

上述問題將導致裝置的泄放系統(tǒng)存在諸多安全隱患。為此，以300 萬t/ a 催化裂化裝置為例，闡述系統(tǒng)化的泄放分析方法，以期對泄放系統(tǒng)設計和工業(yè)生產(chǎn)中確保裝置安全提供有價值的參考。

1 系統(tǒng)化的泄放分析方法

火炬氣的主要來源是被保護設備的超壓泄放或緊急泄壓排放，因而泄放分析必須從被保護設備的超壓事故工況分析這個源頭上著手。如上所述，泄放分析和計算是一項復雜的工作，既要保證安全又不能過于保守。系統(tǒng)化的泄放分析方法是嚴格遵照API Standard 521[2]標準，結(jié)合流程模擬、靜態(tài)泄放分析、動態(tài)泄放分析和泄放量消減分析等手段，對被保護設備泄放量、裝置及全廠總泄放量進行系統(tǒng)性分析的方法。整個分析過程分三個部分完成，分述如下：

（1）第一階段進行靜態(tài)泄放分析，基本宗旨是采用API 521 的原則和方法，根據(jù)對工藝流程和控制系統(tǒng)的分析，基于每個被保護設備確定適用的泄放工況及其假設條件，并計算泄放量。典型超壓工況如表1 所示[1]。此項目中采用SimTechRelief 軟件進行泄放分析和計算。

表1 典型超壓工況

（2）第二階段進行動態(tài)泄放分析，即采用基于嚴格機理的動態(tài)模擬方法，在嚴格遵照API 521 標準的前提下，對被保護設備超壓工況及其R泄放的動態(tài)行為進行模擬和分析。動態(tài)模擬是目前進行泄放分析最佳的技術手段，也是API 521 標準中推薦的方法。關于該方法還可以參考文獻[3- 6]。以下采用SimSci 公司（現(xiàn)率屬于AVEVA 公司）的Dynsim 軟件作為動態(tài)模擬工具。

（3）第三階段則側(cè)重泄放量的消減，即根據(jù)實際條件，采用工藝和設備變更和高完整性超壓保護聯(lián)鎖（HIPS）等措施，消除或減少超壓事故時的排放，從而達到消減泄放量的目的。

嚴格依照API 521 標準，通過系統(tǒng)化的泄放分析方法，既保證被保護設備和火炬系統(tǒng)安全，又盡量縮減泄放系統(tǒng)的規(guī)模。

2 催化裂化裝置的泄放分析

典型的催化裂化裝置分餾塔流程示意圖如圖1 所示。

圖1 催化裂化裝置分餾塔流程示意圖

2.1 靜態(tài)泄放分析

根據(jù)API 521 分析原則，分析催化裂化裝置分餾塔可能存在的超壓工況，詳見表2。

表2 分餾塔超壓工況

完成泄放工況的確定后，需建立分餾塔正常操作工況的穩(wěn)態(tài)模擬模型（以下采用PRO/ II），并采用SimTech Relief 軟件對每個工況的泄放量進行計算。

分餾塔主要超壓工況泄放量計算結(jié)果匯總?cè)绫?。從表3 數(shù)據(jù)可以看到，不同事故工況下排放量差別非常大，單純?nèi)∷敋庀嗔孔鳛榉逐s塔的最大泄放量存在很大的缺陷：

表3 分餾塔超壓工況的靜態(tài)分析結(jié)果

（1）全廠停電后提升管反應器聯(lián)鎖注入事故蒸汽，分餾塔安全閥最大泄放量為159t/ h，明顯低于正常生產(chǎn)時塔頂氣相量285t/ h。如果以285t/ h 作為全廠停電工況泄放量，這將使全廠停電工況下疊加后的裝置和全廠的火炬量明顯偏大。

（2）全廠停電工況下，分餾塔頂安全閥泄放或者富氣壓縮機入口放火炬閥排放的火炬氣中，水蒸氣含量明顯高于塔頂氣相中水蒸氣含量。

2.2 動態(tài)泄放研究

采用Dynsim 對催化裂化裝置的超壓和泄放行為進行動態(tài)研究。

2.2.1 分餾塔全廠停電工況

對全廠停電工況分餾塔的超壓泄放進行了動態(tài)研究。在實際生產(chǎn)過程中，當富氣壓縮機跳車后，會聯(lián)鎖打開富氣壓縮機入口放火炬閥，塔頂油氣經(jīng)放火炬閥排至火炬，整個過程安全閥不起跳。因此，確定火炬量時必須分析全廠停電工況經(jīng)富氣壓縮機入口放火炬閥排放和經(jīng)安全閥泄放兩種情況，分析結(jié)果詳見圖2 和圖3。

圖2 分餾塔全廠停電工況動態(tài)泄放曲線（控制閥排放）

圖3 分餾塔全廠停電工況動態(tài)泄放曲線（安全閥泄放）

經(jīng)動態(tài)研究可以發(fā)現(xiàn)，全廠停電后，塔頂冷凝冷卻系統(tǒng)、各中段取熱系統(tǒng)及富氣壓縮機停止，提升管聯(lián)鎖注入事故蒸汽，塔頂壓力快速升高。經(jīng)過放火炬閥排放與經(jīng)過安全閥泄放的動態(tài)曲線不同，但排放量的峰值約為160t/ h，相差不大。

2.2.2 分餾塔局部停電工況

局部停電（即停低壓電）后，塔頂空冷、回煉油泵和富氣壓縮機停止，反應油氣不停，塔頂壓力快速升高。安全閥于工況發(fā)生后1min 后起跳，分析時間段內(nèi)峰值泄放量為408t/ h（分子量為61.6），動態(tài)泄放曲線如圖4 所示。

圖4 分餾塔局部停電工況動態(tài)泄放曲線（安全閥泄放）

因分餾塔一中段油至穩(wěn)定塔底重沸器供熱，局部停電后穩(wěn)定塔頂空冷、回流泵同時停止；穩(wěn)定塔頂壓力持續(xù)升高，塔壓升高后造成塔釜溫度升高，塔底重沸器換熱負荷因有效傳熱溫差降低而減小，從而引起分餾塔一中段油取熱減少。這部分減少的熱量積聚在分餾塔中，導致分餾塔最大泄放量高達408t/ h，遠高于靜態(tài)分析的249t/ h。

靜態(tài)泄放分析是基于單個被保護設備的分析，極易忽略這種復雜的熱耦合關系造成的相互影響，不通過嚴格的動態(tài)模擬手段難以分析出整個超壓和泄放發(fā)生過程中的相互作用和相互影響。

該局部停電工況不僅是分餾塔的控制性工況，也是整個催化裂化裝置的控制性工況。若忽略該工況或分析不準確，將直接導致分餾塔安全閥選型偏小和裝置火炬系統(tǒng)排放能力不足，這將遺留非常大的安全隱患。

2.3 泄放量消減措施分析

不同催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的工藝流程會有所不同，尤其是解吸塔和穩(wěn)定塔的熱源不同。本例中由于動態(tài)研究后解吸塔和穩(wěn)定塔的泄放量較小，增設火炬量消減措施的必要性不大。但其他催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)還是有可能需要考慮HIPS 等消減措施的。

特別需要指出的是，很多催化裂化裝置和氣體分餾裝置屬于聯(lián)合裝置，這兩套裝置的泄放量都比較大，需要特別注意局部停電工況下的排放總量，以及配電方案對局部停電工況總排放量的影響。

3 結(jié)論

（1）泄放分析工作必須做全面、完整和詳細的超壓工況分析，不僅要分析泄壓設備泄放，還要考慮通過調(diào)節(jié)閥的排放，否則極易忽略重要的超壓工況，從而遺留巨大的安全隱患。

（2）泄放量的確定一定要采用科學、可靠的計算和分析方法，絕不能憑經(jīng)驗或簡化計算。與之相反，必要時還要采用更復雜的動態(tài)模擬方法進行詳細的分析。泄放量計算的偏差將直接導致泄壓設備不能充分保護設備，并導致火炬系統(tǒng)排放能力不足。

（3）非常有必要推行系統(tǒng)化的泄放分析工作，從而使計算的泄放量既充分保證安全又不過于保守。