高攀龍 李供法 牛繼光

摘要：本研究從火炬系統(tǒng)核算與消減兩個方面闡述一種科學的火炬系統(tǒng)分析方法，遵循API 521標準，提出一整套系統(tǒng)化的方法和技術(shù)，從超壓源頭上進行科學的泄放分析，采取符合標準的方法和措施盡可能地對火炬排放量進行消減，并在此基礎(chǔ)上對某石化廠全廠火炬系統(tǒng)進行優(yōu)化，使全廠火炬系統(tǒng)滿足現(xiàn)役及未來新建裝置的使用需求。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)化；火炬系統(tǒng)；核算與消減

DOI：10.12433/zgkjtz.20233044

一、火炬系統(tǒng)核算與消減的必要性

火炬系統(tǒng)是石化工廠的最后一道安全保障，在事故狀態(tài)下火炬系統(tǒng)能否滿足各裝置的排放需求直接影響企業(yè)的安全生產(chǎn)。

對于現(xiàn)役工廠，由于不斷擴建和改造，新老裝置錯綜復雜，加之原料和操作條件與設(shè)計值往往有較大的偏離，又缺少可靠的泄放分析數(shù)據(jù)，很多企業(yè)已經(jīng)難以確認現(xiàn)役火炬系統(tǒng)是否能滿足當前的泄放要求。如果不對現(xiàn)役裝置的實際排放需求和現(xiàn)役火炬的排放能力進行仔細充分的核算，盲目將新建擴建的裝置并入現(xiàn)役火炬，將會帶來很大的安全隱患。另外，生產(chǎn)裝置改造以后火炬量增大或者在設(shè)計階段可能會忽視某些關(guān)鍵工況，進而導致火炬系統(tǒng)處理能力不足。近年來曾發(fā)生過火炬系統(tǒng)不足而導致的嚴重事故。由于存在上述問題，可見現(xiàn)役工廠的火炬系統(tǒng)存在著較大的安全風險。

對于新建工廠而言，由于裝置規(guī)模大、數(shù)量多，火炬排放總量較大，但通常專利商和設(shè)計單位只采用靜態(tài)計算方法確定泄放量，導致火炬量過于保守。根據(jù)千萬噸規(guī)模的煉化一體化項目經(jīng)驗，如果依據(jù)專利商提供的數(shù)據(jù)，火炬排放總量將高達數(shù)千到10000t/h級別，龐大規(guī)模的火炬排放需求將帶來一系列的問題，如火炬總管尺寸大、數(shù)量眾多、投資額大等，通常情況下會發(fā)生工程設(shè)計難以實施、用地受限、投資限制等困難。

為實現(xiàn)現(xiàn)役工廠火炬系統(tǒng)的安全核算以及新建工廠的火炬系統(tǒng)優(yōu)化，需要從源頭上對火炬排放量進行詳細的核算，并采取符合標準的方法和措施盡可能地消減火炬量，以實現(xiàn)節(jié)約用地、縮減火炬放空管道和火炬處理設(shè)施的規(guī)模、節(jié)省投資等目標。

二、火炬系統(tǒng)核算與消減的技術(shù)

火炬氣主要是被保護設(shè)備的超壓泄放或緊急泄壓排放而產(chǎn)生的氣體，因而要解決火炬系統(tǒng)的問題必須從被保護設(shè)備的超壓事故工況分析源頭上著手。遵循發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的思路，基于國際通行的API 521[1]標準，再采用靜態(tài)和動態(tài)超壓泄放工況分析相結(jié)合的系統(tǒng)化方法火炬系統(tǒng)的核算與消減。

（一）火炬系統(tǒng)基礎(chǔ)泄放分析

火炬系統(tǒng)基礎(chǔ)泄放分析的主要目標是用靜態(tài)分析方法進行泄放分析、核算火炬量，對現(xiàn)役火炬系統(tǒng)進行校核，以檢驗這些系統(tǒng)是否有問題。其主要工作內(nèi)容包括：

1.穩(wěn)態(tài)模擬

泄放分析和計算必須以泄放條件下的物性為基礎(chǔ)，因而必須建立裝置的穩(wěn)態(tài)模型?，F(xiàn)役裝置通常是以生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為穩(wěn)態(tài)模擬的基礎(chǔ)，新建裝置則以設(shè)計數(shù)據(jù)進行建模。

2.靜態(tài)泄放分析

采用以API 521[1]為標準的方法，基于每個被保護設(shè)備確定適用的泄放工況及其設(shè)定條件，再根據(jù)該標準中的原則計算泄放量和物性。

3.靜態(tài)分析核算

靜態(tài)分析核算是整個泄放分析和火炬系統(tǒng)優(yōu)化工作中的重要內(nèi)容，其計算的主要結(jié)果是關(guān)鍵的安全閥工況及其泄放數(shù)據(jù)。本研究采用SimTech Relief Plus?軟件進行靜態(tài)泄放分析和計算。該軟件計算時需將建立的穩(wěn)態(tài)模型導入，根據(jù)設(shè)備的超壓工況在軟件中完成相應的設(shè)置，軟件可自動計算出超壓工況下的泄放量和泄放物料的物性數(shù)據(jù)。

4.系統(tǒng)化的火炬系統(tǒng)核算與消減

系統(tǒng)化的火炬系統(tǒng)核算與消減技術(shù)在火炬量的疊加上較現(xiàn)行規(guī)范有所區(qū)別。系統(tǒng)化的火炬系統(tǒng)核算與消減技術(shù)在同一個事故工況下火炬量疊加時是遵循API 521[1]的標準，即火炬總量為各排放源最大排量之和。需要指出的是，該疊加計算原則比現(xiàn)行的SH-3009-2013標準更嚴謹，也更為苛刻。

（二）動態(tài)泄放分析

動態(tài)泄放分析，即基于嚴格機理的動態(tài)模擬，在API 521標準的指導下對被保護設(shè)備超壓工況及其泄放的動態(tài)行為進行模擬和分析。API 521標準中推薦使用動態(tài)模擬的方法進行泄放分析，動態(tài)泄放過程具有典型的動態(tài)屬性，動態(tài)模擬是基于嚴格機理模型的，能考慮復雜的物料和熱量耦合關(guān)系，因而可以更真實地再現(xiàn)泄放發(fā)生的實際過程。動態(tài)分析的結(jié)果通常以泄放曲線的形式展現(xiàn)（見圖 1），其中泄放量和時間的關(guān)系曲線，即我國SH-3009-2013標準中所述的時間－流量曲線。泄放曲線的最大值將作為該設(shè)備在該工況下最大排放量。本文采用Dynsim軟件作為動態(tài)模擬工具。

動態(tài)泄放分析的基礎(chǔ)是建立嚴格機理的動態(tài)模型。在動態(tài)建模過程中，需要將設(shè)備的規(guī)格尺寸、實際控制方案等設(shè)置到模型中。完成動態(tài)建模之后需要將模型從冷態(tài)（即初始開工狀態(tài)）開到穩(wěn)態(tài)，這一過程與裝置實際開工類似。當然，動態(tài)建模以及開工至穩(wěn)態(tài)的整個過程工作量大且需要充分的時間。在得到穩(wěn)態(tài)之后，可以根據(jù)具體的超壓工況進行分析。在多數(shù)情況下，需要對分析的結(jié)果進行多個工況研究。

（三） 火炬量消減分析

消減分析方法包括工況條件復核、動態(tài)疊加分析、采取HIPS（High Integrity Protection System，高完整性超壓保護聯(lián)鎖）和其他消減措施等。

HIPS是一種API 521推薦并被廣泛采納的火炬量消減方法。常見的HIPS應用是用高完整性（如SIL-2或SIL-3）的壓力高聯(lián)鎖切斷再沸器熱源或重沸爐燃料氣，HIPS的分析工作通常還包括量化的HIPS可靠性分析，以確定消減后的全廠火炬總量。

泄放分析中需要基于靜態(tài)和動態(tài)泄放分析的結(jié)果，選擇適合的被保護設(shè)備。在動態(tài)模型上對專利商已經(jīng)采用的HIPS或建議新增的HIPS的應用進行分析，包括HIPS的消減效果、HIPS設(shè)定點分析、HIPS的失效概率和可靠性分析等。

（四）火炬系統(tǒng)核算選型

在完成火炬系統(tǒng)火炬量的疊加匯總之后，對現(xiàn)役或新建工廠均可建立火炬系統(tǒng)管道水力學模型進而可對火炬系統(tǒng)進行水力學計算。水力學計算的結(jié)果包括各生產(chǎn)裝置邊界處背壓、火炬總管的馬赫數(shù)等。模型的起點邊界通常是裝置火炬和全廠火炬的邊界點，而終點邊界則通常是火炬設(shè)施。模型將包括管道、分液罐和火炬筒等。本文采用Visual Flare軟件進行建模。

三、案例研究

（一）背景介紹

某石化現(xiàn)役火炬系統(tǒng)設(shè)有高壓和低壓等總管，用于處理老區(qū)和太平村廠區(qū)廠區(qū)現(xiàn)役各裝置排放的火炬氣?；鹁嫦到y(tǒng)建成后，陸續(xù)有幾套生產(chǎn)裝置并入，現(xiàn)階段無法明確現(xiàn)役火炬系統(tǒng)能否滿足排放的需求。根據(jù)某石化的規(guī)劃要求，新建某裝置。如果新建裝置能利用現(xiàn)役的火炬系統(tǒng)，將有效降低新建路由的實施難度并能節(jié)省不少的投資。故需采用系統(tǒng)化的火炬系統(tǒng)核算和優(yōu)化技術(shù)，對現(xiàn)役火炬系統(tǒng)進行核算和優(yōu)化，并檢驗新建某裝置利用現(xiàn)役火炬系統(tǒng)的可行性。

（二）核算和優(yōu)化的結(jié)果說明

在考慮新建某裝置火炬氣并入的情況下，對現(xiàn)役火炬系統(tǒng)進行基礎(chǔ)泄放分析、動態(tài)泄放分析以及消減分析。以現(xiàn)役火炬系統(tǒng)火炬總量原設(shè)計數(shù)據(jù)為100%，各個分析階段的火炬總量如圖1所示。

經(jīng)對現(xiàn)役火炬系統(tǒng)進行系統(tǒng)化的核算與優(yōu)化后，在新建某裝置并入現(xiàn)役火炬系統(tǒng)的情況下，有如下結(jié)論：

（1）全廠停電工況為控制性工況，考慮熱輻射時優(yōu)化后的火炬總量比原設(shè)計火炬總量減少了38%，消減效果顯著。

（2）對于現(xiàn)役高壓和低壓火炬系統(tǒng)分別進行了水力學核算，全廠性工況背壓均不超設(shè)計背壓。

由此可知，采用科學、系統(tǒng)的泄放分析方法對火炬系統(tǒng)進行一次徹底、詳細的核算，對火炬系統(tǒng)現(xiàn)階段的負荷情況有明確的量化認識。通過采取一系列優(yōu)化措施后，在提高現(xiàn)役火炬系統(tǒng)安全性的同時實現(xiàn)了新建裝置火炬氣并入現(xiàn)役火炬系統(tǒng)的目標，為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了投資。

1. 老區(qū)低壓火炬放空系統(tǒng)

老區(qū)低壓火炬放空系統(tǒng)1、2的全廠停電工況核算背壓均不超原設(shè)計背壓。此時核算背壓為0.098MPaG，沒有超過安全閥允許值。

2. 新區(qū)現(xiàn)役高壓和低壓放空系統(tǒng)

新區(qū)現(xiàn)役高壓放空系統(tǒng)全廠停電工況及最大單事故工況核算背壓均不超原設(shè)計背壓。新區(qū)現(xiàn)役低壓放空系統(tǒng)全廠停電工況核算背壓不超原設(shè)計背壓，最大單事故工況核算背壓與設(shè)計背壓基本一致。

3. 新區(qū)現(xiàn)役低低壓放空系統(tǒng)

新區(qū)現(xiàn)役低低壓火炬系統(tǒng)的全廠停電工況核算背壓不超按火炬量設(shè)計數(shù)據(jù)核算的背壓。

四、消減措施

（一）催化裂解裝置富氣壓縮機兩臺潤滑油泵電機增設(shè)應急電源

為避免全廠停電工況發(fā)生時富氣壓縮機直接跳車后，發(fā)生放火炬閥打開排放，反應沉降器頂壓力因裝置邊界處背壓升高而升高的情況，催化裂解裝置富氣壓縮機兩臺潤滑油泵電機應增設(shè)應急電源，而且應急電源容量按至少維持電機運轉(zhuǎn)10min考慮。

（二）催化裂解裝置增強應急響應

為消減低壓火炬系統(tǒng)全廠停電工況下的排放量，需提高催化裂解裝置于停電工況下的應急響應能力，要將下列操作作為應急操作步驟并程序化：

（1）停電后，操作人員迅速切斷穩(wěn)定塔第二重沸器蒸汽熱源。

（2）停電后，操作人員需密切注意輕重汽油分離塔壓力變化，如壓力持續(xù)上升，需及時關(guān)閉進料控制閥FV-30401。

上述措施的目的是確保穩(wěn)定塔、輕重汽油分離塔在停電事故下不超壓泄放。

通過此次系統(tǒng)化核算，得到了現(xiàn)役火炬系統(tǒng)各裝置全廠性工況和控制性單事故工況下的火炬量詳細的分析過程和結(jié)果數(shù)據(jù)。

五、結(jié)論

（1）火炬系統(tǒng)核算與消減的技術(shù)研究既有助于詳細核算現(xiàn)役火炬系統(tǒng)，也可核實現(xiàn)役火炬系統(tǒng)的處理能力，還能排查出火炬系統(tǒng)的潛在風險。

（2）火炬系統(tǒng)核算與消減的技術(shù)采用科學、系統(tǒng)的消減措施，可有效優(yōu)化全廠火炬總量。

（3）火炬系統(tǒng)核算與消減技術(shù)的成果可為將來某石化改擴建項目及技術(shù)改造項目實施后火炬系統(tǒng)方案的確定與優(yōu)化提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（4）應推廣火炬系統(tǒng)核算與消減技術(shù)，這將極大提高整個行業(yè)對火炬系統(tǒng)核算和優(yōu)化的重視，促進相關(guān)標準的建立、升級和完善，從而推動整個石化行業(yè)的進步。

參考文獻：

[1]API Standard 521， Pressure-relieving and Depressuring System， Sixth Edition， January 2014.

[2]石油化工行業(yè)標準. 石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：SH 3009-2013[S].2013.

[3]Xie， C.L. et. al.， Optimize relief loads by dynamic simulation[J]. Hydrocarbon Processing， December 2013.

[4]P. L. Nezami， et. al.， Distillation column relief loads-Part 1[J]. Hydrocarbon Processing， April 2008.

[5]P. L. Nezami， et. al.， Distillation column relief loads-Part 2[J]. Hydrocarbon Processing， May 2008.

[6]C. Depew et. al.， Dynamic simulation improves column relief load estimates[J]. Hydrocarbon Processing， December 1999.