國外某油田中心處理站火炬管網(wǎng)的設(shè)計

肖飛

（勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院有限公司，山東東營257026）

國外某油田中心處理站火炬管網(wǎng)的設(shè)計

肖飛

（勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院有限公司，山東東營257026）

根據(jù)裝置緊急泄放的要求，國外某油田中心處理站需要布置完善的火炬系統(tǒng)，以滿足裝置區(qū)域內(nèi)的應(yīng)急工況。文章通過對站內(nèi)火炬管網(wǎng)的設(shè)計計算，總結(jié)出火炬管網(wǎng)的設(shè)計計算流程，并對安全泄放裝置泄放量的計算、火炬管網(wǎng)的分析和校核重點、對設(shè)計的優(yōu)化等進行了討論。

火炬管網(wǎng)；設(shè)計；校核；優(yōu)化

0 引言

國外某油田中心處理站位于波斯灣西北部，其一期建設(shè)規(guī)模產(chǎn)油量為750萬t/a，產(chǎn)氣量為500萬m3/d。中心處理站主要功能包括進站段塞流捕集、油氣水三相分離、原油脫鹽及穩(wěn)定、原油儲存以及外輸、天然氣增壓及脫水、天然氣外輸以及氣舉增壓等。中心處理站生產(chǎn)裝置根據(jù)原油密度不同分為重油和輕油生產(chǎn)列，其中重油1列，輕油2列。重油和輕油在分別進行三相分離、原油脫鹽以及穩(wěn)定之后，經(jīng)泵增壓外輸。重油分離區(qū)和輕油分離區(qū)分出的天然氣匯合之后經(jīng)過兩級增壓、脫水，一部分用于站內(nèi)自用，一部分用于氣舉，其余部分外輸。

根據(jù)裝置緊急泄放的要求，中心處理站需要布置完善的火炬系統(tǒng)，用于當(dāng)裝置區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)急工況時（如火災(zāi)、泄漏或者設(shè)備檢修）對系統(tǒng)進行泄壓，泄放出來的氣體經(jīng)過火炬管網(wǎng)在火炬頭上燃燒，保證裝置安全生產(chǎn)，減小對環(huán)境的影響。

1 火炬系統(tǒng)組成

火炬系統(tǒng)由安全泄放裝置、火炬管網(wǎng)、火炬分液罐以及火炬塔等組成。安全泄放裝置通常包括安全閥、蒸氣減壓閥（BDV）、容器分程調(diào)節(jié)閥（用于容器需要保持在某一特定壓力時多余氣體的放空）?；鹁婀芫W(wǎng)包括安全泄放裝置的出口尾管、每列裝置的匯管以及全廠的泄放總管。根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則要求，火炬總管的流速要求低于0.2馬赫，火炬分支匯管的流速要求低于0.5馬赫，安全閥尾管的流速要求低于0.7馬赫。

為了保證低壓容器的安全閥背壓在高壓設(shè)備泄放時不會超過允許的背壓要求，站內(nèi)火炬管網(wǎng)分為高壓和低壓兩個火炬管網(wǎng)。設(shè)計壓力高于1 MPa的設(shè)備安全閥、BDV閥門和調(diào)節(jié)閥放空全部排進高壓火炬系統(tǒng)，低壓火炬系統(tǒng)接收設(shè)計壓力低于和等于1 MPa的設(shè)備安全閥、BDV閥門和調(diào)節(jié)閥放空。高低壓火炬系統(tǒng)均設(shè)計有各自的火炬分液罐、火炬點火系統(tǒng)、火炬塔等，在工況分析中也是對高、低壓系統(tǒng)分別進行分析和計算。

火炬分液罐用于分離放空氣體中攜帶出的液滴和閃蒸氣低溫冷凝出的液體。通?；鹁娣忠汗弈芊殖鲋睆?00~600 μm液滴，并且能分離持續(xù)釋放20~30 min攜帶出來的液體。

火炬塔的高度是根據(jù)火焰產(chǎn)生的輻射熱強度來確定的，同時該高度也會影響到安全閥的背壓。火炬塔高度計算時需要對兩個火炬系統(tǒng)的熱輻射強度進行疊加，以此來判斷在該輻射強度下人能忍受的時間?；鹁骖^尺寸必須要滿足流速要求，流速太高容易引起燃燒不充分，流速太低容易引起火炬頭過熱和腐蝕損壞?；鹁骖^帶有分子封以防止空氣進入，同時在火炬主管尾部引入吹掃氣來防止逆燃。

火炬管網(wǎng)的設(shè)計是整個火炬系統(tǒng)設(shè)計中最復(fù)雜的部分，需要經(jīng)過多次的反復(fù)迭代以及校核計算來確認(rèn)。在本項目中，火炬管網(wǎng)的設(shè)計按照圖1的流程進行計算和校核。

圖1 火炬管網(wǎng)設(shè)計流程圖

2 安全泄放裝置泄放量計算

安全泄放裝置泄放量計算是整個管網(wǎng)計算的基礎(chǔ)。

2.1 安全閥泄放量計算

引起設(shè)備超壓的三個主要原因，一是火災(zāi)，二是操作故障，三是動力故障。安全閥的泄放量應(yīng)視工藝過程的具體情況進行確定，對容器超壓的各種可能性進行分析，并對可能發(fā)生的工況分別計算，以確定最大泄放量，但不應(yīng)將各種不利的情況考慮在同一時間發(fā)生。

對于火災(zāi)工況，首先要根據(jù)暴露在火中的容器尺寸以及液位（通常選擇高液位）來計算容器的濕潤面積，再計算火災(zāi)工況下吸收的熱量。根據(jù)容器內(nèi)液體的組分可以確定汽化潛熱（隨容器內(nèi)液體的組分變化而變化），然后可以計算得到在某一時間段內(nèi)火災(zāi)狀態(tài)下的安全閥泄放量。將所有時間段內(nèi)的泄放量與時間的關(guān)系畫成曲線圖，就可以求得安全閥泄放的峰值，以此作為安全閥泄放量的設(shè)計值。

堵塞工況則是由在容器出口處閥門誤操作關(guān)閉或者閥門出現(xiàn)問題造成的，此時需要泄放的量為進入設(shè)備的物料總量。

動力故障發(fā)生時比如電力中斷造成的冷卻水循環(huán)泵和空冷器等停運，則安全閥的泄放量需要通過對比各種不利工況，從中選擇最嚴(yán)格的工況來確定。當(dāng)空冷器停運時，空冷器靠空氣自然對流仍能擔(dān)負(fù)一部分負(fù)荷，在計算中確定熱源時需要減掉空氣自然對流的負(fù)荷。

水力膨脹也是常用到的工況之一，由于溫度的升高而引起體積的增加。水力膨脹通常發(fā)生的工況有：換熱器的冷流被堵而熱流繼續(xù)流動，體積膨脹量需要釋放；管道或容器在充滿液體的時候被堵，并受到日光的直接照射，液體體積膨脹量需要釋放。對充滿液體的兩個截斷閥之間的容積超過0.6 m3的管段，需要在該管段上設(shè)置泄放閥。泄放閥的泄放量需要根據(jù)體積膨脹系數(shù)計算。

2.2 蒸氣減壓閥泄放量計算

當(dāng)金屬材料的溫度由于火災(zāi)或者失控的工藝反應(yīng)而增加甚至超過容器的設(shè)計溫度時，金屬材料有可能處于應(yīng)力破壞的狀況。使用蒸氣減壓是避免這種現(xiàn)象的一種辦法，可以在較短的時間內(nèi)將壓力降到安全的水平。通常情況下，蒸氣減壓閥是和孔板聯(lián)合使用的，閥門主要用于泄放管路的開關(guān)，孔板用來分擔(dān)壓降，減小對閥門的沖刷。蒸氣減壓閥（BDV閥）以及孔板孔徑的大小需滿足在15 min內(nèi)將容器的內(nèi)部壓力減小到設(shè)計壓力的一半或者其與0.69 MPa兩者之間的較小值。

蒸氣減壓的泄放量通過HYSYS軟件進行計算。首先需要計算泄放容器以及相連管路的容積和確定與氣液相接觸的設(shè)備及管道的質(zhì)量，而后在HYSYS中對容器泄壓進行模擬（見圖2）。

圖2 蒸氣減壓泄放計算輸入界面示意

在模擬蒸氣減壓過程中，設(shè)計準(zhǔn)則要求減壓泄放初始壓力按照容器的設(shè)計壓力計算，熱輻射按照API 521 2007 Pressure-relieving and Depressuring Systems的火災(zāi)工況計算，以確定BDV閥門的最大泄放量（見圖3）和孔板的額定流量Cv值（見圖4）。

根據(jù)軟件計算得到的峰值泄放量（作為該蒸氣減壓閥的泄放量），計算得到孔板的Cv值來確定孔板的孔徑。

3 火炬管網(wǎng)計算

3.1 工況分析

火炬管網(wǎng)尺寸要滿足在任意工況下泄放系統(tǒng)泄放量總和的要求，所以在火炬管網(wǎng)的計算中要對多種工況進行比較，選擇泄放量最大的工況作為設(shè)計工況。在確定火炬管網(wǎng)泄放量時，應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)設(shè)施的類型、總圖布置、火區(qū)劃分以及泄放裝置的泄放工況。火炬管網(wǎng)的分析計算采用專業(yè)軟件進行。

3.1.1 泄放系統(tǒng)泄放量分析原則

（1）不考慮兩個火區(qū)同時發(fā)生火災(zāi)。

（2）在發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域內(nèi)不考慮同時有其他事故發(fā)生。

（3）根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則要求，著火的火池面積可看作直徑為24 m的圓周面積，暴露在火池中的設(shè)備從容器的設(shè)計壓力開始泄放。

（4）火區(qū)面積較大時，應(yīng)考慮火災(zāi)對同一火區(qū)內(nèi)其他裝置的影響。在某一火區(qū)內(nèi)確認(rèn)發(fā)生火災(zāi)后，該火區(qū)內(nèi)未暴露在火池中的其他設(shè)備的泄放閥根據(jù)緊急泄放的要求會打開進行泄壓，該部分設(shè)備泄壓的初始壓力按照正常操作壓力考慮。

（5）對壓縮機裝置，泄放壓力通常按照壓縮機進出口截斷閥之間所有設(shè)備的平衡壓力來考慮。

3.1.2.四種主要工況

在工況分析中，主要對ESD-0全廠性泄放、天然氣外輸放空、局部火災(zāi)以及公用系統(tǒng)失效等各個工況進行分析。

（1）ESD-0級泄放是由全場突發(fā)性事故引起的，為應(yīng)對事故，由操作人員手動按鈕關(guān)斷井口閥門以及進出站管道閥門，并同時打開全廠所有的BDV閥門進行全廠性泄壓。此種工況泄放總量可由所有的BDV閥門的泄放量累計計算得到。如果火炬管網(wǎng)的設(shè)計規(guī)模也包括二期，預(yù)留設(shè)備的泄放量也需要計算出來并累計到全廠泄放總量中。

（2）天然氣外輸放空的原因可能是由于天然氣外輸出口的閥門誤操作關(guān)閉，或者是外輸氣未能達(dá)到外輸質(zhì)量要求，也有可能是因為外輸管道泄漏造成的。此時天然氣外輸管道出口閥門關(guān)閉，泄放量為全部的外輸天然氣流量。

（3）局部火災(zāi)狀況只考慮在全廠內(nèi)某一區(qū)域發(fā)生火災(zāi)。中心處理站內(nèi)共劃分為29個火區(qū)，其中有可能發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域共有15個。在有可能發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，當(dāng)裝置內(nèi)部的火氣探頭檢測到火災(zāi)發(fā)生后，該區(qū)域內(nèi)部所有設(shè)備的BDV閥門會自動打開泄放。在計算該區(qū)域發(fā)生的泄放量時，暴露在火池中的設(shè)備初始泄放壓力按照設(shè)計壓力考慮，沒有暴露在該火池中的其他設(shè)備的初始泄放壓力按照操作壓力考慮，對該區(qū)域中所有設(shè)備的泄放量進行累計就可以計算出該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時的泄放量。

（4）公用系統(tǒng)失效。比如儀表風(fēng)等系統(tǒng)失效，全廠內(nèi)的關(guān)斷閥會關(guān)閉，BDV閥門會打開泄放，此時所有的BDV閥門泄放的初始壓力按照操作壓力計算。

相對于以上幾個工況，單個安全閥或者減壓閥的泄放量通常都會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于以上四種工況，所以，通常在確定管網(wǎng)的設(shè)計參數(shù)時不考慮單個閥門的泄放量，單閥泄放僅用于計算安全閥的背壓，以判斷是否滿足背壓要求。

3.2 模擬計算

首先根據(jù)總圖布置、管網(wǎng)尺寸以及ISO圖中管道長度以及管件數(shù)量建立模型，在模型定義中輸入當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境參數(shù)以及管道壁厚等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并錄入管道流速、噪音等限定條件。其次根據(jù)分析的各種工況建立模型，最后在各個可能發(fā)生的泄放工況中分別輸入每一個閥門的泄放量、泄放溫度、安全閥的計算尺寸等。本項目建立的火炬管網(wǎng)計算模型如圖5所示。

高壓火炬共計算了36個工況，低壓火炬共計算了21個工況。在每一個工況中都需要對安全閥背壓、管道內(nèi)氣體流速、噪音等進行校核，對某些超出限定值的節(jié)點或者管段要重新調(diào)整管徑，甚至調(diào)整某些設(shè)備的布局，直到所有參數(shù)都在允許的范圍內(nèi)。

4 優(yōu)化分析

在本項目的火炬管網(wǎng)設(shè)計中，由于受設(shè)計準(zhǔn)則的限制，計算中有些過程比較保守，導(dǎo)致計算結(jié)果偏大、火炬塔高度偏高，從而造成費用增加。在整個管網(wǎng)計算中尚有優(yōu)化的空間，為以后的設(shè)計提供借鑒。

（1）在火炬管網(wǎng)設(shè)計中計算BDV閥門的泄放量時，暴露在火災(zāi)中的容器按照在設(shè)計壓力條件下進行計算，但是本項目中工藝裝置區(qū)內(nèi)布置有非常完善的火氣檢測系統(tǒng)，通常在發(fā)生火災(zāi)幾秒鐘內(nèi)火區(qū)內(nèi)部的BDV閥門會全部打開泄放，而此時容器內(nèi)部的壓力還不會達(dá)到設(shè)備的設(shè)計壓力，所以即使該設(shè)備暴露在火池中，初始泄放壓力也可以按照操作壓力進行計算。

（2）根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則的要求，在計算BDV閥門的泄放量過程中，熱輻射都要按照API 521的火災(zāi)工況來計算。對于暴露在火池中的容器，熱輻射計算可按照文件規(guī)定執(zhí)行，但是沒有暴露在火池中的設(shè)備則無需按照API的火災(zāi)計算公式計算，因為沒有暴露在火災(zāi)中的容器沒有受到火災(zāi)的熱輻射，泄放時熱力學(xué)計算應(yīng)該按照絕熱膨脹來處理，所以對于此部分設(shè)備的熱輻射可以按照絕熱公式進行計算。

[1]倪浩，王磊，曾樹兵，等.海上生產(chǎn)設(shè)施火炬管網(wǎng)的分析[A].2009年度海洋工程學(xué)術(shù)會議論文集（下冊）[C].廈門：中國造船工程學(xué)會近海工程學(xué)術(shù)委員會，2009.110-114.

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[3]黃漢京.石油化工可燃?xì)怏w或蒸氣排放系統(tǒng)的消防安全設(shè)計[J].石油工程建設(shè)，2006，32（6）：16-19.

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.006

肖飛（1981-），男，湖南洞口人，工程師，2002年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東），主要從事油氣集輸設(shè)計工作。

2011-08-03