大型石化企業(yè)火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)泄放量的確定

趙 斌

（連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司南京分公司，南京 210019）

火炬是用來(lái)處理石油化工廠、煉油廠、化工廠及其他工廠或裝置無(wú)法收集和再利用的可燃性氣體或蒸汽的特殊燃燒設(shè)施，是保證工廠安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項(xiàng)重要設(shè)施?；鹁嫦到y(tǒng)是由火炬氣排放管網(wǎng)和火炬裝置（簡(jiǎn)稱火炬）組成的。其中火炬裝置包括火炬頭、火炬氣上升管、長(zhǎng)明燈、自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)、火炬塔架、分液罐、水封罐和密封器等組成[1]。大型石化企業(yè)一般會(huì)設(shè)置多個(gè)火炬，方便同時(shí)檢修，總圖布置比較集中的生產(chǎn)裝置可共用一個(gè)火炬以節(jié)約基建投資，減少操作和維護(hù)費(fèi)用。

火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)泄放量，即火炬系統(tǒng)負(fù)荷，是確定火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，是火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，確定火炬系統(tǒng)負(fù)荷是火炬系統(tǒng)及相關(guān)生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行的保障，可以為總圖布置提供合理設(shè)計(jì)依據(jù)，節(jié)省投資，減少操作及維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用。對(duì)于單個(gè)裝置所用的火炬系統(tǒng)而言，裝置正常生產(chǎn)、開車、停車及各種事故工況下最大排放量可作為火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)泄放量；對(duì)于多個(gè)裝置共用的火炬系統(tǒng)而言，火炬系統(tǒng)泄放量的確定就是要對(duì)不同裝置可能出現(xiàn)的各種事故工況進(jìn)行逐一分析，并對(duì)各種事故工況的泄放量進(jìn)行計(jì)算，然后取泄放量最大值作為火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)泄放量。

1 火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)泄放量的確定原則

1.1 火炬氣的來(lái)源

通常情況下，火炬氣的來(lái)源主要有：生產(chǎn)裝置無(wú)法利用而必須排出的可燃性氣體；事故泄壓或安全閥排出的可燃性氣體；開停車及檢修時(shí)排出的可燃性氣體；液化石油氣泵等短時(shí)間間斷排放的可燃性氣體[2-3]。對(duì)于熱值低于7 880 kJ/Nm3氣體，在送入火炬之前，需要進(jìn)行熱值調(diào)整。

1.2 各生產(chǎn)裝置可燃?xì)怏w的排放條件

一般來(lái)說(shuō)，各生產(chǎn)裝置可燃?xì)怏w的排放條件包括下列工況：裝置開車、停車；火災(zāi)工況；停水、停電及蒸汽、循環(huán)水、儀表風(fēng)供應(yīng)中斷等公用工程事故；操作失誤、控制閥故障等其他事故[3]。

1.3 事故工況的分析原則

在進(jìn)行事故分析時(shí)，人們需要考慮如下原則：必須堅(jiān)持單一事故理念，不考慮同時(shí)發(fā)生兩種事故，即不考慮兩種或兩種以上不同事故在同一區(qū)域內(nèi)發(fā)生，也不考慮兩個(gè)不同區(qū)域同時(shí)發(fā)生兩種不同事故；相關(guān)聯(lián)的事故需要考慮疊加，如停電引起循環(huán)水或儀表風(fēng)中斷供應(yīng)等；同一事故引起幾個(gè)裝置排放時(shí)，應(yīng)對(duì)各裝置的排放“流量-時(shí)間曲線”進(jìn)行疊加，取最大值為該事故時(shí)的最大排放量[3]。

無(wú)排放流量-時(shí)間曲線時(shí)，火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)泄放量需按照如下原則進(jìn)行確定：

不考慮所有裝置均同時(shí)最大量排放；每個(gè)排放系統(tǒng)在同一事故中的最大排放量，按影響排放系統(tǒng)尺寸最大的某個(gè)裝置排放量的100%與其余裝置排放量的30%之和計(jì)算（體積流量），但不應(yīng)低于該系統(tǒng)中兩個(gè)不同裝置最大單點(diǎn)排放的總量；按上述原則對(duì)不同的事故排放量分別疊加后，應(yīng)取其中總排放量的最大值為該排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)排放量；排放量最大裝置排放量的100%與其余裝置排放量的30%之和（質(zhì)量流量）作為確定火炬高度及火炬安全區(qū)域的設(shè)計(jì)排放量；按上述疊加原則對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均溫度、加權(quán)平均分子量及加權(quán)平均組成作為火炬及排放管道系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的其他設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 工程實(shí)例分析

根據(jù)以上火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)泄放量的確定原則，筆者對(duì)某一大型石化企業(yè)，新建的區(qū)域性火炬系統(tǒng)Flare 00的設(shè)計(jì)泄放量進(jìn)行分析。

該火炬系統(tǒng)Flare00的火炬氣來(lái)自于4套生產(chǎn)裝置，分別為N1裝置、P1裝置、A1裝置及D1裝裝?；鹁鏆獾膩?lái)源為安全閥的事故泄放，筆者就每個(gè)裝置引起安全閥開啟的事故進(jìn)行逐一分析，最終得到Flare00的設(shè)計(jì)泄放量，分析過(guò)程如下。

2.1 外部火災(zāi)

根據(jù)API521，不考慮幾個(gè)裝置同時(shí)發(fā)生火災(zāi)，一個(gè)裝置外部火災(zāi)也不會(huì)引起所有安全閥同時(shí)開啟，而是在局部范圍地面以上，火災(zāi)事故影響范圍介于230～460 m2；工程實(shí)踐中常采用直徑24 m作為火災(zāi)圈，約合火災(zāi)范圍為452 m2；以某點(diǎn)為中心，畫個(gè)以12 m為半徑的圓圈，以此圈內(nèi)的面積為考慮外部火災(zāi)事故范圍的基礎(chǔ)。分析時(shí)，人們要考慮可燃物的數(shù)量和位置、地面排水系統(tǒng)的情況及自然地形和屏障對(duì)火災(zāi)的影響。當(dāng)遇到多層框架時(shí)，如樓面為混凝土或者封閉樓板，需要按照不同樓層單獨(dú)考慮火災(zāi)影響區(qū)內(nèi)的設(shè)備的火災(zāi)泄放量；如果為格柵板樓面時(shí)，只需考慮一層樓面地面以上的火災(zāi)影響區(qū)內(nèi)的設(shè)備的火災(zāi)泄放量。

以N1裝置為例，裝置為兩層框架式結(jié)構(gòu)，樓面為格柵板，其外部火災(zāi)只需考慮一層火災(zāi)即可。由圖1可知，在452 m2火災(zāi)影響區(qū)內(nèi)有6個(gè)安全閥，外部火災(zāi)的泄放總量為8 029 kg/h，如表1所示。其他裝置做相似分析，分別得到各個(gè)裝置火災(zāi)泄放量的最大值，它們可作為對(duì)應(yīng)裝置發(fā)生外部火災(zāi)時(shí)的泄放量，如表2、表3、表4所示。本文所選取的裝置規(guī)模較小，一個(gè)火災(zāi)影響區(qū)幾乎可以覆蓋所有在發(fā)生外部火災(zāi)時(shí)會(huì)超壓的設(shè)備。在設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目中，人們通常會(huì)根據(jù)實(shí)際裝置情況劃分多個(gè)火災(zāi)影響區(qū)，分別計(jì)算各個(gè)火災(zāi)影響區(qū)內(nèi)的火災(zāi)泄放量，取最大值作為該裝置發(fā)生外部火災(zāi)時(shí)的安全閥泄放量。

圖1 N1裝置火災(zāi)影響區(qū)分析

2.2 電力故障

電力故障可能會(huì)對(duì)工廠的生產(chǎn)有多方面的影響。所有的電驅(qū)動(dòng)設(shè)備都會(huì)停止工作，如泵、壓縮機(jī)、空冷卻等。此外，工廠的冷卻水系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)等也可能受到影響，因此對(duì)于電力故障人們要做具體分析。

《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052-2009）指出，因地區(qū)大電力網(wǎng)在主網(wǎng)電壓上部是并網(wǎng)的，用電部門無(wú)論從電網(wǎng)取幾回電源進(jìn)線，也無(wú)法得到嚴(yán)格意義上的兩個(gè)獨(dú)立電源。所以，雙重電源可以是來(lái)自不同電網(wǎng)的電源，或者來(lái)自同一電網(wǎng)但在運(yùn)行時(shí)電路相互之間聯(lián)系很弱，或者來(lái)自同一個(gè)電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠(yuǎn)，一個(gè)電源系統(tǒng)任意一處出現(xiàn)異常運(yùn)行時(shí)或發(fā)生短路故障時(shí)，另一個(gè)電源仍能不中斷供電[4]。這樣的電源都可視為雙重電源。

從該大型石化企業(yè)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)看，除了有兩路電源（220 kV）來(lái)自外部供電局電網(wǎng)之外（可以視為兩個(gè)獨(dú)立電源），工廠還有自備柴油發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)組等?？梢哉f(shuō)，除了特殊非預(yù)見性的事故（如戰(zhàn)爭(zhēng)、大地震、特大洪水等）之外，該火炬系統(tǒng)的4套生產(chǎn)裝置，其循環(huán)水站、儀表風(fēng)系統(tǒng)供電分別來(lái)自不同的變電所，所以4套裝置全部停電的可能性幾乎是沒(méi)有的，裝置停電同時(shí)冷卻水及儀表風(fēng)中斷也幾乎不可能。因此，對(duì)于電力故障的安全閥的泄放量，人們只考慮各個(gè)裝置停電引起安全閥開啟的泄放總量即可（見表1、表2、表3和表4），不考慮4套裝置同時(shí)停電且同時(shí)循環(huán)水及儀表風(fēng)中斷供應(yīng)，此工況不做疊加。

2.3 冷卻水故障

冷卻水故障會(huì)造成所有以水來(lái)冷卻的換熱器失去冷卻能力，可能會(huì)引起幾個(gè)設(shè)備同時(shí)超壓，幾個(gè)安全閥同時(shí)開啟，各裝置循環(huán)冷卻水故障泄放量需要將有此工況的安全閥的泄放量加和，如表1、表2、表3和表4所示。

4套裝置的冷卻循環(huán)水均來(lái)自于一個(gè)循環(huán)水站，一旦此循環(huán)水站出現(xiàn)故障引起循環(huán)水供應(yīng)中斷，4套裝置的相關(guān)設(shè)備均會(huì)超壓排放，因此此工況的總泄放量需要疊加計(jì)算，具體方法為：取冷卻水故障最大的N1裝置的泄放量的100%與其余裝置泄放量的30%之和計(jì)算，如表5所示。

2.4 儀表風(fēng)故障

儀表風(fēng)故障的直接反應(yīng)是所有氣動(dòng)儀表停止工作和氣動(dòng)閥停在開、閉位置或保持原位。該大型石化企業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了幾個(gè)事故儀表風(fēng)緩沖罐，同時(shí)為氣動(dòng)儀表設(shè)置UPS電源，可維持儀表一定時(shí)間的工作，讓裝置操作人員進(jìn)行緊急處理。因此，儀表風(fēng)故障引起設(shè)備超壓可能性不大，此工況無(wú)排放。

2.5 其他事故工況

操作失誤、控制閥失效、換熱管破裂等均會(huì)引起設(shè)備超壓，這些工況僅限于某一個(gè)裝置的某一個(gè)安全閥，不會(huì)同時(shí)引起幾個(gè)安全閥同時(shí)開啟，這些工況安全閥的泄放量可能會(huì)影響安全閥的額定泄放量的選取。在做安全閥匯總時(shí)，人們應(yīng)將其列出作為采購(gòu)安全閥的參考，具體情況如表1、表2、表3和表4所示。

表1 N1裝置安全閥匯總表

表2 P1裝置安全閥匯總表

表3 A1裝置安全閥匯總表

表4 D1裝置安全閥匯總表

表5 Flare00設(shè)計(jì)泄放量匯總表

由表1～5可知，火炬系統(tǒng)Flare00的設(shè)計(jì)泄放量為8 029 kg/h（N1裝置的外部火災(zāi)），釋放溫度為148℃，平均分子量為75.5。

3 結(jié)語(yǔ)

火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系到工廠的安全生產(chǎn)，安全是相對(duì)的，投資與安全永遠(yuǎn)是對(duì)立統(tǒng)一的，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是衡量尺度。因此，合理地理解和運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并對(duì)工程實(shí)際情況進(jìn)行具體分析，是火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)泄放量的基礎(chǔ)。本文只涉及四個(gè)生產(chǎn)裝置，每個(gè)裝置列出的安全閥數(shù)量較少，僅為了說(shuō)明問(wèn)題，實(shí)際項(xiàng)目情況要復(fù)雜得多。本文采用的方法亦可用于多套生產(chǎn)裝置、多個(gè)安全閥的分析，這樣可以大大提高工作效率，保障設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

2 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50160-2008 石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

3 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.SH3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)石化出版社，2013.

4 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50052-2009 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.