石油化工装置火炬系统设计负荷的确定

发布时间：

2023-06-16 17:12

石油化工装置的原料和产品多为易燃、易爆或有毒的介质，危险性大，如何使其安全运行非常重要。而火炬系统则是为处于超压、减压、开停车和事故（非正常工况）时的石化装置紧急排放可燃性介质的快速处理设施;高可靠性的火炬系统可有效保证装置安全生产和减少环境污染。

火炬系统的设计负荷，即火炬最大排放量 , 是火炬系统设计的基础参数。对装置可能出现的超压工况进行分析，得到每个超压工况时的排放量,并确定火炬系统的设计负荷，是工程设计中的一项不容忽视的工作。

1 确定火炬系统设计负荷的基本原则

确定火炬系统的设计负荷，首先要按照 3 个准则进行超压工况的分析： 1）任何单个事件是可信的；2）2 个顺序发生的相关事件是可信的;3）同时发生的 2 个或 2 个以上不相关的独立事件是不可信的。因为 2 个或 2 个以上不相关的事件同时发生的概率很小,所以不予考虑 , 其排放量也不需要叠加。一般认为，如果引起超压的事件之间不存在工艺、机械或电气之间的联系 , 或可能相继发生超压的原因所间的时间很长，那么这些事件就是不相关的。例如: 停电和塔回流中断一般是相关的 , 同时发生是可信的 ; 火灾和换热管破裂是不相关的，同时发生是不可信的。

2 不同工况火炬排放量的确定

火炬系统的设计负荷主要考虑公用工程故障、火灾、化学反应失控、紧急减压工况和发生单项事故时最大排放量中的最大者,排放量最大的工况也称为主导工况。进行火炬系统水力学计算时，设计负荷不一定是所有事故中的最大质量流量，而是流经整个火炬系统时将产生最大压力损失的流量，比如: 温度 150℃ 、平均分子量 16 、流量100t/h 的气体与温度30 ℃ 、平均分子量 28 、流量150t/h 的气体，应选用前者（150 ℃ 、平均分子量16 、流量 100t/h ）进行火炬系统的水力学计算。

2.1外部火灾事故

出现外部火灾事故时，并不是全装置同时发生火灾，也不是所有的安全阀都会起跳。根据API521 标准: 在缺乏任何控制因素的条件下 ,火灾事故的影响范围一般认为局限在 230m ²-460m ² ，相当于直径为 17m-24.2m 的火圈，火焰的高度为从可积液的地面或平台以上 7.62m 。但在实际设计中，要综合考虑可燃介质的数量和种类、设备布置、围堰的高度、地面排水系统、自然地形和屏障以及平台的型式等，以便划分火灾的影响范围。

在确定火灾事故的火炬排放量时，先划分火灾影响范围;再对划分的每个火灾影响区计算其中每台设备的排放量，取其加和作为该火灾影响区的总排放量;找出所有火灾影响区中排放量最大者作为该装置发生火灾时的火炬排放量。
2.2 公用工程事故

公用工程事故主要是指电力故障,冷却水、仪表空气以及蒸汽的中断等。公用工程事故的火炬排放量，原则上按整个装置出现公用工程事故时各点排放量的总和进行计算。
2.2.1 电力故障

装置一旦发生电力故障，其所有电驱动的设备都会停止工作，如泵、压缩机、空冷器等。最常见的影响是塔失去回流或者空冷器风扇停转，从而引起塔的超压。对空冷器而言，当风扇停转时，因自然对流效应 , 空冷器仍有部分冷凝功能，风扇停转时的冷凝量为正常负荷的 20%-30%；所以其泄放量可按 70%-80% 的塔顶蒸气量取值。

电力系统发生故障时，有可能几台塔同时超压,这些塔的安全阀亦同时开启，因此需要将此工况下开启的所有安全阀的排放量进行加和得到火炬的排放量。

如果装置内设置了电驱动的冷却水增压泵或者冷冻水泵，当发生电力故障时，冷却水或冷冻水泵也将同时中断，计算火炬排放量时还需要加上由此引起的排放量。

2.2.2冷却水中断

装置冷却水中断，会造成所有以冷却水为冷却介质的换热器失去冷却能力。此时塔器的塔顶气体不能被冷凝而滞留其中无法及时排出，引起塔系统超压。同时，由于塔顶气体不能被冷凝，一段时间后塔也会失去回流，同样导致塔内超压。冷却水中断时，有可能几台塔同时超压，这些塔的安全阀同时开启，则与出现电力故障时类似，将此工况下开启的所有安全阀的排放量进行加和得到火炬的排放量。

电力故障或冷却水中断通常为主导工况。

2.2.3 仪表空气中断

仪表空气中断的直接后果是所有气动的调节阀和开关阀都停到了气源故障位置，即开、关或保持原位。通常系统设置有仪表空气缓冲罐，当外供仪表空气中断时，会有 20-30min 的缓冲，同时装置也会借助设置的 UPS 电源，维持仪表继续工作一段时间。这段时间足够操作人员对此突发工况进行紧急处理，所以全装置设备超压的可能性不大，一般只计算单点仪表空气中断引起的超压排放。

2.2.4 蒸汽中断

蒸汽通常是作为加热介质，蒸汽中断不会引起系统超压。装置内如果有蒸汽驱动的泵或压缩机 , 则需要根据具体情况确定蒸汽中断时是否会引起超压。因为蒸汽透平由失汽到完全停止需要一定的时间，如果在此期间操作人员能进行正确处理或能及时启动备用系统,就不会引起超压。

2.2.5 化学反应失控

化学反应失控有时会成为确定火炬负荷的主导工况。计算化学反应失控引起的排放量的难度较大。通常需要先根据小型模拟实验的数据，确定系统特征，如调合型、气态型或混合型,再根据系统特征选择适用的计算公式。系统特征分类有： 1）调合型: 反应失控产生的压力完全是由于反应体系中的蒸气压产生，在热失控时系统内压力随着反应体系温度的增加而增加。 2）气态型: 反应失控产生的压力完全是由于化学反应过程中放出的不可凝性气体所致。 3）混合型: 随反应体系温度的升高,系统内压力是由反应过程产生的气体和蒸气共同作用的结果。

化学反应失控的排放量可以用美国紧急泄放系统设计协会（ DIERS ）推荐的方法进行计算，调合型化学反应失控的排放量也可以按照 SH/T3210 — 2020 （石油化工装置安全泄压设施工艺设计规范》规定的方法计算。
2.3 紧急减压

装置的紧急减压也有可能成为确定火炬负荷的主导工况。计算紧急减压的排放量时，应该假设减压阀是全开的,减压阀上游为被保护设备在排放时的最高压力。根据工艺需要，最高压力可能是最高操作压力,也可能是设计压力加上积聚压力。如果系统中同时设置了安全阀和减压阀,一般考虑取两者中排量较大者作为火炬系统的排放量，不考虑同时排放。

2.4 单事故

操作人员误操作、调节阀故障、换热管破裂,液体热膨胀等，均会引起系统超压。但这些工况引起的超压排放，仅会导致相应系统的一个或多个安全阀开启，不会引起多个系统的安全阀同时开启，所以一般不作为主导工况。

3 减少火炬排放量的措施

随着装置规模的日益扩大，火炬系统的排放量也相应增大。通过直接或间接的方法,减少火炬的排放量，对于节省工程投资和占地、减少操作和运行费用,有极其重要的意义。

3.1 采用防火保温

防火保温是指有完整的绝热保温层 , 外保护层用不锈钢板，捆扎带用不锈钢带，在火灾发生时，绝热材料在 904 七仍能起有效作用且 2h 内不会被烧毁脱落，在消防水的冲击下不会脱落。采用防火保温，可以大幅降低由外部火灾引起的火炬排放量。
3.2 采用水喷淋

根据 GB/T150.1 — 2011( 压力容器》：当容器置于大于 10L/(m ²•min) 的喷淋装置下时，泄放减低系数为 0. 6 ，因此设置满足要求的水喷淋,可以显著降低由于外部火灾引起的火炬排放量。

3.3 调整工艺流程

通过调整工艺流程，使排放因系统特性的改变而得到降低，从而减少火炬的排放量。譬如，再沸器的热源是由电动泵输送的热油，当发生电力故障时，塔回流因为回流泵停电而中断，但此时塔底再沸器的热源也因为停电而中止，比再沸器热源采用蒸汽时的排放量要少;或者提高设备的设计压力，也会减少火炬排放量

3.4 通过动态分析减少火炬排放量

事故发生时，装置内的所有系统不可能同时达到超压状态，安全阀也不可能同时全部排放或在排放周期内不可能以恒定的流量排放。根据对工艺流程的动态分析，得到 “ 排量-时间 ” 曲线，可以得到火炬排放系统的峰值，以此进行火炬系统的设计，比所有系统排放量简单叠加得到的排放量要少。
3.5 采用高完整性保护系统 ( HIPS) 减少火炬排

放量采用 HIPS 可以减少装置内各压力系统同时排放的概率，从而减少火炬的排放量。如冷却水中断时 , 多个塔同时失去塔顶冷凝能力，此时塔釜再沸器的热源供给还在继续，塔仍然有超压的可能。可以设置 HIPS, 当冷却水流量低或塔系统压力高时联锁切断再沸器的热量供给，消除因冷却水故障而超压的工况，从而减少总的排放量。