石化裝置改擴建對火炬系統負荷影響的量化分析

王海清，劉蔭，高智泉，眭文祺

（1 中國石油大學安全科學與工程系，山東青島266580；2 中國石油獨山子石化公司煉油廠，新疆獨山子833699）

石化工廠在進行改擴建時，新增加的產能裝置將導致排放至火炬系統的火炬氣增加，從而可能會超出原火炬系統的設計負荷。但由于用地、資金和近年來日益嚴格的環保要求等客觀因素的限制，新建和安裝額外的火炬系統來處理增加的火炬載荷往往并不可行。因此需要評估現有火炬系統處理裝置改造后泄放載荷的能力，并通過必要的負荷協調管理來解決火炬載荷增加的風險控制問題[1]。國際標準《泄壓和減壓系統》（API 521）及國內標準《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》（SH 3009—2013）、《石油天然氣工程設計防火規范》（GB 50183—2004）等常用的火炬系統設計標準與規范中均未明確提出石化裝置改擴建時火炬系統負荷的核算方法，這使石化裝置改擴建時對火炬系統安全隱患的再評估往往更多依賴于工程經驗。因此提出一套明確、合理的方法用于量化石化裝置改擴建后火炬系統的負荷顯得十分必要。

目前眭文祺等[2]提出了一種計算火炬系統多源泄放負荷的新型算法——火炬系統中的多壓力單元泄放疊加算法來評估石化裝置改擴建后的火炬系統風險，并提出一個針對石化裝置改擴建后火炬系統負荷的量化風險評估流程，以期能夠實現在不改變原廠區火炬系統的前提下，定量分析廠區改擴建裝置引起的火炬系統物性參數的變化，并確定導致安全隱患的泄放條件。

得到導致安全隱患的泄放條件后，本文進一步提出了在不改變現有火炬系統的基礎上，降低火炬系統總載荷的方法。目前已有一些學者著手此方面的研究：Dinh等[3]提出了一種通用的、主動且具有成本效益的火炬最小化方法，該方法使用動態模擬來減少異常操作下的工業排放；Wang等[4]提出了一種基于工廠動態仿真的系統方法，用于在異常操作條件下針對面向安全的CPI （chemical process industry）進行FM（flare minimization）；Sohag 等[5]提出了結合故障樹分析和貝葉斯網絡的火炬系統動態可靠性評估方法；Fang等[6]提出了火炬事件預測的分層分布式監視方法，并成功應用；Lee 等[7]致力于使用HIPs（高完整性保護系統）降低火炬系統載荷。但是上述方法仍處于發展階段，可靠性和實用性仍需要進一步的研究。

1 裝置改擴建對火炬系統負荷影響分析

1.1 多壓力單元的疊加泄放

目前火炬系統只服務于單個壓力泄放源的情況在現代石化行業中比較罕見，絕大多數石化企業的情況是火炬系統需要服務于多個壓力泄放系統。多壓力單元泄放疊加算法能夠對單一偶然事件下產生的最大負荷進行計算，其基本泄放設計場景是：某特殊工況下當火炬系統多個泄放源同時泄放時，應按照每個工藝單元依次取得100%的泄壓負荷連同50%其他單元的量來計算。

API 521 中對于多個壓力泄放閥的泄放問題，指出應計算可能影響任何壓力泄放閥的所有偶然事件下的負荷，并未提供具體的計算方法。因此，多壓力單元泄放疊加算法與API 521相比能更好地適用于本文討論的情況。本文將使用多壓力單元泄放疊加算法確定裝置改擴建后火炬系統多源泄放時的泄放組合、泄放路徑和泄放量。

1.2 適用場景與基本假設

火炬系統多源泄放負荷分析（analysis of multisource discharge load in flare system，AMDLF）方法適用于以下場景：某廠區已經平穩安全運行過一段時間，廠區內原有的火炬系統已經經過校核，處于安全工作狀態?，F在廠區內對需要泄放至火炬系統的裝置進行改擴建。本文主要討論在原有的火炬系統不發生改變的情況下，改擴建裝置對火炬系統產生的影響。需要注意的是，本文提供的方法僅適用于裝置改擴建階段的火炬系統設計。

本文的研究基于以下假設。

（1）在分析泄放負荷時，通常不考慮兩個不相關的偶然事件同時發生的可能性，但要保證一個偶然事件不能長時間未被發現[8]。

（2）在實際情況下，同一泄放源在不同泄放路徑下的泄放量并不相同。要想得到具體可靠的數據須結合實際廠區分析得到。本文涉及的仿真案例研究旨在探究改擴建裝置對火炬系統產生影響的方法，為不失一般性，假設同一泄放源在不同路徑下取相同的泄放量。

1.3 AMDLF方法的流程設計

本文提出一種新的AMDLF 方法流程，以確定石化裝置改擴建后火炬系統負荷。

（1）確定石化裝置改擴建后，廠區自泄放裝置至火炬系統的流程圖或P&ID圖。

（2）確定一個需要校核的起始事件（即特殊工況），記需要校核的起始事件為E。

（3）確定起始事件E下可能發生泄放的泄放源和每個泄放源的最大泄放量。為不失一般性，假設起始事件E 下可能發生泄放的泄放源為N（N≥2）個，泄放源編號為S1、S2、…、SN-1、SN，對應的最大泄放量為Q1、Q2、…、QN-1、QN。

（4）確定起始事件E下所有泄放組合、泄放路徑和每條泄放路徑下的總泄放量及各泄放源實際泄放量。

使用多壓力單元泄放疊加算法確定泄放組合和每種泄放組合下的泄放量，每種特殊工況下的泄放組合按照排列組合的方式列出。因此起始事件E下可能出現的泄放組合個數X可由式(1)得出：

式中，N為起始事件E下可能發生泄放的泄放源數量；CNi為在N 個泄放源中取i 個泄放源的組合數。

按照多壓力單元泄放疊加算法，每個泄放組合的泄放量應為每個工藝單元依次取得100%的泄壓負荷連同50%其他單元的泄放量。因此當某泄放組合的泄放源多于一個時，此泄放組合將對應多條泄放路徑。起始事件E下泄放路徑的個數Y可由式(2)得出。

起始事件E下每條泄放路徑的泄放量需要逐一計算。每條泄放路徑下各泄放源的實際泄放量可由泄放路徑內各泄放源泄放負荷所占百分比（主要泄放單元為100%，其他單元為50%）和起始事件E下各泄放源的最大泄放量確定，實際泄放量分別記為Qr1、Qr2、…、Qr(n-1)、Qrn。

以起始事件E下的一條計算路徑為例：該路徑下發生泄放的泄放源為n（n≥2）個，編號分別為S1、S2、…、Sn-1、Sn，這條泄放路徑的總泄放量Q可由式(3)得出。

式中，Qri為第i個泄放源在這條泄放路徑下的實際泄放量；k為計算系數，可由式(4)確定。

（5）計算每條泄放路徑的物性參數，比較廠區的要求與計算得到的物性參數，得到存在安全隱患的泄放組合。

（6）其他起始事件的核算重復步驟(2)～(5)，直到所有起始事件核算完畢，即可得到所有起始事件下存在安全隱患的泄放組合。

AMDLF方法流程如圖1所示。

圖1 AMDLF方法流程

對上述方法步驟做以下補充。

（1）根據SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》，可能引起裝置泄放的特殊工況有：工藝裝置開、停工；火災事故；停水、停電及蒸汽、儀表空氣供應中斷等工程事故；其他事故[9]。在具體應用過程中，應根據廠區的實際情況選取可能發生的起始事件。

（2）泄放組合的物性參數的計算可以使用API 521 提供的計算方法，也可以使用軟件計算。Aspen Flare-net 是一款專門用于穩態網狀泄放系統的專業計算軟件，可以對集中、發散或環形等各類火炬管網進行模擬。本文將使用Aspen Flare-net 軟件對火炬系統的物性參數進行計算，通過計算的數值來判斷廠區改擴建裝置對火炬系統負荷的影響和驗證提出的解決方法是否有效。

2 案例

本文以某石化工廠的一聯合單元為例，使用上述方法得到裝置改擴建后火炬系統的負荷。結合工程實際需求，以安全閥閥后背壓、噪聲、下游馬赫數等參數作為判斷火炬系統是否風險可控的標準；其中，安全閥閥后背壓為重要判斷基準。通過比較新增裝置前后廠區內各裝置的安全閥閥后背壓、噪聲、馬赫數，定量評估新增裝置對火炬系統和廠區的風險影響。

2.1 新增裝置前火炬系統仿真計算

某石化廠一聯合單元共有三套裝置簡記為A、B、C，對應的安全閥編號分別為1、2、3。這3套裝置均泄放至同一火炬系統。原廠區流程如圖2所示。其中包含的部件有：安全閥1、安全閥2、安全 閥 3 （ 分 別 對 應 圖 2 中 ReliefValve1、ReliefValve2、ReliefValve3）；排氣管1、排氣管2、排氣管3（分別對應圖2 中Tailpipe1、Tailpipe2、Tailpipe3）；管道1、管道2 （分別對應圖2 中Pipe1、Pipe2）；三通1、三通2（分別對應圖2 中Tee1、Tee2）；火炬管（對應圖2中Stack）、火炬頭（對應圖2中FlareTip）。

（1）各部件參數

安全閥參數見表1。管道參數見表2。

在該廠區可能發生的特殊工況有火災、冷卻失效、局部停電等，本節選擇火災工況進行分析。本仿真案例中，火災特殊工況的限制參數為各管道的馬赫數不大于0.7，噪聲不大于110dB。

（2）泄放組合和泄放路徑求解

火災工況下泄放裝置A、B、C 均可能泄放，根據式(1)得到的泄放組合共有7種，分別是：A裝置單獨泄放、B 裝置單獨泄放、C 裝置單獨泄放、AB 裝置同時泄放、AC 裝置同時泄放、BC 裝置同時泄放、ABC 裝置同時泄放。根據式(2)可得泄放路徑共有12 條。火災工況的泄放組合和泄放路徑見表3。

確定泄放組合和泄放路徑后，分別計算每條泄放路徑下各安全閥的背壓。本文使用Aspen Flare-net 軟件作為計算工具。計算結果在2.3 節中展示。

2.2 新增裝置后火炬系統仿真計算

在上述聯合單元的基礎上增加泄放裝置D，對應安全閥編號為4。新增裝置后廠區流程如圖3所示。

（1）新增裝置參數 在流程中增加的部件有：安全閥4（對應圖3中ReliefValve4）、排氣管4（對應圖3 中Tailpipe4）、管道3（對應圖3 中Pipe3）、三通3（對應圖3 中Tee3）。其他部件與圖2 相同。增加的管道部件信息見表4，其他部件保持不變。增加的安全閥4的參數見表5。

圖2 新增裝置前廠區流程

表1 安全閥參數表

表2 管道參數表

表3 新增裝置前泄放組合及泄放路徑表

表4 新增管道部件參數表

表5 安全閥4參數表

（2）泄放組合和泄放路徑求解 根據式(1)和式(2)可得火災工況下有以下15種泄放組合和32條泄放路徑，見表6。

表6 新增裝置后泄放組合和泄放路徑表

確定泄放組合和泄放路徑后，使用Flare-net軟件計算每條泄放路徑下各安全閥的背壓、噪聲和馬赫數。計算結果在2.3節中展示。

圖3 新增裝置后廠區流程

2.3 計算結果與分析

根據每條泄放路徑下各泄放源泄放負荷所占百分比和火災工況下各泄放源的最大泄放量可得各泄放源的實際泄放量；根據式(3)和式(4)可得每條泄放路徑總泄放量。由各泄放源的實際泄放量和每條泄放路徑總泄放量，使用Aspen Flare-net軟件計算得到廠區火災工況下新增裝置前每條泄放路徑下各安全閥的背壓見表7。

表7 新增裝置前安全閥閥后背壓計算結果

同理，計算得到廠區火災工況下新增裝置后泄放路徑下各安全閥背壓如表8所示。

表8 新增裝置后安全閥閥后背壓計算結果表

噪聲和下游馬赫數的計算按照相同的方法進行。經過計算，在本文的仿真案例中火炬系統的各部件噪聲、馬赫數在新增裝置前和新增裝置后均處于廠區要求的范圍內。具體計算數值由于篇幅原因在此不做展示。

對比火災工況下新增裝置前后的安全閥閥后背壓、噪聲和下游馬赫數的計算結果可以得到如下結論。

（1）新增裝置前各安全閥的閥后背壓均小于安全閥的最大允許背壓3.808×105Pa。新增裝置后，各個安全閥的閥后背壓均有升高。其中泄放路徑5、6、17、18、20、21、29、30（即泄放組合AB、ABC、ABD、ABCD）均有安全閥的閥后背壓超過了最大允許背壓；其他泄放路徑下的閥后背壓有一定程度的升高，但并未超過最大允許背壓3.808×105Pa。因此在火災特殊工況下，只要泄放裝置A、B同時泄放就會導致部分安全閥的閥后背壓超高。

（2）新增裝置前各泄放路徑下各部件的噪聲均不超過噪聲最大允許值110dB。新增裝置后各泄放路徑下各部件的噪聲有不同程度的增大。但仍不超過噪聲最大允許值110dB。因此，不存在噪聲超高的安全隱患。

（3）新增裝置前各泄放路徑下各部件的下游馬赫數均不超過馬赫數最大允許值0.7。新增裝置后各泄放路徑下各部件的下游馬赫數有不同程度的增大。但仍不超過馬赫數的最大允許值0.7。因此，不存在下游馬赫數超高的安全隱患。

因此，得到新增裝置后具有安全隱患的泄放組合為：泄放裝置A、B同時泄放。

冷卻失效、局部停電等其他特殊工況下新增裝置對火炬系統的影響可以使用同樣的方法得到。

3 結論

（1）本文提出了石化裝置改擴建情況下量化火炬系統負荷的計算流程與方法，解決了當前國內外火炬系統設計標準在此方面未明確給出新增泄放負荷及其關鍵指標核算的問題。

（2）本文提供的方法不僅能夠得到火炬系統負荷的量化結果，還能得到導致安全隱患的泄放組合。這對后續提高火炬系統處理能力具有指導作用。

（3）本文提供的方法應用了計算火炬系統負荷的新方法——火炬系統中的多壓力單元泄放疊加算法。案例分析表明該方法在火炬組合泄放負荷計算方面能夠提供更高的準確性，因此對設計石化裝置改擴建情況下火炬系統負荷管理對策具有一定指導意義。

（4）關于如何解決裝置改擴建后可能出現的安全隱患，秉承盡量節約成本的思想，可以選擇在不改變原有火炬系統的基礎上尋找可能導致安全隱患的泄放組合（如上文所示），并根據工況采用多種措施阻止這些泄放組合的出現，包括設計恰當的安全聯鎖SIF回路進行泄放負荷管理等，這些措施的具體應用還需要進一步的研究。