Aspen Flare-net在異丙苯裝置火炬管網(wǎng)設(shè)計中的應(yīng)用

摘 要：簡要介紹了Aspen Flare-net軟件的主要特點和計算方法。以某裝置異丙苯單元火炬管網(wǎng)為例，闡述該軟件在設(shè)計中的應(yīng)用，利用軟件核算管網(wǎng)壓力降，馬赫數(shù)及安全閥背壓，滿足設(shè)計要求，保證系統(tǒng)安全。表明該軟件在火炬管網(wǎng)設(shè)計中的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：Aspen Flare-net;火炬管網(wǎng);安全閥;背壓;馬赫數(shù)

1 概述

火炬排放系統(tǒng)是石油化工及煉油裝置必不可少的配套設(shè)施，也是裝置的最后一道安全屏障。通過該系統(tǒng)可達(dá)到防止生產(chǎn)裝置發(fā)生超壓破壞以及對安全泄放出來的物質(zhì)進(jìn)行安全環(huán)保處理的目的。[1]

火炬系統(tǒng)的設(shè)計計算是石油化工工藝設(shè)計的重要內(nèi)容，主要包括確定各種工況下的排放負(fù)荷和計算排放管網(wǎng)壓降。由于火炬排放介質(zhì)的可壓縮性，介質(zhì)壓力在管道中是隨著流經(jīng)管道長度的變化而不斷變化的，其密度也隨之變化，所以介質(zhì)壓降和流速之間的關(guān)系不能用簡單的流體阻力函數(shù)關(guān)系式表達(dá)，管線壓降需反復(fù)大量計算。[1-2]隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬計算軟件發(fā)展很快，目前，國內(nèi)外廣泛使用Aspen Flare System Analyzer（以下簡稱Aspen Flare-net）模擬火炬管網(wǎng)中的水力學(xué)計算。使用該軟件可節(jié)省大量人力并大大縮短設(shè)計周期，一般可節(jié)約50-60%人工時。同時可提高設(shè)計精度和設(shè)計水平。

2 Aspen Flare-net軟件特點

Flare-net軟件最早由英國公司與1985年開發(fā)投放市場，后由Aspen公司收購繼續(xù)開發(fā)，用于油氣處理、煉油廠、石油化工廠等任何有放空的領(lǐng)域。軟件主要特點如下：

①圖形用戶界面直觀反映整個火炬網(wǎng)絡(luò);②執(zhí)行API-520/521標(biāo)準(zhǔn);③可以和HYSYS，Access，Excel，XML進(jìn)行數(shù)據(jù)共享;④可進(jìn)行多相流和氣阻計算;⑤增強(qiáng)了工藝過程參數(shù)（如溫度、壓力、流量、馬赫數(shù)等）;⑥可定義多種工況，緊急排放，火災(zāi)，冷卻失效，單個設(shè)備關(guān)斷等;⑦系統(tǒng)可進(jìn)行設(shè)計約束設(shè)定，如最大背壓，流體流速等，設(shè)有出錯報告，可以總結(jié)超出設(shè)計限制的情況;⑧管道等級可定義標(biāo)準(zhǔn)尺寸，執(zhí)行項目標(biāo)準(zhǔn);⑨軟件有設(shè)計模式，核算模式和脫瓶頸模式;⑩不但能設(shè)計或核算收斂式管網(wǎng)系統(tǒng)還能核算有分支的管網(wǎng)系統(tǒng)及環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，模型的復(fù)雜程度沒有限制。

3 Aspen Flare-net計算方法

Aspen Flare-net對于單相流模型，可以采用Isothermal和Adiabatic兩種熱力學(xué)模型計算管線壓降。對于氣液兩相流模型，Beggs & Brill 方法適用于水平和傾斜管線，Orkisewski方法適用于垂直管線。

4 建立模型

使用Flare-net搭建火炬管網(wǎng)模型，首先需要從物性庫中選取火炬氣中可能存在的烴類組成，定義粗糙度，壓降的計算方法和各段管道對于馬赫數(shù)的要求。然后根據(jù)平面布置和配管情況搭建火炬總管、各級支管和安全閥。然后根據(jù)各種工況，定義不同工況下安全閥排放位號與個數(shù)。管道的長度和大小頭、彎頭根據(jù)配管專業(yè)提供的數(shù)據(jù)輸入。管線的尺寸可根據(jù)工程經(jīng)驗定義一個初值，由軟件進(jìn)行核算。如果初值核算出的背壓超過安全閥選型的最大允許背壓要求，或者管道內(nèi)的流速超過馬赫數(shù)要求時，則需調(diào)整管徑重新計算。采用給定初值的計算方法，可大大提高計算速度。在定義管道時，需注意尾管和總管的區(qū)別。總管中的流量是按照安全閥的需要排量計算，尾管是按照安全閥的額定排量計算，一般將安全閥后管道定義為尾管。[3-4]一般要求密閉排放的火炬總管馬赫數(shù)不超過0.5，支管最高不超過0.7。

5 工程應(yīng)用實例

5.1 設(shè)計基礎(chǔ)

某裝置異丙苯單元設(shè)有高壓火炬系統(tǒng)，可處理緊急泄放的氣體和正常工況再生廢氣以及密閉采樣機(jī)泵密封及儀表閥門需密閉排放的尾氣。高壓火炬管網(wǎng)的安全閥共計18個，排放主要介質(zhì)為苯，異丙苯，丙烯，丙烷，多異丙苯等。單元內(nèi)火炬總管DN800，設(shè)有火炬分液罐。界外火炬總管最高背壓0.2MPaG。經(jīng)分析需要考慮排量疊加的工況有全場停電，停水，冷卻水失效和火災(zāi)工況。火災(zāi)工況按照平面布置和API 521建議在無其他控制因素條件下著火區(qū)通常限定在230-460m2地面區(qū)域，不考慮各個區(qū)域同時火災(zāi)的情況。

根據(jù)API-520，常規(guī)安全閥的最大允許背壓為整定壓力的10%，平衡波紋管式安全閥為整定壓力的30-50%，先導(dǎo)式安全閥閥門開啟不受背壓影響。本項目平衡波紋管式安全閥允許背壓按照40%計。

5.2 核算結(jié)果

①核算各安全閥單獨排放的背壓均能滿足安全閥選型的要求，馬赫數(shù)滿足管徑設(shè)計要求，先導(dǎo)式安全閥選型合適。詳見表1;

②開停車工況，排放量149.14t/h，核算PSV-025背壓為0.216MPaG，馬赫數(shù)0.144，滿足設(shè)計要求;

③停電工況，排放量254.73t/h，為最大工況，2個排放點PSV-025（背壓0.22MPaG馬赫數(shù)0.142），PSV-030（背壓0.245MPaG馬赫數(shù)0.245）均滿足安全閥選型馬赫數(shù)的設(shè)計要求，總管管徑滿足設(shè)計要求;

④停水工況和回流故障工況均為安全閥PSV-030排放，核算結(jié)果背壓0.238MPaG，馬赫數(shù)0.244，滿足設(shè)計要求;

⑤火災(zāi)工況分區(qū)域考慮，其中排放量最大的為PSV-050/052/053/054同時排放，PSV-050/052排放背壓為0.306MPa·

G，馬赫數(shù)0.272，PSV-053/054排放背壓為0.302MPa·G，馬赫數(shù)0.307，背壓及馬赫數(shù)滿足設(shè)計要求。

值得注意的是，安全閥設(shè)定壓力較高時，單點安全閥排放出口管線馬赫數(shù)相比多點疊加排放時的馬赫數(shù)更高，例如PSV-050/052，分析原因是由于開啟時進(jìn)出口壓差過大，大量火炬氣從安全閥排出，體積急劇膨脹，在支管處產(chǎn)生較高的壓降。若馬赫數(shù)超過規(guī)定值，則需放大出口管徑。因此各種工況都需核算確保滿足設(shè)計要求（見表1）。

6 結(jié)論

本文介紹了Aspen Flare-net軟件的特點，并以某裝置異丙苯單元火炬排放管網(wǎng)中的設(shè)計為實例，核算管網(wǎng)尺寸是否能滿足設(shè)計要求，同時核算安全閥的背壓能否滿足選型要求。借助Flare-net軟件不僅能計算多種工況的管網(wǎng)水力學(xué)壓降，還能對系統(tǒng)綜合分析提出安全可靠的技術(shù)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛茂梅，奚文杰，曹楓，沈紅霞，張世程.ASPEN在火炬排放系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用[J].廣州化工，2010，6（38）：203-204.

[2]匡順強(qiáng)，張斌. Aspen flare-net在火炬管網(wǎng)設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 化工與醫(yī)藥工程，2015（2）：1-5.

[3]王珊珊.Aspen flare System Analyzer在火炬管網(wǎng)設(shè)計與分析中的具體應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，2017（1）：111-114.

[4]姜凱.FLARENET在乙烯裝置火炬管網(wǎng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)計，2013（3）：42-45.

作者簡介：

李維（1981- ），性別：女，民族：漢，籍貫：山東省萊州人，學(xué)歷：碩士研究生;現(xiàn)有職稱：工程師;研究方向：石油化工工程設(shè)計。