石化廠火炬系統核算與消減技術研究

高攀龍 李供法 牛繼光

摘要：本研究從火炬系統核算與消減兩個方面闡述一種科學的火炬系統分析方法，遵循API 521標準，提出一整套系統化的方法和技術，從超壓源頭上進行科學的泄放分析，采取符合標準的方法和措施盡可能地對火炬排放量進行消減，并在此基礎上對某石化廠全廠火炬系統進行優化，使全廠火炬系統滿足現役及未來新建裝置的使用需求。

關鍵詞：系統化；火炬系統；核算與消減

DOI：10.12433/zgkjtz.20233044

一、火炬系統核算與消減的必要性

火炬系統是石化工廠的最后一道安全保障，在事故狀態下火炬系統能否滿足各裝置的排放需求直接影響企業的安全生產。

對于現役工廠，由于不斷擴建和改造，新老裝置錯綜復雜，加之原料和操作條件與設計值往往有較大的偏離，又缺少可靠的泄放分析數據，很多企業已經難以確認現役火炬系統是否能滿足當前的泄放要求。如果不對現役裝置的實際排放需求和現役火炬的排放能力進行仔細充分的核算，盲目將新建擴建的裝置并入現役火炬，將會帶來很大的安全隱患。另外，生產裝置改造以后火炬量增大或者在設計階段可能會忽視某些關鍵工況，進而導致火炬系統處理能力不足。近年來曾發生過火炬系統不足而導致的嚴重事故。由于存在上述問題，可見現役工廠的火炬系統存在著較大的安全風險。

對于新建工廠而言，由于裝置規模大、數量多，火炬排放總量較大，但通常專利商和設計單位只采用靜態計算方法確定泄放量，導致火炬量過于保守。根據千萬噸規模的煉化一體化項目經驗，如果依據專利商提供的數據，火炬排放總量將高達數千到10000t/h級別，龐大規模的火炬排放需求將帶來一系列的問題，如火炬總管尺寸大、數量眾多、投資額大等，通常情況下會發生工程設計難以實施、用地受限、投資限制等困難。

為實現現役工廠火炬系統的安全核算以及新建工廠的火炬系統優化，需要從源頭上對火炬排放量進行詳細的核算，并采取符合標準的方法和措施盡可能地消減火炬量，以實現節約用地、縮減火炬放空管道和火炬處理設施的規模、節省投資等目標。

二、火炬系統核算與消減的技術

火炬氣主要是被保護設備的超壓泄放或緊急泄壓排放而產生的氣體，因而要解決火炬系統的問題必須從被保護設備的超壓事故工況分析源頭上著手。遵循發現問題并解決問題的思路，基于國際通行的API 521[1]標準，再采用靜態和動態超壓泄放工況分析相結合的系統化方法火炬系統的核算與消減。

（一）火炬系統基礎泄放分析

火炬系統基礎泄放分析的主要目標是用靜態分析方法進行泄放分析、核算火炬量，對現役火炬系統進行校核，以檢驗這些系統是否有問題。其主要工作內容包括：

1.穩態模擬

泄放分析和計算必須以泄放條件下的物性為基礎，因而必須建立裝置的穩態模型。現役裝置通常是以生產數據作為穩態模擬的基礎，新建裝置則以設計數據進行建模。

2.靜態泄放分析

采用以API 521[1]為標準的方法，基于每個被保護設備確定適用的泄放工況及其設定條件，再根據該標準中的原則計算泄放量和物性。

3.靜態分析核算

靜態分析核算是整個泄放分析和火炬系統優化工作中的重要內容，其計算的主要結果是關鍵的安全閥工況及其泄放數據。本研究采用SimTech Relief Plus?軟件進行靜態泄放分析和計算。該軟件計算時需將建立的穩態模型導入，根據設備的超壓工況在軟件中完成相應的設置，軟件可自動計算出超壓工況下的泄放量和泄放物料的物性數據。

4.系統化的火炬系統核算與消減

系統化的火炬系統核算與消減技術在火炬量的疊加上較現行規范有所區別。系統化的火炬系統核算與消減技術在同一個事故工況下火炬量疊加時是遵循API 521[1]的標準，即火炬總量為各排放源最大排量之和。需要指出的是，該疊加計算原則比現行的SH-3009-2013標準更嚴謹，也更為苛刻。

（二）動態泄放分析

動態泄放分析，即基于嚴格機理的動態模擬，在API 521標準的指導下對被保護設備超壓工況及其泄放的動態行為進行模擬和分析。API 521標準中推薦使用動態模擬的方法進行泄放分析，動態泄放過程具有典型的動態屬性，動態模擬是基于嚴格機理模型的，能考慮復雜的物料和熱量耦合關系，因而可以更真實地再現泄放發生的實際過程。動態分析的結果通常以泄放曲線的形式展現（見圖 1），其中泄放量和時間的關系曲線，即我國SH-3009-2013標準中所述的時間－流量曲線。泄放曲線的最大值將作為該設備在該工況下最大排放量。本文采用Dynsim軟件作為動態模擬工具。

動態泄放分析的基礎是建立嚴格機理的動態模型。在動態建模過程中，需要將設備的規格尺寸、實際控制方案等設置到模型中。完成動態建模之后需要將模型從冷態（即初始開工狀態）開到穩態，這一過程與裝置實際開工類似。當然，動態建模以及開工至穩態的整個過程工作量大且需要充分的時間。在得到穩態之后，可以根據具體的超壓工況進行分析。在多數情況下，需要對分析的結果進行多個工況研究。

（三） 火炬量消減分析

消減分析方法包括工況條件復核、動態疊加分析、采取HIPS（High Integrity Protection System，高完整性超壓保護聯鎖）和其他消減措施等。

HIPS是一種API 521推薦并被廣泛采納的火炬量消減方法。常見的HIPS應用是用高完整性（如SIL-2或SIL-3）的壓力高聯鎖切斷再沸器熱源或重沸爐燃料氣，HIPS的分析工作通常還包括量化的HIPS可靠性分析，以確定消減后的全廠火炬總量。

泄放分析中需要基于靜態和動態泄放分析的結果，選擇適合的被保護設備。在動態模型上對專利商已經采用的HIPS或建議新增的HIPS的應用進行分析，包括HIPS的消減效果、HIPS設定點分析、HIPS的失效概率和可靠性分析等。

（四）火炬系統核算選型

在完成火炬系統火炬量的疊加匯總之后，對現役或新建工廠均可建立火炬系統管道水力學模型進而可對火炬系統進行水力學計算。水力學計算的結果包括各生產裝置邊界處背壓、火炬總管的馬赫數等。模型的起點邊界通常是裝置火炬和全廠火炬的邊界點，而終點邊界則通常是火炬設施。模型將包括管道、分液罐和火炬筒等。本文采用Visual Flare軟件進行建模。

三、案例研究

（一）背景介紹

某石化現役火炬系統設有高壓和低壓等總管，用于處理老區和太平村廠區廠區現役各裝置排放的火炬氣?；鹁嫦到y建成后，陸續有幾套生產裝置并入，現階段無法明確現役火炬系統能否滿足排放的需求。根據某石化的規劃要求，新建某裝置。如果新建裝置能利用現役的火炬系統，將有效降低新建路由的實施難度并能節省不少的投資。故需采用系統化的火炬系統核算和優化技術，對現役火炬系統進行核算和優化，并檢驗新建某裝置利用現役火炬系統的可行性。

（二）核算和優化的結果說明

在考慮新建某裝置火炬氣并入的情況下，對現役火炬系統進行基礎泄放分析、動態泄放分析以及消減分析。以現役火炬系統火炬總量原設計數據為100%，各個分析階段的火炬總量如圖1所示。

經對現役火炬系統進行系統化的核算與優化后，在新建某裝置并入現役火炬系統的情況下，有如下結論：

（1）全廠停電工況為控制性工況，考慮熱輻射時優化后的火炬總量比原設計火炬總量減少了38%，消減效果顯著。

（2）對于現役高壓和低壓火炬系統分別進行了水力學核算，全廠性工況背壓均不超設計背壓。

由此可知，采用科學、系統的泄放分析方法對火炬系統進行一次徹底、詳細的核算，對火炬系統現階段的負荷情況有明確的量化認識。通過采取一系列優化措施后，在提高現役火炬系統安全性的同時實現了新建裝置火炬氣并入現役火炬系統的目標，為生產企業節省了投資。

1. 老區低壓火炬放空系統

老區低壓火炬放空系統1、2的全廠停電工況核算背壓均不超原設計背壓。此時核算背壓為0.098MPaG，沒有超過安全閥允許值。

2. 新區現役高壓和低壓放空系統

新區現役高壓放空系統全廠停電工況及最大單事故工況核算背壓均不超原設計背壓。新區現役低壓放空系統全廠停電工況核算背壓不超原設計背壓，最大單事故工況核算背壓與設計背壓基本一致。

3. 新區現役低低壓放空系統

新區現役低低壓火炬系統的全廠停電工況核算背壓不超按火炬量設計數據核算的背壓。

四、消減措施

（一）催化裂解裝置富氣壓縮機兩臺潤滑油泵電機增設應急電源

為避免全廠停電工況發生時富氣壓縮機直接跳車后，發生放火炬閥打開排放，反應沉降器頂壓力因裝置邊界處背壓升高而升高的情況，催化裂解裝置富氣壓縮機兩臺潤滑油泵電機應增設應急電源，而且應急電源容量按至少維持電機運轉10min考慮。

（二）催化裂解裝置增強應急響應

為消減低壓火炬系統全廠停電工況下的排放量，需提高催化裂解裝置于停電工況下的應急響應能力，要將下列操作作為應急操作步驟并程序化：

（1）停電后，操作人員迅速切斷穩定塔第二重沸器蒸汽熱源。

（2）停電后，操作人員需密切注意輕重汽油分離塔壓力變化，如壓力持續上升，需及時關閉進料控制閥FV-30401。

上述措施的目的是確保穩定塔、輕重汽油分離塔在停電事故下不超壓泄放。

通過此次系統化核算，得到了現役火炬系統各裝置全廠性工況和控制性單事故工況下的火炬量詳細的分析過程和結果數據。

五、結論

（1）火炬系統核算與消減的技術研究既有助于詳細核算現役火炬系統，也可核實現役火炬系統的處理能力，還能排查出火炬系統的潛在風險。

（2）火炬系統核算與消減的技術采用科學、系統的消減措施，可有效優化全廠火炬總量。

（3）火炬系統核算與消減技術的成果可為將來某石化改擴建項目及技術改造項目實施后火炬系統方案的確定與優化提供堅實的數據基礎。

（4）應推廣火炬系統核算與消減技術，這將極大提高整個行業對火炬系統核算和優化的重視，促進相關標準的建立、升級和完善，從而推動整個石化行業的進步。

參考文獻：

[1]API Standard 521， Pressure-relieving and Depressuring System， Sixth Edition， January 2014.

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