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石油化工裝置火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的確定
發(fā)布時(shí)間：
2023-06-16 17:12
石油化工裝置的原料和產(chǎn)品多為易燃 、 易爆或有毒的介質(zhì) ， 危險(xiǎn)性大 ， 如何使其安全運(yùn)行非常重要 。 而火炬系統(tǒng)則是為處于超壓 、 減壓 、 開停車和事故 （ 非正常工況 ） 時(shí)的石化裝置緊急排放可燃性介質(zhì)的快速處理設(shè)施;高可靠性的火炬系統(tǒng)可有效保證裝置安全生產(chǎn)和減少環(huán)境污染 。
火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷 ， 即火炬最大排放量 , 是火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù) 。 對(duì)裝置可能出現(xiàn)的超壓工況進(jìn)行分析 ， 得到每個(gè)超壓工況時(shí)的排放量,并確定火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷 ， 是工程設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)不容忽視的工作 。
1 確定火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的基本原則
確定火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷 ， 首先要按照 3 個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行超壓工況的分析 ： 1）任何單個(gè)事件是可信的；2）2 個(gè)順序發(fā)生的相關(guān)事件是可信的;3）同時(shí)發(fā)生的 2 個(gè)或 2 個(gè)以上不相關(guān)的獨(dú)立事件是不可信的 。 因?yàn)?2 個(gè)或 2 個(gè)以上不相關(guān)的事件同時(shí)發(fā)生的概率很小,所以不予考慮 , 其排放量也不需要疊加 。 一般認(rèn)為 ， 如果引起超壓的事件之間不存在工藝 、 機(jī)械或電氣之間的聯(lián)系 , 或可能相繼發(fā)生超壓的原因所間的時(shí)間很長(zhǎng) ， 那么這些事件就是不相關(guān)的 。 例如: 停電和塔回流中斷一般是相關(guān)的 , 同時(shí)發(fā)生是可信的 ; 火災(zāi)和換熱管破裂是不相關(guān)的 ， 同時(shí)發(fā)生是不可信的。
2 不同工況火炬排放量的確定
火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷主要考慮公用工程故障 、 火災(zāi) 、 化學(xué)反應(yīng)失控 、 緊急減壓工況和發(fā)生單項(xiàng)事故時(shí)最大排放量中的最大者,排放量最大的工況也稱為主導(dǎo)工況 。 進(jìn)行火炬系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算時(shí) ， 設(shè)計(jì)負(fù)荷不一定是所有事故中的最大質(zhì)量流量 ， 而是流經(jīng)整個(gè)火炬系統(tǒng)時(shí)將產(chǎn)生最大壓力損失的流量 ， 比如: 溫度 150℃ 、 平均分子量 16 、 流量100t/h 的氣體與溫度30 ℃ 、 平均分子量 28 、 流量150t/h 的氣體 ， 應(yīng)選用前者（150 ℃ 、 平均分子量16 、 流量 100t/h ） 進(jìn)行火炬系統(tǒng)的水力學(xué)計(jì)算 。
2.1外部火災(zāi)事故
出現(xiàn)外部火災(zāi)事故時(shí) ， 并不是全裝置同時(shí)發(fā)生火災(zāi) ， 也不是所有的安全閥都會(huì)起跳 。 根據(jù)API521 標(biāo)準(zhǔn): 在缺乏任何控制因素的條件下 ,火災(zāi)事故的影響范圍一般認(rèn)為局限在 230m 2-460m 2 ， 相當(dāng)于直徑為 17m-24.2m 的火圈 ， 火焰的高度為從可積液的地面或平臺(tái)以上 7.62m 。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中 ， 要綜合考慮可燃介質(zhì)的數(shù)量和種類 、 設(shè)備布置 、 圍堰的高度 、 地面排水系統(tǒng) 、 自然地形和屏障以及平臺(tái)的型式等 ， 以便劃分火災(zāi)的影響范圍。
在確定火災(zāi)事故的火炬排放量時(shí) ， 先劃分火災(zāi)影響范圍;再對(duì)劃分的每個(gè)火災(zāi)影響區(qū)計(jì)算其中每臺(tái)設(shè)備的排放量 ， 取其加和作為該火災(zāi)影響區(qū)的總排放量;找出所有火災(zāi)影響區(qū)中排放量最大者作為該裝置發(fā)生火災(zāi)時(shí)的火炬排放量 。
2.2 公用工程事故
公用工程事故主要是指電力故障,冷卻水 、 儀表空氣以及蒸汽的中斷等 。 公用工程事故的火炬排放量 ， 原則上按整個(gè)裝置出現(xiàn)公用工程事故時(shí)各點(diǎn)排放量的總和進(jìn)行計(jì)算 。
2.2.1 電力故障
裝置一旦發(fā)生電力故障 ， 其所有電驅(qū)動(dòng)的設(shè)備都會(huì)停止工作 ， 如泵 、 壓縮機(jī) 、 空冷器等 。 最常見的影響是塔失去回流或者空冷器風(fēng)扇停轉(zhuǎn) ， 從而引起塔的超壓 。 對(duì)空冷器而言 ， 當(dāng)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)時(shí) ， 因自然對(duì)流效應(yīng) , 空冷器仍有部分冷凝功能 ，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)時(shí)的冷凝量為正常負(fù)荷的 20%-30%；所以其泄放量可按 70%-80% 的塔頂蒸氣量取值 。
電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí) ， 有可能幾臺(tái)塔同時(shí)超壓,這些塔的安全閥亦同時(shí)開啟 ， 因此需要將此工況下開啟的所有安全閥的排放量進(jìn)行加和得到火炬的排放量 。
如果裝置內(nèi)設(shè)置了電驅(qū)動(dòng)的冷卻水增壓泵或者冷凍水泵 ， 當(dāng)發(fā)生電力故障時(shí) ， 冷卻水或冷凍水泵也將同時(shí)中斷 ， 計(jì)算火炬排放量時(shí)還需要加上由此引起的排放量 。
2.2.2冷卻水中斷
裝置冷卻水中斷 ， 會(huì)造成所有以冷卻水為冷卻介質(zhì)的換熱器失去冷卻能力 。 此時(shí)塔器的塔頂氣體不能被冷凝而滯留其中無法及時(shí)排出 ， 引起塔系統(tǒng)超壓 。 同時(shí) ， 由于塔頂氣體不能被冷凝 ， 一段時(shí)間后塔也會(huì)失去回流 ， 同樣導(dǎo)致塔內(nèi)超壓 。冷卻水中斷時(shí) ， 有可能幾臺(tái)塔同時(shí)超壓 ， 這些塔的安全閥同時(shí)開啟 ， 則與出現(xiàn)電力故障時(shí)類似 ， 將此工況下開啟的所有安全閥的排放量進(jìn)行加和得到火炬的排放量 。
電力故障或冷卻水中斷通常為主導(dǎo)工況。
2.2.3 儀表空氣中斷
儀表空氣中斷的直接后果是所有氣動(dòng)的調(diào)節(jié)閥和開關(guān)閥都停到了氣源故障位置 ， 即開 、 關(guān)或保持原位 。 通常系統(tǒng)設(shè)置有儀表空氣緩沖罐 ， 當(dāng)外供儀表空氣中斷時(shí) ， 會(huì)有 20-30min 的緩沖 ， 同時(shí)裝置也會(huì)借助設(shè)置的 UPS 電源 ， 維持儀表繼續(xù)工作一段時(shí)間 。 這段時(shí)間足夠操作人員對(duì)此突發(fā)工況進(jìn)行緊急處理 ， 所以全裝置設(shè)備超壓的可能性不大， 一般只計(jì)算單點(diǎn)儀表空氣中斷引起的超壓排放 。
2.2.4 蒸汽中斷
蒸汽通常是作為加熱介質(zhì) ， 蒸汽中斷不會(huì)引起系統(tǒng)超壓 。 裝置內(nèi)如果有蒸汽驅(qū)動(dòng)的泵或壓縮機(jī) , 則需要根據(jù)具體情況確定蒸汽中斷時(shí)是否會(huì)引起超壓 。 因?yàn)檎羝钙接墒酵耆Ｖ剐枰欢ǖ臅r(shí)間 ， 如果在此期間操作人員能進(jìn)行正確處理或能及時(shí)啟動(dòng)備用系統(tǒng),就不會(huì)引起超壓 。
2.2.5 化學(xué)反應(yīng)失控
化學(xué)反應(yīng)失控有時(shí)會(huì)成為確定火炬負(fù)荷的主導(dǎo)工況 。 計(jì)算化學(xué)反應(yīng)失控引起的排放量的難度較大 。 通常需要先根據(jù)小型模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù) ， 確定系統(tǒng)特征 ， 如調(diào)合型 、 氣態(tài)型或混合型,再根據(jù)系統(tǒng)特征選擇適用的計(jì)算公式 。 系統(tǒng)特征分類有 ： 1）調(diào)合型: 反應(yīng)失控產(chǎn)生的壓力完全是由于反應(yīng)體系中的蒸氣壓產(chǎn)生 ， 在熱失控時(shí)系統(tǒng)內(nèi)壓力隨著反應(yīng)體系溫度的增加而增加 。 2）氣態(tài)型: 反應(yīng)失控產(chǎn)生的壓力完全是由于化學(xué)反應(yīng)過程中放出的不可凝性氣體所致 。 3）混合型: 隨反應(yīng)體系溫度的升高,系統(tǒng)內(nèi)壓力是由反應(yīng)過程產(chǎn)生的氣體和蒸氣共同作用的結(jié)果 。
化學(xué)反應(yīng)失控的排放量可以用美國緊急泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì) （ DIERS ） 推薦的方法進(jìn)行計(jì)算 ，調(diào)合型化學(xué)反應(yīng)失控的排放量也可以按照 SH/T3210 — 2020 （ 石油化工裝置安全泄壓設(shè)施工藝設(shè)計(jì)規(guī)范 》 規(guī)定的方法計(jì)算。
2.3 緊急減壓
裝置的緊急減壓也有可能成為確定火炬負(fù)荷的主導(dǎo)工況 。 計(jì)算緊急減壓的排放量時(shí) ， 應(yīng)該假設(shè)減壓閥是全開的,減壓閥上游為被保護(hù)設(shè)備在排放時(shí)的最高壓力 。 根據(jù)工藝需要 ， 最高壓力可能是最高操作壓力,也可能是設(shè)計(jì)壓力加上積聚壓力 。 如果系統(tǒng)中同時(shí)設(shè)置了安全閥和減壓閥,一般考慮取兩者中排量較大者作為火炬系統(tǒng)的排放量 ， 不考慮同時(shí)排放 。
2.4 單事故
操作人員誤操作 、 調(diào)節(jié)閥故障 、 換熱管破裂,液體熱膨脹等 ， 均會(huì)引起系統(tǒng)超壓 。 但這些工況引起的超壓排放 ， 僅會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)安全閥開啟 ， 不會(huì)引起多個(gè)系統(tǒng)的安全閥同時(shí)開啟 ， 所以一般不作為主導(dǎo)工況 。
3 減少火炬排放量的措施
隨著裝置規(guī)模的日益擴(kuò)大 ， 火炬系統(tǒng)的排放量也相應(yīng)增大 。 通過直接或間接的方法,減少火炬的排放量 ， 對(duì)于節(jié)省工程投資和占地 、 減少操作和運(yùn)行費(fèi)用,有極其重要的意義 。
3.1 采用防火保溫
防火保溫是指有完整的絕熱保溫層 , 外保護(hù)層用不銹鋼板 ， 捆扎帶用不銹鋼帶 ， 在火災(zāi)發(fā)生時(shí) ， 絕熱材料在 904 七仍能起有效作用且 2h 內(nèi)不會(huì)被燒毀脫落 ， 在消防水的沖擊下不會(huì)脫落 。采用防火保溫 ， 可以大幅降低由外部火災(zāi)引起的火炬排放量 。
3.2 采用水噴淋
根據(jù) GB/T150.1 — 2011( 壓力容器 》 ： 當(dāng)容器置于大于 10L/(m 2•min) 的噴淋裝置下時(shí) ，泄放減低系數(shù)為 0. 6 ， 因此設(shè)置滿足要求的水噴淋,可以顯著降低由于外部火災(zāi)引起的火炬排放量 。
3.3 調(diào)整工藝流程
通過調(diào)整工藝流程 ， 使排放因系統(tǒng)特性的改變而得到降低 ， 從而減少火炬的排放量 。 譬如 ， 再沸器的熱源是由電動(dòng)泵輸送的熱油 ， 當(dāng)發(fā)生電力故障時(shí) ， 塔回流因?yàn)榛亓鞅猛ｋ姸袛?， 但此時(shí)塔底再沸器的熱源也因?yàn)橥ｋ姸兄?， 比再沸器熱源采用蒸汽時(shí)的排放量要少;或者提高設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力 ， 也會(huì)減少火炬排放量
3.4 通過動(dòng)態(tài)分析減少火炬排放量
事故發(fā)生時(shí) ， 裝置內(nèi)的所有系統(tǒng)不可能同時(shí)達(dá)到超壓狀態(tài) ， 安全閥也不可能同時(shí)全部排放或在排放周期內(nèi)不可能以恒定的流量排放 。 根據(jù)對(duì)工藝流程的動(dòng)態(tài)分析 ， 得到 “ 排量-時(shí)間 ” 曲線 ， 可以得到火炬排放系統(tǒng)的峰值 ， 以此進(jìn)行火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ， 比所有系統(tǒng)排放量簡(jiǎn)單疊加得到的排放量要少 。
3.5 采用高完整性保護(hù)系統(tǒng) ( HIPS) 減少火炬排
放量采用 HIPS 可以減少裝置內(nèi)各壓力系統(tǒng)同時(shí)排放的概率 ， 從而減少火炬的排放量 。 如冷卻水中斷時(shí) , 多個(gè)塔同時(shí)失去塔頂冷凝能力 ， 此時(shí)塔釜再沸器的熱源供給還在繼續(xù) ， 塔仍然有超壓的可能 。 可以設(shè)置 HIPS, 當(dāng)冷卻水流量低或塔系統(tǒng)壓力高時(shí)聯(lián)鎖切斷再沸器的熱量供給 ， 消除因冷卻水故障而超壓的工況 ， 從而減少總的排放量 。
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