石油化工裝置火炬系統設計負荷的確定

發布時間：

2023-06-16 17:12

石油化工裝置的原料和產品多為易燃、易爆或有毒的介質，危險性大，如何使其安全運行非常重要。而火炬系統則是為處于超壓、減壓、開停車和事故（非正常工況）時的石化裝置緊急排放可燃性介質的快速處理設施;高可靠性的火炬系統可有效保證裝置安全生產和減少環境污染。

火炬系統的設計負荷，即火炬最大排放量 , 是火炬系統設計的基礎參數。對裝置可能出現的超壓工況進行分析，得到每個超壓工況時的排放量,并確定火炬系統的設計負荷，是工程設計中的一項不容忽視的工作。

1 確定火炬系統設計負荷的基本原則

確定火炬系統的設計負荷，首先要按照 3 個準則進行超壓工況的分析： 1）任何單個事件是可信的；2）2 個順序發生的相關事件是可信的;3）同時發生的 2 個或 2 個以上不相關的獨立事件是不可信的。因為 2 個或 2 個以上不相關的事件同時發生的概率很小,所以不予考慮 , 其排放量也不需要疊加。一般認為，如果引起超壓的事件之間不存在工藝、機械或電氣之間的聯系 , 或可能相繼發生超壓的原因所間的時間很長，那么這些事件就是不相關的。例如: 停電和塔回流中斷一般是相關的 , 同時發生是可信的 ; 火災和換熱管破裂是不相關的，同時發生是不可信的。

2 不同工況火炬排放量的確定

火炬系統的設計負荷主要考慮公用工程故障、火災、化學反應失控、緊急減壓工況和發生單項事故時最大排放量中的最大者,排放量最大的工況也稱為主導工況。進行火炬系統水力學計算時，設計負荷不一定是所有事故中的最大質量流量，而是流經整個火炬系統時將產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，應選用前者（150 ℃ 、平均分子量16 、流量 100t/h ）進行火炬系統的水力學計算。

2.1外部火災事故

出現外部火災事故時，并不是全裝置同時發生火災，也不是所有的安全閥都會起跳。根據API521 標準: 在缺乏任何控制因素的條件下 ,火災事故的影響范圍一般認為局限在 230m ²-460m ² ，相當于直徑為 17m-24.2m 的火圈，火焰的高度為從可積液的地面或平臺以上 7.62m 。但在實際設計中，要綜合考慮可燃介質的數量和種類、設備布置、圍堰的高度、地面排水系統、自然地形和屏障以及平臺的型式等，以便劃分火災的影響范圍。

在確定火災事故的火炬排放量時，先劃分火災影響范圍;再對劃分的每個火災影響區計算其中每臺設備的排放量，取其加和作為該火災影響區的總排放量;找出所有火災影響區中排放量最大者作為該裝置發生火災時的火炬排放量。
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，原則上按整個裝置出現公用工程事故時各點排放量的總和進行計算。
2.2.1 電力故障

裝置一旦發生電力故障，其所有電驅動的設備都會停止工作，如泵、壓縮機、空冷器等。最常見的影響是塔失去回流或者空冷器風扇停轉，從而引起塔的超壓。對空冷器而言，當風扇停轉時，因自然對流效應 , 空冷器仍有部分冷凝功能，風扇停轉時的冷凝量為正常負荷的 20%-30%；所以其泄放量可按 70%-80% 的塔頂蒸氣量取值。

電力系統發生故障時，有可能幾臺塔同時超壓,這些塔的安全閥亦同時開啟，因此需要將此工況下開啟的所有安全閥的排放量進行加和得到火炬的排放量。

如果裝置內設置了電驅動的冷卻水增壓泵或者冷凍水泵，當發生電力故障時，冷卻水或冷凍水泵也將同時中斷，計算火炬排放量時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，會造成所有以冷卻水為冷卻介質的換熱器失去冷卻能力。此時塔器的塔頂氣體不能被冷凝而滯留其中無法及時排出，引起塔系統超壓。同時，由于塔頂氣體不能被冷凝，一段時間后塔也會失去回流，同樣導致塔內超壓。冷卻水中斷時，有可能幾臺塔同時超壓，這些塔的安全閥同時開啟，則與出現電力故障時類似，將此工況下開啟的所有安全閥的排放量進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的調節閥和開關閥都停到了氣源故障位置，即開、關或保持原位。通常系統設置有儀表空氣緩沖罐，當外供儀表空氣中斷時，會有 20-30min 的緩沖，同時裝置也會借助設置的 UPS 電源，維持儀表繼續工作一段時間。這段時間足夠操作人員對此突發工況進行緊急處理，所以全裝置設備超壓的可能性不大，一般只計算單點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，蒸汽中斷不會引起系統超壓。裝置內如果有蒸汽驅動的泵或壓縮機 , 則需要根據具體情況確定蒸汽中斷時是否會引起超壓。因為蒸汽透平由失汽到完全停止需要一定的時間，如果在此期間操作人員能進行正確處理或能及時啟動備用系統,就不會引起超壓。

2.2.5 化學反應失控

化學反應失控有時會成為確定火炬負荷的主導工況。計算化學反應失控引起的排放量的難度較大。通常需要先根據小型模擬實驗的數據，確定系統特征，如調合型、氣態型或混合型,再根據系統特征選擇適用的計算公式。系統特征分類有： 1）調合型: 反應失控產生的壓力完全是由于反應體系中的蒸氣壓產生，在熱失控時系統內壓力隨著反應體系溫度的增加而增加。 2）氣態型: 反應失控產生的壓力完全是由于化學反應過程中放出的不可凝性氣體所致。 3）混合型: 隨反應體系溫度的升高,系統內壓力是由反應過程產生的氣體和蒸氣共同作用的結果。

化學反應失控的排放量可以用美國緊急泄放系統設計協會（ DIERS ）推薦的方法進行計算，調合型化學反應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施工藝設計規范》規定的方法計算。
2.3 緊急減壓

裝置的緊急減壓也有可能成為確定火炬負荷的主導工況。計算緊急減壓的排放量時，應該假設減壓閥是全開的,減壓閥上游為被保護設備在排放時的最高壓力。根據工藝需要，最高壓力可能是最高操作壓力,也可能是設計壓力加上積聚壓力。如果系統中同時設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的排放量，不考慮同時排放。

2.4 單事故

操作人員誤操作、調節閥故障、換熱管破裂,液體熱膨脹等，均會引起系統超壓。但這些工況引起的超壓排放，僅會導致相應系統的一個或多個安全閥開啟，不會引起多個系統的安全閥同時開啟，所以一般不作為主導工況。

3 減少火炬排放量的措施

隨著裝置規模的日益擴大，火炬系統的排放量也相應增大。通過直接或間接的方法,減少火炬的排放量，對于節省工程投資和占地、減少操作和運行費用,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 , 外保護層用不銹鋼板，捆扎帶用不銹鋼帶，在火災發生時，絕熱材料在 904 七仍能起有效作用且 2h 內不會被燒毀脫落，在消防水的沖擊下不會脫落。采用防火保溫，可以大幅降低由外部火災引起的火炬排放量。
3.2 采用水噴淋

根據 GB/T150.1 — 2011( 壓力容器》：當容器置于大于 10L/(m ²•min) 的噴淋裝置下時，泄放減低系數為 0. 6 ，因此設置滿足要求的水噴淋,可以顯著降低由于外部火災引起的火炬排放量。

3.3 調整工藝流程

通過調整工藝流程，使排放因系統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泵輸送的熱油，當發生電力故障時，塔回流因為回流泵停電而中斷，但此時塔底再沸器的熱源也因為停電而中止，比再沸器熱源采用蒸汽時的排放量要少;或者提高設備的設計壓力，也會減少火炬排放量

3.4 通過動態分析減少火炬排放量

事故發生時，裝置內的所有系統不可能同時達到超壓狀態，安全閥也不可能同時全部排放或在排放周期內不可能以恒定的流量排放。根據對工藝流程的動態分析，得到 “ 排量-時間 ” 曲線，可以得到火炬排放系統的峰值，以此進行火炬系統的設計，比所有系統排放量簡單疊加得到的排放量要少。
3.5 采用高完整性保護系統 ( HIPS) 減少火炬排

放量采用 HIPS 可以減少裝置內各壓力系統同時排放的概率，從而減少火炬的排放量。如冷卻水中斷時 , 多個塔同時失去塔頂冷凝能力，此時塔釜再沸器的熱源供給還在繼續，塔仍然有超壓的可能。可以設置 HIPS, 當冷卻水流量低或塔系統壓力高時聯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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石油化工裝置火炬系統設計負荷的確定