石油化工裝置火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的確定

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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(kāi)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(jiàn)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(kāi)啟，因此需要將此工況下開(kāi)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(wú)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(kāi)啟，則與出現(xiàn)電力故障時(shí)類似，將此工況下開(kāi)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(kāi)關(guān)閥都停到了氣源故障位置，即開(kāi) 、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(guò)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(guò)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(guó)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(kāi)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(kāi)啟，不會(huì)引起多個(gè)系統(tǒng)的安全閥同時(shí)開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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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