石油化工裝置火炬系統(tǒng)設(shè)計負(fù)荷的確定

發(fā)布時間：

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) ，危險性大，如何使其安全運行非常重要。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)計負(fù)荷，即火炬最大排放量 , 是火炬系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù) 。對裝置可能出現(xiàn)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(tǒng)的設(shè)計負(fù)荷，是工程設(shè)計中的一項不容忽視的工作。

1 確定火炬系統(tǒng)設(shè)計負(fù)荷的基本原則

確定火炬系統(tǒng)的設(shè)計負(fù)荷，首先要按照 3 個準(zhǔn)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(fā)生的相關(guān)事件是可信的;3）同時發(fā)生的 2 個或 2 個以上不相關(guān)的獨立事件是不可信的。因為 2 個或 2 個以上不相關(guān)的事件同時發(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間很長，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 , 同時發(fā)生是可信的 ; 火災(zāi)和換熱管破裂是不相關(guān)的，同時發(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(dǎo)工況。進行火炬系統(tǒng)水力學(xué)計算時，設(shè)計負(fù)荷不一定是所有事故中的最大質(zhì)量流量，而是流經(jīng)整個火炬系統(tǒng)時將產(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 ）進行火炬系統(tǒng)的水力學(xué)計算。

2.1外部火災(zāi)事故

出現(xiàn)外部火災(zāi)事故時，并不是全裝置同時發(fā)生火災(zāi) ，也不是所有的安全閥都會起跳。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以上 7.62m 。但在實際設(shè)計中，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，先劃分火災(zāi)影響范圍;再對劃分的每個火災(zāi)影響區(qū)計算其中每臺設(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(xiàn)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(fā)生電力故障，其所有電驅(qū)動的設(shè)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(fēng)扇停轉(zhuǎn) ，從而引起塔的超壓。對空冷器而言，當(dāng)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)時，因自然對流效應(yīng) , 空冷器仍有部分冷凝功能，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)時的冷凝量為正常負(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，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(nèi)設(shè)置了電驅(qū)動的冷卻水增壓泵或者冷凍水泵，當(dāng)發(fā)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(zhì)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(tǒng)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(dǎo)致塔內(nèi)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(xiàn)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(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，會有 20-30min 的緩沖，同時裝置也會借助設(shè)置的 UPS 電源，維持儀表繼續(xù)工作一段時間。這段時間足夠操作人員對此突發(fā)工況進行緊急處理，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(zhì) ，蒸汽中斷不會引起系統(tǒng)超壓。裝置內(nèi)如果有蒸汽驅(qū)動的泵或壓縮機 , 則需要根據(jù)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(tǒng),就不會引起超壓。

2.2.5 化學(xué)反應(yīng)失控

化學(xué)反應(yīng)失控有時會成為確定火炬負(fù)荷的主導(dǎo)工況。計算化學(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)小型模擬實驗的數(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)計協(xié)會（ DIERS ）推薦的方法進行計算，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)計規(guī)范》規(guī)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(fù)荷的主導(dǎo)工況。計算緊急減壓的排放量時，應(yīng)該假設(shè)減壓閥是全開的,減壓閥上游為被保護設(shè)備在排放時的最高壓力。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)計壓力加上積聚壓力。如果系統(tǒng)中同時設(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，均會引起系統(tǒng)超壓。但這些工況引起的超壓排放，僅會導(dǎo)致相應(yīng)系統(tǒng)的一個或多個安全閥開啟，不會引起多個系統(tǒng)的安全閥同時開啟，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，對于節(jié)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(zāi)發(fā)生時，絕熱材料在 904 七仍能起有效作用且 2h 內(nèi)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(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，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泵輸送的熱油，當(dāng)發(fā)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(shè)備的設(shè)計壓力，也會減少火炬排放量

3.4 通過動態(tài)分析減少火炬排放量

事故發(fā)生時，裝置內(nèi)的所有系統(tǒng)不可能同時達到超壓狀態(tài) ，安全閥也不可能同時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)對工藝流程的動態(tài)分析，得到 “ 排量-時間 ” 曲線，可以得到火炬排放系統(tǒng)的峰值，以此進行火炬系統(tǒng)的設(shè)計，比所有系統(tǒng)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(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(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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