LNG擴建工程火炬系統(tǒng)改造設計與優(yōu)化

鹿曉斌，張 芹，王江濤

（1.中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101；2.山東鴻運工程設計有限公司，山東 濟南 250101）

火炬系統(tǒng)[1]是LNG項目（接收站或液化廠）的重要組成部分，是安全閥起跳（事故工況）之前的最后一道超壓保護屏障。如果火炬系統(tǒng)設計能力不足，管網(wǎng)設計不可靠，在關(guān)鍵時刻安全閥無法正常起跳，形成重大安全隱患?；鹁嫦到y(tǒng)[2]主要由火炬管網(wǎng)、火炬筒體、火炬頭、火炬分液罐組成，其中火炬管網(wǎng)和火炬頭為整個火炬系統(tǒng)中最重要的部分，受處理能力影響較大，改造難度大。在擴建工程中，新增火炬煙筒數(shù)量或者重新改建火炬可以實現(xiàn)新增處理量的目標，但是施工難度和設計成本將成倍增加。從綠色設計理念出發(fā)，在安全環(huán)保的基礎(chǔ)上，通過計算核算，工藝優(yōu)化，完成對原火炬系統(tǒng)的優(yōu)化和設計，在盡量節(jié)省投資的基礎(chǔ)上完成擴建工程設計，這在設計上是一大難點[3]。

1 擴建工程火炬系統(tǒng)設計流程

由于火炬管網(wǎng)系統(tǒng)直接關(guān)系到所有接入該系統(tǒng)的安全閥順利開啟和儲罐的壓力保護，同時火炬頭和火炬筒在增加處理量后，其熱輻射范圍和噪音范圍都發(fā)生較大的改變，對設備布置和人員操作防護需重新復核，所以對于接收站擴建工程，火炬系統(tǒng)的最佳設計方案是盡量減少對原有火炬系統(tǒng)的改造。然而，隨著火炬處理量的提高，火炬分液罐、火炬管網(wǎng)和火炬頭等關(guān)鍵設備都需要進行重新核算和調(diào)整，通過采用Aspen HYSYS[4]、Aspen Flare System Analyzer和Flaresim等專業(yè)分析軟件，從動態(tài)整體上計算火炬泄放工況和火炬系統(tǒng)的運行，主要設計思路如圖1所示（見下頁）。

首先需要重新確定泄放源，分析各泄放源發(fā)生的組合工況，確定BOG排放系統(tǒng)的最大泄放量；根據(jù)該最大泄放量校核火炬能力，如果不能滿足，可以通過工藝設計改造降低泄放量或者增加火炬數(shù)量實現(xiàn)增量處理；待確定火炬泄放量后，對火炬系統(tǒng)噪音范圍、熱輻射范圍和無煙操作等重新校核；結(jié)合三維模型和工藝流程圖對火炬管網(wǎng)進行反復迭代及校核計算，并核算泄放源動背壓情況[5]和管道馬赫數(shù)，最終確定最優(yōu)管網(wǎng)布置[6]。

現(xiàn)以國內(nèi)某接收站擴建工程為例，按照上述設計流程對整個火炬系統(tǒng)做改造計算。該工程主要包括新增兩座16萬m3的LNG儲罐及其相關(guān)配套設施，火炬為高架火炬，平臺高度是13.5m，火炬高度是30.5m，位于海平面上，周圍無遮擋物，原設計能力是80t/h。

2 新增泄放源及其參數(shù)

新增儲罐及其相關(guān)設施以后，增加多處泄放源，其中主要包括2個16萬m3的LNG儲罐和新增的壓力安全閥（PSV）及熱膨脹泄放閥（TSV）。

為方便提高計算精度，安全閥泄放量可采用ASPEN HYSYS V8.6軟件進行模擬計算，計算和選型方法采用API520和API521要求[7,8]。先通過靜態(tài)模擬對安全閥進行初步選型，然后再利用動態(tài)模擬核算安全閥的選型規(guī)格。

圖1 擴建工程火炬管網(wǎng)設計流程圖

3 火炬能力計算和工況分析

目前LNG接收站中，引起B(yǎng)OG大量生成的主要原因包括大氣壓變化、破真空補氣閥故障、BOG壓縮機故障、卸船過程以及全廠停電事故等以及組合發(fā)生工況。根據(jù)多年LNG接收站運行經(jīng)驗分析，引起B(yǎng)OG量增大有表1中的幾種工況組合。

通過表1的對比分析，火炬能力的確定應選用工況5（最大大氣壓變化和高壓補氣閥故障同時發(fā)生）[9]，擴建后火炬處理能力應不低于110.6t/h，而項目原火炬設計能力僅為80t/h，很明顯火炬能力設計不夠。由于火炬排量增加而導致火炬頭處理能力不夠，則需要拆除原有火炬重建或者增加火炬數(shù)量，這要求對棧橋下方支撐結(jié)構(gòu)的負荷強度重新核算和施工。施工難度大，工程耗時長，投資費用高，且對現(xiàn)有設施生產(chǎn)會造成影響。因此，為了降低施工難度和工程造價，盡量減少對原火炬系統(tǒng)的改造，為此，對影響火炬處理能力的因素進行分析，從根源上降低最大排放量。

表1 火炬能力計算工況分析

最大大氣壓變化和破真空補氣閥決定了火炬的處理能力，其中最大大氣壓變化引起的泄放量與LNG儲罐的容積和數(shù)量、大氣壓變化速率有關(guān)，這些條件無法改變。另一項可變的是補氣閥故障引起的泄放量變化，該泄放量與補氣閥的流量有關(guān)，為降低火炬排放量，可將原1臺補氣閥更換為3臺較小流量的，單臺能力下降1/3，再考慮只有1臺閥門出現(xiàn)故障的情況。經(jīng)過此方法，最終擴建后火炬排放量降低至90t/h。

4 火炬能力復核

利用項目已有火炬頭數(shù)目、火炬煙筒高度和直徑、火炬平臺高度等數(shù)據(jù)，使用火炬專業(yè)分析軟件——Flaresim核算火炬排量為90t/h下的輻射范圍、噪音范圍等。在計算中選擇的是單點源和多點源結(jié)合的火焰計算模型——Mixer模型。

4.1 火炬處理能力復核

通過Flaresim仿真火炬專業(yè)分析軟件計算，項目擴建后，火炬處理能力增加到90t/h時，火炬出口流速是46.8m/s，馬赫數(shù)是0.177。滿足規(guī)范SH3009-2013[10]中對最大馬赫數(shù)0.5以下的要求，也滿足正常無煙排放馬赫數(shù)一般為0.2的要求。絕熱火焰溫度達到1760℃，火焰長度是67.45m，在最大泄放量和最大風速（12m/s）的情況下，火焰燃燒三維形狀如圖2所示。

圖2 火炬燃燒形狀（3D）

4.2 火炬熱輻射范圍復核

對原火炬在90t/h泄放量下的熱輻射強度進行模擬計算，結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 熱輻射范圍表

圖3 火炬熱輻射強度計算結(jié)果

該項目中火炬分液罐等區(qū)域距離火炬的水平位置300m，根據(jù)輻射值計算結(jié)果顯示在海平面距離火炬300m處最大熱輻射值是1.116kW/m2（包含太陽輻射強度），符合規(guī)范SH3009-2013中火炬設施分液罐等區(qū)域熱輻射值要小于9.0kW/m2的規(guī)定。該擴建工程中火炬距陸域（所有的生產(chǎn)裝置都在陸域）距離是120m，其最大熱輻射值是2.688 kW/m2，滿足SH3009-2013中要求“石油化工廠內(nèi)部的各生產(chǎn)裝置的允許熱輻射強度應小于等于3.2 kW/m2”。

4.3 火炬頭噪音復核

圖4 噪音強度(dB)計算結(jié)果

火炬處理量增加，Mach值隨之增加，相應的噪聲也會增大。在正常條件時，低流量燃料氣確?；鹁嫖⒄龎海孛嬖肼曋捣浅５?。但是在火炬最大量排放時，會出現(xiàn)很大噪音，通過對擴建后火炬頭的復核計算得到噪聲圖，如圖4所示。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)在距離火炬120m（陸域裝置）位置噪音是97dB，滿足SH3009-2013中規(guī)定的“在全廠緊急事故最大排放工況時小于等于115dB”。

綜上所述，在采用3臺小流量補氣閥替換原1臺大流量補氣閥的方案基礎(chǔ)上，通過對火炬處理能力、熱輻射范圍、噪聲的復核計算，原火炬可以滿足擴建工程的需要，無需再重新增加火炬設施。

5 火炬管網(wǎng)的計算

在LNG項目中，火炬管網(wǎng)主要用于收集安全閥泄放和LNG儲罐超壓排放的BOG。因此，在火炬管網(wǎng)設計時需要考慮火炬管網(wǎng)的壓降能否滿足儲罐達到設計壓力時的安全泄放。這個過程需要不斷的核算，選出成本較低且安全合適的管網(wǎng)布置，優(yōu)化火炬管網(wǎng)[11]。

本擴建項目由于火炬處理量增加，火炬管網(wǎng)的阻力降需要重新計算。與傳統(tǒng)計算方法[12]相比，采用專業(yè)火炬管網(wǎng)計算軟件Aspen Flare System Analyzer[13]計算更為精確，計算成本時耗更低。經(jīng)對火炬氣排放管網(wǎng)方案的不斷對比和核算，選出經(jīng)濟可行的陸域管網(wǎng)布置。

圖5 火炬管網(wǎng)計算模擬模型圖

如圖5所示，擴建項目需要新增1條BOG總管和1個火炬分液罐，下面對新增BOG總管的管徑及接口方案進行對比計算，選出最佳方案確保任何一個LNG儲罐達到26kPa(G)時能安全泄放。主要對比表3中的三個方案。

表3 火炬管網(wǎng)方案對比

采用Aspen Flare System Analyzer火炬管網(wǎng)專業(yè)分析軟件，假設火炬頭壓力為0kPa(G)，反算得到各方案下各個儲罐的壓力如表4。

表4 各對比方案下儲罐壓力表

結(jié)合儲罐的設計壓力和操作壓力，以及管路的安全經(jīng)濟性，最終選擇的是方案三。

6 總結(jié)

本文以某接收站項目為例，重點討論了擴建工程火炬處理系統(tǒng)優(yōu)化的計算方法。通過ASPEN HYSYS、Flaresim 和 Aspen Flare System Analyzer專業(yè)分析軟件，結(jié)合工程經(jīng)驗在不增加火炬筒數(shù)目和改造火炬基礎(chǔ)設施的情況下，完成擴建工程火炬管網(wǎng)和火炬系統(tǒng)的設計。并且提供了LNG項目對火炬系統(tǒng)改造的設計思路和方法，本設計思路已用于國內(nèi)某LNG接收站項目的施工圖設計，可以為今后擴建項目火炬系統(tǒng)的設計和核算提供參考。

[1] 曹文勝,魯雪生,顧安忠,等.液化天然氣接收終端及其相關(guān)技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2006,26(1):112-115．

[2] 蔣峰,耿業(yè)軍,范鈺彬.使用API STD 521計算油田火炬簡體高度優(yōu)化分析 [J].石油規(guī)劃設計,2014,25(3):28-31.

[3] 王延宗.乙烯裝置改造工程中火炬系統(tǒng)的分析與改造[J].化工進展,2002,21(10):745-748.

[4] 楊天宇,朱海山,郝蘊,等.壓力容器火災工況安全泄放質(zhì)量流量的動態(tài)研究 [J].石油與天然氣化工,2014(2):208-212.

[5] 顏勤偉,丁無極,陳海云,等.基于背壓修正的安全閥排量精確計算方法[J].壓力容器,2015,32(6):40-48.

[6] 倪浩,王磊,曾樹兵,等.海上生產(chǎn)設施火炬管網(wǎng)的分析[C]//2009年度海洋工程學術(shù)會議論文集(下冊),2009.

[7] API 521 Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems [R].Washington:American Petroleum Institute,2014.

[8] SYT10043-2002泄壓和減壓系統(tǒng)指南[S].2002.

[9] 劉萬山,盧超,呂俊.LNG接收站火炬負荷的計算[J].煤氣與熱力,2015,35(6):8-11.

[10]SH3009-2013石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)氣體排放設計規(guī)范[S].2013.

[11] 李長富,安英愛,劉茵.火炬排放管網(wǎng)系統(tǒng)設計 [J].化工設計,2009,19(3):27-29.

[12] 詹世平.火炬排放管網(wǎng)壓力降的簡便計算法[J].化學工業(yè)與工程技術(shù),1999,20(3):1-4.

[13] 匡順強,張斌.Aspen Flare-net在火炬管網(wǎng)設計中的應用[J].化工與醫(yī)藥工程,2015(2):1-5.